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"ACIER AUSTENITIQUE AU CHROME-NICKEL"
L'invention concerne les aciers austénitiques au chrome-nickel et a principalement pour objet les aciers de cette nature qui sont à peu près complètement insensibles à la corrosion intergranulaire, après avoir été exposés aux effets thermiques normaux qui accompagnent les opérations ordinaires de soudage, d'usinage et de recuit faisant disparaître les,tensions internes.
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Sur les dessins ci-joints : la fig. 1 est un diagramme à trois dimensions représentant la surface cylindrique qui, ainsi qu'il a été découvert, sépare les aciers susceptibles de corrosion intergranulaire dans certaines conditions des aciers qui ne la subissent pas dans les mêmes conditions, ainsi que le plan qui sépare les aciers de structure complètement austénitique de ceux qui, quoique en prédominance austénitiques, contiennent une certaine quantité de ferrite, la fig. 2 est un diagramme représentant une solution graphique.. de l'équation de la surface cylindrique de la fig. 1, qui sépare les aciers susceptibles de corrosion intergranulaire de ceux qui ne la subissent pas, la fig.
3 est un diagramme représentant une solution graphique de l'équation du plan qui sépare les aciers complètement austénitiques de ceux qui contiennent une certaine quantité de ferrite, la fig.'4 représente le volume limité par la surface cylindrique, le plan de la fig. 1 et par un troisième plan vertical correspondant à une teneur en carbone constante, et la fig. 5 représente un nomogramme permettant de déterminer les teneurs en carbone admissibles des aciers suivant l'invention pour des proportions données de nickel et de chrome.
On sait que les aciers austénitiques au chromenickel sont susceptibles, à moins d'avoir été "stabilisés", de subir une attaque corrosive intergranulaire, lorsqu'ils sont exposés à l'action des agents de corrosion et après avoir été chauffés à une température élevée comprise entre 370 C et 750 C. Même l'exposition de courte durée des aciers à l'action des températures qui accompagnent les opérations ordinaires de soudage, d'usinage et de recuit faisant disparaitre les tensions internes est suffisante pour les rendre
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"sensibles" à la corrosion intergranulaire.
Plusieurs procédés de stabilisation des aciers, c'est-à-dire ayant pour but de les rendre susceptibles de résister sensiblement ou de les rendre insensibles à ce type de corrosion, ont été déjà préconisés et certains d'entre eux, en particulier l'addition de columbium à l'acier en proportion basée sur la teneur en carbone, ont donné des résultats efficaces à cet effet.
Cependant on ne cesse pas de rechercher d'autres moyens de stabiliser les aciers austénitiques au chrome-nickel, que l'addition d'éléments d'alliage coûteux, tels que le colum- bium.
Un procédé connu de stabilisation des aciers de ce type sans addition de columbium ou autres éléments d'alliage spéciaux consiste à régler avec le plus grand soin la teneur en azote des aciers en limitant cette teneur à environ 0,02 ou 0,03%. Mais on a constaté que ce procédé n'est pas applicable dans la pratique industrielle, d'une part à cause de la difficulté de préparer des aciers austénitiques au chromenickel contenant moins de 0,05% d'azote dans la pratique industrielle, et d'autre part à cause de l'impossibilité d'obtenir par ce procédé, d'une manière conséquente, des aciers possédant l'insensibilité voulue à la corrosion intergranulaire.
L'invention est basée sur la découverte selon laquelle les proportions relatives entre les teneurs en chrome, nickel, azote et carbone des aciers austénitiques au chromenickel exercent une grande influence sur le degré de sensibilité de ces aciers à la corrosion intergranulaire. De plus, il a été découvert qu'il est possible de préparer des aciers austénitiques au chrome-nickel contenant une teneur quelconque donnée comprise entre 16 et 25% de chrome et à peu près insensibles à la corrosion intergranhulaire après exposition
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normale aux températures les rendant sensibles à cette action et accompagnant les opérations ordinaires de soudage, d'usinage et de recuit faisant disparaître les tensions internes, en établissant d'une manière appropriée les proportions relatives entre les teneurs de nickel, carbone et azote.
Les proportions relatives entre ces éléments qui doivent être respectées ne sont pas identiques pour toutes les teneurs en chrome comprises entre 16 et 25%, mais varient avec les teneurs en chrome. Par exemple, un acier contenant une proportion donnée de chrome et des proportions données de nickel, de carbone et d'azote peut rester à peu près insensible à l'action de courte durée d'une température comprise dans l'intervalle de sensibilisation et, par suite, à peu prèsinsensible à la corrosion intergranul aire, tandis qu'un autre acier de composition d'autre part identique, mais contenant moins de chrome peut être sensible à cette action, c'est-àdire susceptible de corrosion intergranulaire sous l'effet de la même exposition à la même température.
L'invention a pour objet des aciers contenant de 16 à 25% de chrome avec une teneur normale en azote, c'est- à-dire ne dépassant pas environ 0,05% et dès proportions équilibrées de nickel et de carbone suffisantes pour les rendre à peu près complètement austénitiques et exempts de carbures non dissous. Par exemple un acier contenant 18% de chrome peut contenir 8% à 15% de nickel et une proportion de carbone ne dépassant pas 0,04%, suivant l'invention. Un acier contenant 20% de chrome peut contenir 12% à 18% de nickel et pas plus de'0,03% de carbone et la teneur en nickel d'un acier à 25% de chrome peut être comprise entre 15 et 25% avec une teneur en carbone ne dépassant pas 0,03%, suivant l'invention.
En général, plus la teneur de l'acier en chrome est forte entre les limites indiquées ci-dessus, plus la teneur en nickel peut être forte pour une teneur en carbone donnée. De
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même, pour une teneur donnée en chrome, plus la teneur en nic- kel est forte, plus la teneur en carbone doit être faible.
Suivant l'invention, les proportions entre les élé- ments de carbone et nickel des aciers au chrome-nickel austé- nitiques ne contenant pas plus de 0,05% d'azote, peuvent être déterminées pour des différentes teneurs en chrome d'après des équations établies à la suite d'essais d'aciers de di- verses compositions soumis à des conditions devant provoquer normalement la corrosion intergranulaire.
Par exemple, pour des aciers contenant 18% de chrome et 8% à 15% de nickel, la teneur maximum en carbone qu'ils peuvent contenir peut être déterminée par l'équation suivante : log %C = - 0,0520 (%Ni) - 1,034 Pour des aciers contenant 20% de chrome et 12% à 18% de nickel, l'équation permettant de déterminer la teneur maximum en carbone est la suivante : log %C = - 0,0335 (%Ni) - 1,168 et pour des aciers à 25% de chrome et contenant de 15% à 25% de nickel, cette équation devient : log %C = - 0,0244 (%Ni) - 1,208
Quoique les équations qui précèdent indiquent la teneur en carbone maximum admissible pour les trois valeurs choisies de la teneur en chrome, elles ne donnent pas entiè- rement satisfaction pour d'autres teneurs en chrome.
La te- neur en carbone maximum admissible au point de vue de la sen- sibilité à la corrosion intergranulaire dans la gamme entière des teneurs, c'est-à-dire de 16% à 25% de chrome et de 7% à 25% de nickel peut être déterminée en se reportant aux dia- grammes des fig. 1 et 2 des dessins.
La fig. 1 représente un diagramme à trois dimen- sions, dans lequel les teneurs en chrome et en carbone sont représentées par les coordonnées du plan horizontal et les @ teneurs en nickel par des coordonnées verticales perpendicu-
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@ laires au plan des coordonnées des teneurs en chrome et en carbone.
La surface cylindrique ABCDE de la fig. 1 est la surface limite qui sépare les aciers sensibles des aciers insensibles, les aciers dont les compositions sont situées sur la surface , au-dessous ou derrière cette surface résis- tant à la corrosion intergranulaire pendant 700 heures au plus dans'une solution de sulfate de cuivre acidifiée et bouil- lante, après avoir subi un recuit à 1075 C, avoir été mainte- nus pendant une heure à la température de sensibilisation, dans l'espèce de 650 C, et refroidis à l'air.
L'équation de la surface ABCDE de la fig. 1 est la suivante :
EMI6.1
##Z+ 13,8. (%pcr) - 10 (%Ni) -276 =0 %0 0 , 83 Cette équation détermine la teneur en carbone maximum admissible d'un acier contenant des proportions données de chrome et de nickel, en remplaçant dans l'équation les teneurs en chrome et en nickel par les valeurs choisies et en résolvant l'équation par rapport au pourcentage en carbone. La fig. 2 représente, pour simplifier, une solution graphique de cette équation. Sur cette figure, les pourcentages en chrome sont portés en ordonnées et les pourcentages en nickel en abscisses à la manière habituelle et les courbes des pourcentages en carbone compris entre 0,015% et 0,05% sont tracées à des intervalles de 0,001%.
Pour déterminer la teneur en carbone maximum admissible pour des proportions choisies de chrome et de nickel, il suffit de situer le point correspondant à ces pourcentages de chrome et de nickel et de déterminer sa position par rapport aux courbes des pourcentages en carbone. Par exemple, le point correspondant à une composition de 18% de chrome et 11% de nickel est situé sur la courbe représentant une teneur èn carbone de 0,024%.
Par suite,
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la teneur en carbone maximum que peut contenir un acier contenant 18% de chrome et 11% de nickel pour le rendre insensible à la corrosion intergranulaire dans les condi- tions qui ont été indiquées précédemment est de 0,024%,
Quoiqu'ainsi qu'il a été dit, tous les aciers dont les points qui représentent leur composition se trouvent sur la surface ABCDE de la fig.
1 ou au-dessous ou derrière cette surface soient insensibles à la corrosion intergranu- laire pendant un intervalle de temps allant jusqu'à 700 heu- res dans une solution de sulfate de cuivre acidifiée bouillan- te, après recuit à 1075 C, refroidissement à l'air et nouveau chauffage à 650 C et nouveau refroidissement à l'air, certains de ces aciers ayant les compositions précitées, quoiqu'en prédominance austénitiques, peuvent contenir d'as- sez fortes proportions de ferrite. Les aciers contenant d'assez fortes proportions de ferrite ne conviennent pas à certaines applications, à cause de leur tendance à devenir fragiles.
En conséquence, les aciers dont la composition doit être choisie de préférence sont seulement ceux qui sont sensiblement austénitiques à 100% après recuit à 1075 C, re- froidissement à l'air, nouveau chauffage à 650 C et nouveau refroidissement à l'air.
Sur la fig, 1, le plan FGHJ est celui qui sépare les aciers à peu près complètement austénitiques dans les conditions précitées de ceux qui contiennent des proportions appréciables de ferrite. Tous les aciers dont la composition est représentée par un point situé sur ou au-dessus du plan FGHJ de la fig. 1 sont à peu près complètement austénitiques et ceux pour lesquels ce point est situé au-dessous de ce plan contiennent des proportions notables de ferrite après le traitement thermique décrit ci-dessus:. L'équation du plan FGHJ est la suivante : @
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30 (%C) - 1,3(%Cr) + %Ni + 12,1 - 0 En substituant dans cette équation les valeurs choisies des pourcentages de chrome et de nickel, on peut déterminer les teneurs en carbone minimum qui sont nécessaires pour rendre les aciers complètement austénitiques.
La fig. 3 représente une solution graphique de cette équation, qui est tracée de la même manière que celle de la fig. 2 et dont on se sert dela même manière. Par exemple, la teneur encarbone minimum d'un acier contenant 19% de chrome et 12% de nickel est de 0,02%.
Mais étant donné que l'invention ne concerne que les aciers résistant à la corrosion intergranulaire, il y a lieu de tenir compte de la surface cylindrique ABCDE ainsi que du plan FGHJ de la fig. 1 pour déterminer les proportions relatives des éléments des aciers suivant l'invention.
Les points qui correspondent aux compositions à adopter de préférence sont donc situés dans l'espace qui se trouve sur ou derrière la surface ABCDE et sur ou au-dessus du plan FGHJ de la fig. 1 et qui est limité par un plan correspondant à une teneur constante en carbone.
Pour rendre ces considérations plus claires, on a tracé sur la fig. 4 un diagramme semblable à celui de la fig. 1 avec un plan vertical correspondant à une teneur en carbone de 0,015%, qui coupe la surface de séparation des aciers sensibles et insensibles à la corrosion et le plan séparant les aciers complètement austénitiques des aciers austénitiques contenant des quantités notables de ferrite.
On a également tracé les plans des teneurs limites en chrome.
Le solide ainsi délimité contient les points figuratifs des compositions des aciers à adopter de préférence.
En faisant passer des plans dans le solide de la fig. 4 correspondant à des teneurs constantes en nickel, on
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obtient des courbes d'intersection avec les plans limitant le solide, qui délimitent des surfaces satisfaisantes en fonction des teneurs en chrome et en carbone. On a tracé sur la fig. 5 ces courbes d'intersection correspondant à des variations de la teneur en nickel de 1 % et on obtient ainsi un nomogramme qui permet de déterminer les compositions spéciales des aciers comprises entre les limites à adopter de préférence. On remarquera que sur la fig. 5, étant donné que la limite supérieure de la teneur en chrome est de 25%, le nomogramme est interrompu à cette valeur et par suite les courbes des teneurs en nickel comprises entre 20% et 25% se terminent à droite.
Si on désire obtenir un acier contenant 15% de nickel, on voit d'après le nomogramme de la fig. 5 que les teneurs en chrome et en carbone des aciers contenant cette proportion de nickel qui peuvent être adoptées, sont comprises dans la surface KLM. Si donc on désire que l'acier contenant 15% de nickel contienne( également 20 % de chrome, sa teneur en carbone doit être comprise entre 0,015% et 0,022%. Si, d'autre part, l'acier contient 21,3% de chrome et 15 % de nickel, la teneur en carbone doit être comprise entre 0,0195% et 0,0255%. Tous les aciers dont le point figuratif de la composition se trouve dans la surface KLM de la fig. 5, sont à peu près complètement austénitiques et à peu près complètement insensibles à la corrosion iptergranulaire, dans les conditions indiquées précédemment.
Les aciers suivant l'invention peuvent aussi contenir éventuellement des éléments tels que le manganèse jusqu'à 3% et le silicium jusqu'à 1,5% dont la présence a principalement pour but d'effectuer la désoxydation. L'acier contient généralement environ 1,5% de manganèse et 0,5% de silicium. D'autres désoxydants'connus tels que l'alumi- nium, le calcium et le zirconium peuvent être ajoutés en supplément ou en remplacement du manganèse et du silicium.
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Les aciers préparés suivant l'invention ont été essayés en vue de déterminer leur sensibilité à la corrosion intergranulaire en les chauffant d'abord à une température comprise entre 370 C et 750 C, puis en les plongeant dans une solution de sulfate de cuivre acidifiée bouillante ou dans une solution bouillante d'acide nitrique à 65%. La solution de sulfate de cuivre ayant servi à effectuer ces essais contenait 50 gr de CuSO4.5H2O, 50cmc d'acide sulfurique de poids spécifique de 1,34 et 420 cmc d'eau. Le degré de sensibilité à l'attaque intergranulaire a été déterminé dans l'essai au sulfate de cuivre par la variation de la résistance électrique de l'éprouvette et par la variation de ductilité déterminée par des essais à la flexion.
Dans les essais à l'acide nitrique, les critériums adoptés sont la corrosion globale exprimée en unités de 24,4 mm (pouces) de pénétration par mois et l'attaque localisée d'éprouvettes soudées. On a constaté à la suite de ces essais que les aciers dont les teneurs en chrome, nickel et carbone sont équilibrées suivant l'invention sont toujours à peu près complètement insensibles à la corrosion intergranulaire après avoir subi l'action d'uhe température de 650 C pendant une heure, tandis que les aciers de composition presque identique, mais dont les teneurs ne sont pas équilibrées de la même manière, sont toujours susceptibles de corrosion intergranulaire après cette exposition.
Le tableau ci-dessous indique les résultats types obtenus au cours des essais en question. Sur le tableau, "l'état 1" indique que l'éprouvette traitée a été chauffée pendant 10 minutes à 1075 C et refroidie à l'air."L'état 2" indique que l'éprouvette à subi d'abord ce même traitement thermique, puis a été chauffée pendant une heure à 650 C.
Les vitesses de corrosion désignées sur le tableau par In/Mo
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(pénétration par unités de 25,4 mm (pouces) par mois) sont les vitesses de corrosion moyenne pendant cinq périodes de 48 heures chacune d'immersion dans l'acide nitrique bouillant à 65%. Le coefficient de flexion a été déterminé sur des éprouvettes ayant été plongées dans une solution de sulfate de cuivre acidifiée bouillante pendant 700 heures ou pendant le temps indiqué sur le tableau. Les éprouvettes ont été fortement pliées après avoir subi ce traitement. Le premier et le troisième des aciers à 18% de chrome du tableau contenaient une teneur en carbone supérieure à la limite admissible, de même que le premier, le troisième et le cinquième des aciers à 20% de chrome.
Tableau 1
EMI11.1
<tb>
<tb> Composition <SEP> % <SEP> Etat <SEP> 1 <SEP> Etat <SEP> 2 <SEP>
<tb> Coeff. <SEP> Pénétra- <SEP> Coeff. <SEP> Pénétrade <SEP> tion <SEP> In/ <SEP> de <SEP> tion
<tb> flex. <SEP> Mo <SEP> flex. <SEP> In/Mo
<tb> Cr <SEP> Ni <SEP> Mn <SEP> Si <SEP> C <SEP> N
<tb> 18,61 <SEP> 9,9 <SEP> 1,26 <SEP> 0,4 <SEP> 0,045 <SEP> 0,026 <SEP> 0 <SEP> 0,00057 <SEP> 4 <SEP> 0,0052
<tb> 18,54 <SEP> 9,86 <SEP> 1,23 <SEP> 0,48 <SEP> 0,018 <SEP> 0,044 <SEP> 0 <SEP> 0,00055 <SEP> 0 <SEP> 0,00066
<tb> 18,22 <SEP> 10,95 <SEP> 1,5 <SEP> 0,46 <SEP> 0,05 <SEP> 0,049 <SEP> 0 <SEP> 0,00058 <SEP> 5+ <SEP> 0,00780
<tb> 18,35 <SEP> 10,75 <SEP> 1,4 <SEP> 0,36 <SEP> 0,026 <SEP> 0,054 <SEP> 0 <SEP> 0,00055 <SEP> 0 <SEP> 0,00087
<tb> 18,54 <SEP> 11,63 <SEP> 0,82 <SEP> 0,37 <SEP> 0,010 <SEP> 0,053 <SEP> 0 <SEP> 0,00053 <SEP> 0 <SEP> 0,00059
<tb> 18,82 <SEP> 15,63 <SEP> 0,
33 <SEP> 0,26 <SEP> 0,015 <SEP> 0,041 <SEP> 0 <SEP> 0,00046 <SEP> 0 <SEP> 0,00045
<tb> 20,52 <SEP> 12,71 <SEP> 1,24 <SEP> 0,54 <SEP> 0,028 <SEP> 0,039 <SEP> 0 <SEP> 0,00053 <SEP> 4 <SEP> 0,0050
<tb> 20,68 <SEP> 12,83 <SEP> 1,23 <SEP> 0,56 <SEP> 0,012 <SEP> 0,043 <SEP> 0 <SEP> 0,00036 <SEP> 0 <SEP> 0,00036
<tb> 20,36 <SEP> 15,24 <SEP> 1,39 <SEP> 0,47 <SEP> 0,028 <SEP> 0,035 <SEP> 0 <SEP> 0,00039 <SEP> 5 <SEP> 0,0125
<tb> 20,22 <SEP> 15,71 <SEP> 0,43 <SEP> 0,43 <SEP> 0,008 <SEP> 0,042 <SEP> 0 <SEP> 0,00034 <SEP> 0 <SEP> 0,00039
<tb> 20,61 <SEP> 18,32 <SEP> 1,35 <SEP> 0,52 <SEP> 0,027 <SEP> 0,034 <SEP> 0 <SEP> 0,00042 <SEP> 5 <SEP> 0,0350
<tb> 21,16 <SEP> 18,29 <SEP> 0,38 <SEP> 0,27 <SEP> 0,009 <SEP> 0,035 <SEP> 0 <SEP> 0,00035 <SEP> 0 <SEP> 0,00036
<tb>
+ Ebullition pendant 24 heures seulement
Coefficient de flexion :
0 sans criques
4 criques superficielles profondes
5 éprouvette rompue.
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Les aciers suivant l'invention conviennent particulièrement à la fabrication des pièces soudées à cause de leur insensibilité à peu près complète à la corrosion intergranulaire. Ils peuvent aussi servir à confectionner les baguettes de soudure. Les plaques en acier suivant l'invention peuvent être soudées avec des baguettes de soudure au chromenickel contenant du columbium, ou les aciers austénitiques au chrome-nickel stabilisés par le columbium peuvent être soudés avec des baguettes de soudure en acier suivant l'invention de façon à obtenir ainsi des pièces soudées à peu près complètement insensibles à la corrosion intergranulaire.
On remarquera que les aciers suivant l'invention sont à peu près complètement insensibles à la corrosion intergranulaire après avoir subi l'action d'une température de 650 C pendant une heure. En d'autres termes ce traitement ne les rend pas sensibles à la corrosion intergranulaire.
Cependant il ne convient pas de prolonger l'exposition à 6500 de certains aciers notablement au delà d'une heure, car cette durée d'exposition prolongée peut les rendre sensibles.
De même, une exposition à une température supérieure à 650 C rend les aciers, dans certains cas, susceptibles de devenir sensibles à la corrosion intergranulaire, même si la durée d'exposition est beaucoup plus courte. Mais tous les aciers suivant l'invention peuvent être exposés aux traitements thermiques normaux des opérations ordinaires de soudage, d'usinage et de recuit faisant disparaitre les tensions internes sans devenir susceptibles de corrosion intergranulaire.