EP0081432B1 - Alliages à base de fer pour éléments de construction soudés et utilisations de ces alliages - Google Patents

Alliages à base de fer pour éléments de construction soudés et utilisations de ces alliages Download PDF

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EP0081432B1 EP82402208A EP82402208A EP0081432B1 EP 0081432 B1 EP0081432 B1 EP 0081432B1 EP 82402208 A EP82402208 A EP 82402208A EP 82402208 A EP82402208 A EP 82402208A EP 0081432 B1 EP0081432 B1 EP 0081432B1
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    • C22C—ALLOYS
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    • Y10T428/12653—Fe, containing 0.01-1.7% carbon [i.e., steel]

Definitions

  • the present invention relates to iron-based alloys with a low coefficient of expansion and which can be welded and to the applications of these alloys to welded construction elements working under cryogenic conditions, in particular to storage and transport tanks and transport conduits. liquefied gas.
  • the phenomenon known as “solidification crack” is due to the fact that interdendritic films are still liquid and therefore incapable of withstanding a tensile force at a temperature where the dendrites already formed constitute a continuous solid structure capable of transmitting the forces due to thermal contraction.
  • the ductility hole corresponds to a minimum of ductility in the temperature range from 700 to 1000 ° C.
  • a filler metal is known for welding the above alloys in which manganese and titanium have been added to the base metal of the above type.
  • a typical composition of this filler metal comprises 36% nickel, 0.1% silicon, 0.1% carbon, less than 0.01% sulfur, less than 0.01% phosphorus, 3% manganese and 1% titanium, iron forming the balance.
  • the addition of manganese and titanium has the disadvantage of raising the coefficient of expansion of the alloy which cannot therefore be used as a base metal for the manufacture of construction elements in the cryogenic field.
  • the use of this filler metal as a weld does not solve all the difficulties. In the case of crossed beads and if the stresses are high enough, cracking of the first bead occurs in the area affected by the second bead, not in the molten area but just at the limit of the latter in the metal of based.
  • French patent FR-A-2 148 954 has proposed iron-nickel alloys with manganese plating and having a limited sulfur content for building elements in the cryogenic field. These alloys contain by weight 36 to 36.5% of nickel, 0 to 25% of silicon, 0 to 0.04% of carbon, 0 to 0.012% of sulfur, 0 to 0.012% of phosphorus and 0.20 to 0, 40% manganese. Due to the limitation of the sulfur content and the presence of manganese, the construction elements made with these alloys can be welded without great difficulty. However, it is found that the metal of the molten zone of a weld bead produced with this alloy is unable to simultaneously resist a temperature of the order of 700 to 1000 ° C. and a tensile stress when these conditions meet. during a local recovery of a weld bead or a crossing of weld beads. This phenomenon is due to the drop in ductility observed in the temperature range given above.
  • the object of the present invention is to provide iron-based alloys intended for welded construction elements working under cryogenic conditions, not exhibiting a marked "ductility hole” or of an unacceptable tendency to "solidify". These alloys have an average expansion coefficient between -180 ° C and 0 ° C or lower neighbor 2.10- 6 / ° C and the present invention relates to applications requiring the above properties.
  • the iron-based alloys for building elements working at cryogenic temperatures in accordance with the invention contain by weight 35 to 39% of nickel, 0 to 20% of cobalt, 0 to 0.25% of silicon, 0 to 0, 04% carbon, 0 to 0.004% sulfur, 0 to 0.008% posphorus, manganese, the rest being formed by iron and by impurities and they are characterized by the fact that they contain 0.2 to 1, 5% manganese and 0.2% to 0.5% titanium.
  • the alloys contain 0.3 to 1% of manganese.
  • these alloys are used in the manufacture of construction elements having welded crossings.
  • the alloys according to the invention are iron-based and contain 35 to 39% of nickel. They have an austenitic structure. They can contain 0 to 20% cobalt.
  • the table gives two alloy compositions in accordance with the invention. These compositions are given by weight.
  • the alloys contain manganese and titanium.
  • the combination of manganese addition and titanium addition is essential. Indeed the addition of manganese alone, even at the 3% level, has no effect on the "ductility hole".
  • the manganese content is between 0.2 and 1.5%. Preferably it should not exceed 1% so that the average coefficient of expansion between -180 ° and 0 ° is low ( Figure 3). Preferably the content is between 0.3% and 1%.
  • the necking curve at break ( Figure 1) of alloy A, the weight composition of which is given in Table II shows that the "ductility hole” exists when the titanium content is less than 0.2%.
  • the minimum titanium content is also critical from the point of view of weldability. In fact, tests show that the alloys according to the invention do not have cracks at the weld intersections, while alloys such as alloy A occasionally exhibit them and that titanium-free alloys systematically exhibit them.
  • the titanium content should not exceed 0.5% to avoid increasing the average coefficient of expansion and to avoid aggravating the tendency to crack solidification.
  • the sulfur content is between 0 and 0.004%.
  • the graph in FIG. 2 shows that in the field of alloys according to the invention, the lowering of the sulfur content from 0.011% ("notes” circled) to 0.004% ("notes” underlined) causes the "note” to drop by 50 points to bring it well below 140 which is a "note” for which we do not encounter difficulties in TIG welding.
  • the applications of the alloys according to the invention are those where these alloys provide an average coefficient of expansion of less than 2.5 x 10 " s ° c under cryogenic conditions and a ductility hole sufficiently attenuated to allow welds, in particular crossings of
  • the alloys according to the invention are suitable for welded construction elements working under cryogenic conditions and having weld crossings produced with metal fusion in the welding zones of said elements.
  • Figure 4 shows a cryogenic conduit in which the annular bead 1 cuts the longitudinal cords 2 and 3.
  • the alloys according to the invention are specially adapted to such parts having welded crossovers.

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Description

  • La présente invention se rapporte à des alliages à base fer à faible coefficient de dilatation et soudables et aux applications de ces alliages à des éléments de construction soudés travaillant dans des conditions cryogéniques en particulier aux cuves de stockage et de transport et aux conduits de transport de gaz liquéfié.
  • La soudabilité des alliages fer-nickel présentant 35 à 50% de nickel, parmi lesquels l'alliage connu sous la marque »INVAR«, est limitée par deux phénomènes distincts: la tendance à la »crique de solidification« et le »trou de ductilité«. Le phénomène dit de »crique de solidification« est dû au fait que des films interdendritiques sont encore liquides et donc incapables de résister à un effort de traction à une température où les dendrites déjà formées constituent un édifice solide continu capable de transmettre les efforts dûs à la contraction thermique. Le trou de ductilité correspond à un minimum de ductilité dans l'intervalle de températures allant de 700 à 1000° C.
  • On connait un métal d'apport destiné au soudage des alliages cidessus dans lequel on a ajouté du manganèse et du titane au métal de base du type ci-dessus. Une composition type de ce métal d'apport comporte 36% de nickel, 0,1% de silicium, 0,1% de carbone, moins de 0,01% de soufre, moins de 0,01% de phosphore, 3% de manganèse et 1% de titane, le fer formant le solde. L'addition de manganèse et de titane présente l'inconvenient d'élever le coefficient de dilatation de l'alliage qui ne peut pas de ce fait être utilisé comme métal de base pour la fabrication d'éléments de construction dans le domaine cryogénique. Par ailleurs l'utilisation de ce métal d'apport comme soudure ne résoud pas toutes les difficultés. Dans le cas de cordons croisés et si les contraintes sont assez élevées, il se produit des fissurations du premier cordon dans la zone affectée par le second cordon, non pas dans la zone fondue mais juste à la limite de celle-ci dans le métal de base.
  • On a proposé, dans le brevet français FR-A-2 148 954 pour des éléments de construction dans le domaine cryogénique, des alliages fer-nickel chragés en manganèse et présentant une teneur limitée en soufre. Ces alliages comportent en poids 36 à 36,5% de nickel, 0 à 25% de silicium, 0 à 0,04% de carbone, 0 à 0,012% de soufre, 0 à 0,012% de phosphore et 0,20 à 0,40% de manganèse. A cause de la limitation de la teneur en soufre et de la présence de manganèse, les éléments de construction réalisés avec ces alliages peuvent être soudés sans grosses difficultés. On constate néanmoins que le métal de la zone fondue d'un cordon de soudure réalisé avec cet alliage est incapable de résister simultanément à une température de l'ordre de 700 à 1000° C et à une contrainte de traction alors que ces conditions se rencontrent lors d'une reprise locale d'un cordon de soudure ou d'un croisement de cordons de soudre. Ce phénomène est dû à la chute de la ductilité que l'on observe dans la plage de températures donnée ci-dessus.
  • La présente invention a pour but de fournir des alliages à base fer destinés à des éléments de construction soudés travaillant dans des conditions cryogéniques, ne présentant pas un »trou de ductilité« marqué, ni de tendance inacceptable à la »crique« de solidification. Ces alliages présentent un coefficient moyen de dilatation entre -180° C et 0° C inférieur ou voisin de 2.10-6/° C et la présente invention est relative à des applications exigeant les propriétés ci-dessus.
  • Les alliages à base de fer pour éléments de construction travaillant à des températures cryogéniques conformes à l'invention contiennent en poids 35 à 39% de nickel, 0 à 20% de cobalt, 0 à 0,25% de silicium, 0 à 0,04% de carbone, 0 à 0,004% de soufre, 0 à 0,008% de posphore, du manganèse, le reste étant formé par du fer et par des impuretés et ils sont caractérisés par le fait qu'ils contiennent 0,2 à 1,5% de manganèse et 0,2% à 0,5% de titane.
  • Selon une caractéristique, les alliages contiennent 0,3 à 1% de manganèse.
  • Selon une autre caractéristique de l'invention, ces alliages sont utilisés à la fabrication d'éléments de construction présentant des croisements de soudure.
  • L'invention va maintenant être décrite avec plus de détails en se référant à des modes de réalisation donnés à titre d'exemples. Cette description nullement limitative fait référence aux dessins annexés dans lesquels:
    • La figure 1 est un graphique donnant la striction à rupture mesurée par essai de traction rapide sur des échantillons forgés et traités une heure à 1100° C, en fonction de la température t.
    • La figure 2 donne pour différentes teneurs en manganèse et en titane conformes à l'invention, une »note« définie selon la méthode Gueussier-Castro, de la tendance au défaut dit de la »crique« de solidification«, cette tendance étant d'autant plus forte que la note est plus élevée.
    • La figure 3 est un graphique donnant le coefficient moyen de dilatation entre -180° C et 0"C d'alliages conformes à l'invention.
    • La figure 4 représente un exemple d'élément de construction pour lequel les alliages conformes à l'invention sont spécialement adaptés.
  • Les alliages selon l'invention sont a base fer et contiennent 35 à 39% de nickel. Ils ont une structure austénitique. Ils peuvent contenir 0 à 20% de cobalt.
  • A titre d'exemple, le tableau donne deux compositions d'alliages conformes à l'invention. Ces compositions sont données en poids.
    Figure imgb0001
  • Les alliages contiennent du manganèse et du titane. La combinaison de l'addition en manganèse et de l'addition en titane est essentielle. En effet l'addition de manganèse seul, même au niveau de 3%, est sans effet sur le »trou de ductilité«. La teneur en manganèse est comprise entre 0,2 e 1,5%. De préférence elle ne doit pas dépasser 1% pour que le coefficient moyen de dilatation entre -180° et 0° soit faible (figure 3). De préférence la teneur est comprise entre 0,3% et 1%.
  • La teneur minimum en titane, égale à 0,2%, est critique en ce qui concerne le »trou de ductilité«. En effet celui-ci n'est pas supprimé de façon reproductible lorsque la teneur en titane est inférieure à la limite mentionnée. Ainsi la courbe de striction à la rupture (figure 1) de l'alliage A dont la composition pondérale est donnée dans le tableau Il montre que le »trou de ductilité« existe lorsque la teneur en titane est inférieure à 0,2%.
    Figure imgb0002
  • Au contraire les courbes de striction à rupture des alliages M1 et M2 (figure 1) montrent que le »trou de ductilité« est effacé dans les alliages conformes à l'invention contenant plus de 0,2% de titane.
  • La teneur minimum en titane est par ailleurs critique du point de vue de la soudabilité. En effet les essais montrent que les alliages selon l'invention ne présentent pas de criques aux croisements de soudures alors que des alliages tels que l'alliage A en présentent occasionnellement et que des alliages sans titane en présentent systématiquement.
  • La teneur en titane ne doit pas dépasser 0,5% pour éviter d'augmenter le coefficient moyen de dilatation et pour éviter d'aggraver la tendance à la crique de solidification.
  • La teneur en soufre est comprise entre 0 et 0,004%. Le graphique de la figure 2 montre que dans le domaine des alliages selon l'invention, l'abaissement de la teneur en soufre de 0,011% (»notes« cerclées) à 0,004% (»notes« soulignées) fait chuter la »note« de 50 points pour l'amener largement au-dessous de 140 qui est une »note« pour laquelle on ne rencontre pas de difficultés en soudage TIG. Les applications des alliages selon l'invention sont celles où ces alliages apportent un coefficient moyen de dilatation inférieur à 2,5 x 10" s°c dans les conditions cryogéniques et un trou de ductilité suffisamment atténué pour permettre des soudures en particulier des croisements de soudures. Les alliages selon l'invention sont adaptés à des éléments de construction soudés travaillant dans des conditions cryogéniques et présentant des croisements de soudure réalisés avec fusion de métal dans les zones de soudage desdits éléments. La figure 4 montre un conduit cryogénique dans lequel le cordon annulaire 1 coupe les cordons longitudinaux 2 et 3. Les alliages selon l'invention sont spécialement adaptés à de telles pièces présentant des croisements de soudure.

Claims (3)

1. Alliages à base de fer pour éléments de construction soudés travaillant à des températures cryogéniques, contenant en poids 35 à 39% de nickel, 0 à 20% de cobalt, 0 à 0,25% de silicium, 0 à 0,04% de carbone, 0 à 0,004% de soufre, 0 à 0,008% de phosphore, du manganèse, le reste étant formé de fer et d'impuretés, caractérisés par le fait qu'ils contiennent 0,2 à 1,5% de manganèse et 0,2 à 0,5% de titane.
2. Alliages selon la revendication 1 caractérisés par le fait qu'ils contiennent 0,3 à 1 % de manganèse.
3. Utilisations des alliages selon l'une quelconque des revendications précédentes pour la fabrication d'éléments de construction présentant des croisements de soudure et nécessitant un coefficient moyen de dilatation inférieur à 2,5 x 10-6/° C.
EP82402208A 1981-12-04 1982-12-03 Alliages à base de fer pour éléments de construction soudés et utilisations de ces alliages Expired EP0081432B1 (fr)

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