EP0254787A1 - Acier inoxydable austénitique et amagnétique - Google Patents

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EP0254787A1
EP0254787A1 EP86401681A EP86401681A EP0254787A1 EP 0254787 A1 EP0254787 A1 EP 0254787A1 EP 86401681 A EP86401681 A EP 86401681A EP 86401681 A EP86401681 A EP 86401681A EP 0254787 A1 EP0254787 A1 EP 0254787A1
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Jean-Marie Chavée
Fernand Pons
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FONDERIES ET ACIERIES DU MANOIR
MANOIR FONDERIES ACIERIES
Manoir Industries SAS
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/001—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing N
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
    • C22C38/58—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with more than 1.5% by weight of manganese

Definitions

  • the present invention essentially relates to an austenitic and non-magnetic stainless alloy having excellent mechanical characteristics.
  • Austenitic and non-magnetic stainless steels are already known which include carbon, manganese, silicon, nickel, chromium, molybdenum, nitrogen, these elements being contained in the alloy in various proportions, the balance being consisting of iron and various elements in the form of traces.
  • the alloy could be modified by increasing the content of certain hardening elements such as molybdenum or nitrogen for example, but these elements did not allow, after hyper-quenching and appropriate heat treatment, to obtain a set of desirable physical characteristics. , and more particularly a modulus of elasticity which is satisfactory in certain applications for the production of parts requiring a high modulus of elasticity.
  • the object of the present invention is to remedy the above drawbacks by proposing a new alloy which has a set of high mechanical characteristics, and very particularly a high elastic modulus.
  • the subject of the invention is an austenitic and non-magnetic stainless alloy, in particular for the production of very thick parts obtained by gravity molding and / or centrifugation, containing in particular carbon, manganese, silicon, nickel , chromium, molybdenum, and nitrogen, characterized in that, in order to obtain high mechanical characteristics of this alloy and in particular a modulus of elasticity at ambient temperature greater than 190,000 megapascals (MPa), it has the following chemical composition (% by weight): Carbon .......... 0.025% - 0.15% Manganese .......... 6% - 12% Silicon .......... 0.2% - 2% Nickel .......... 5% 8% Chrome .......... 17% - 20% Molybdenum .......... 0.01% - 0.5% Nitrogen .......... 0.12% - 0.30%, the balance being made up of iron and elements in the form of traces.
  • the Applicant has found that, surprisingly, the value of the modulus of elasticity is strongly influenced by the increase in the manganese content in the alloy, in combination with the nitrogen which , taken separately, is not sufficient to achieve high elastic modulus values.
  • the manganese content is preferably between 8 and 12% by weight, while the nitrogen content is preferably between 0.20 and 0.30% by weight.
  • the alloy according to this invention is further characterized in that it exhibits at ambient temperature a tensile strength greater than or equal to 550 MPa, an elastic limit at 0.2% greater than or equal to 260 MPa, an elongation (5d ) greater than or equal to 35%, a resilience (ISO-V) greater than or equal to 80 joules, a modulus of elasticity at 150 MPa greater than or equal to 190,000 MPa, and a relative magnetic permeability less than or equal to 1.05.
  • this alloy at a temperature equal to 343 ° C., has an elastic limit of 0.2% which is greater than or equal to 120 MPa.
  • the applicant has produced a number of alloys A to H comprising in particular carbon, manganese, silicon, nickel, chromium, molybdenum and nitrogen, according to the proportions expressed as a percentage by weight and given in the table I which follows.
  • Alloys A to H were in the form of gravity-molded plates with a thickness of approximately 350 mm, and from which samples were taken from the core (A to H), the mechanical and physical characteristics of which are recorded in the table II which follows.
  • alloy A having a higher nitrogen content than that of alloy B, alloy A has higher mechanical properties as well as a modulus of elasticity. than those of alloy B.
  • alloys A and C in Table I we see that they have a different manganese content, alloy C comprising about 2% more manganese than alloy A.
  • an austenitic and non-magnetic stainless steel alloy in accordance with the invention has limit values elastic at 343 ° C. which are greater than 120 MPa, these values having never been obtained until now with alloys of austenitic stainless and non-magnetic cast steels.
  • Table III illustrates elastic limit values at 343 ° C for the alloys B, C, D, and E mentioned above.
  • alloys according to this invention and more particularly the alloy G of Table I has excellent resistance to corrosion.
  • An austenitic and non-magnetic stainless alloy has therefore been produced according to the invention which has excellent physical and mechanical characteristics, and in particular a high elastic modulus, which can be molded by gravity and by centrifugation to produce pieces of very thick which we find exactly all the physical and mechanical characteristics of the alloy throughout the mass of these molded parts, which is machinable and easily weldable, and which allows the production of any parts which can for example reach 5 or 6 tonnes and include wall thicknesses greater than 400 mm, as is the case, for example, of the superstructure elements of particle accelerators.

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Abstract

La présente invention concerne un alliage inoxydable austénitique et amagnétique. Cet alliage contient essentiellement les éléments suivants dont la teneur est exprimée en pourcentage en poids : carbone : 0,025 à 0,15% ; manganèse : 6 à 12% ; silicium : 0,2 à 2% ; nickel : 5 à 8% ; chrome 17 à 20% , molybdène : 0,01 à 0,5% ; et azote : 0,12 à 0,3%; le solde étant constitué par du fer et divers éléments sous forme de traces. L'alliage selon l'invention s'applique à la réalisation par moulage par gravité et par centrifugation de pièces de fortes épaisseurs présentant dans toute la masse de la pièce, des caractéristiques physiques et mécaniques élevées, et notamment un module d'élasticité élevé.

Description

  • La présente invention a essentiellement pour objet un alliage inoxydable austénitique et amagnétique présentant d'excellentes caractéristiques mécaniques.
  • On connait déjà des aciers inoxydables austénitiques at amagnétiques qui comprennent notamment du carbone, du manganèse, du silicium, du nickel, du chrome, du molybdène, de l'azote, ces éléments étant contenus dans l'alliage suivant diverses proportions, le solde étant constitué par du fer et divers éléments sous forme de traces.
  • Mais ces alliages présentaient généralement des caractéristiques mécaniques assez faibles.
  • Pour remédier à cela, on pouvait modifier l'alliage en augmentant la teneur de certains éléments durcissants tels que molybdène ou azote par exemple, mais ces éléments ne permettaient pas, après hypertrempe et traitement thermique approprié, d'obtenir un ensemble de caractéristiques physiques désirables, et tout particulièrement un module d'élasticité qui soit satisfaisant dans certaines applications pour la réalisation de pièces nécessitant un module d'élasticité élevé.
  • La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients ci-dessus en proposant un nouvel alliage qui présente un ensemble de caractéristiques mécaniques élevées, et tout particulièrement un module d'élasticité élevé.
  • A cet effet, l'invention a pour objet un alliage inoxydable austénitique et amagnétique, en particulier pour la réalisation de pièces de fortes épaisseurs obtenues par moulage par gravité et/ou centrifugation, contenant notamment du carbone, du manganèse, du silicium, du nickel, du chrome, du molybdène, et de l'azote, caractérisé en ce que, en vue d'obtenir des caractéristiques mécaniques élevées de cet alliage et notamment un module d'élasticité à température ambiante supérieure à 190 000 Mégapascals (MPa), il possède la composition chimique suivante (% en poids):
    Carbone .......... 0,025% - 0,15%
    Manganèse .......... 6% - 12%
    Silicium .......... 0,2% - 2%
    Nickel .......... 5% - 8%
    Chrome .......... 17% - 20%
    Molybdène .......... 0,01% - 0,5%
    Azote ..........0,12% - 0,30%,
    le solde étant constitué par du fer et des éléments sous forme de traces.
  • Comme on le décrira en détail plus loin, la demanderesse a constaté que, de façon surprenante, la valeur du module d'élasticité était fortement influencée par l'augmentation de la teneur en manganèse dans l'alliage, en combinaison avec l'azote qui, pris séparément, n'est pas suffisant pour parvenir à des valeurs de module d'élasticité élevées.
  • Suivant une autre caractéristique de l'alliage selon cette invention, la teneur en manganèse est de préférence comprise entre 8 et 12% en poids, tandis que la teneur en azote est de préférence comprise entre 0,20 et 0,30% en poids.
  • L'alliage suivant cette invention est encore caractérisé en ce qu'il présente à la température ambiante une résistance à la traction supérieure ou égale à 550 MPa, une limite élastique à 0,2% supérieure ou égale à 260 MPa, un allongement (5d) supérieur ou égal à 35%, une résilience (ISO-V) supérieure ou égale à 80 joules, un module d'élasticité à 150 MPa supérieur ou égal à 190000 MPa, et une perméabilité magnétique relative inférieure ou égale à 1,05.
  • On précisera encore ici que cet alliage, à une tempé­rature égale à 343°C, présente une limite élastique à 0,2% qui est supérieure ou égale à 120 MPa.
  • En outre, cet alliage présente une résistance satisfaisante à un essai de corrosion consistant à :
    -sensibiliser l'alliage à une température de 700°C pendant 30 minutes,
    -refroidir ensuite l'alliage dans le four jusqu'à 500°C,
    - le sortir du four pour le laisser se refroidir à l'air,
    - le soumettre pendant 72 heures dans une solution aqueuse à ébullition constituée de 10% de CuS₀₄. 5H₂O et de 10% de H₂SO₄ (d = 1,83), et
    - plier l'éprouvette à 90° sur un mandrin de diamètre égal à deux fois l'épaisseur de l'éprouvette.
  • La demanderesse a réalisé un certain nombre d'alliages A à H comportant notamment du carbone, du manganèse, du silicium, du nickel, du chrome, du molybdène et de l'azote, selon les proportions exprimées en pourcen­tage en poids et données dans le tableau I qui suit.
    Figure imgb0001
  • Les alliages A à H se présentaient sous la forme de plaques moulées par gravité et présentant une épaisseur d'environ 350 mm, et dans lesquelles on a prélevé à coeur des éprouvettes (A à H) dont les caractéristiques mécaniques et physiques sont consignées dans le tableau II qui suit.
    Figure imgb0002
  • Les deux tableaux I et II appellent les commentaires suivants.
    • a) influence de l'azote:
  • On voit sur le tableau I que ce qui différencie esssentiellement les alliages A et B, est la teneur en azote.
  • Si l'on se reporte maintenant au tableau II, on voit que l'alliage A ayant une teneur en azote supérieure à celle de l'alliage B, l'alliage A possède des caractéristiques mécaniques ainsi qu'un module d'élasticité plus élevés que ceux de l'alliage B.
    • b) influence du manganèse:
  • Si l'on compare les alliages A et C du tableau I, on constate qu'ils comportent une teneur en manganèse différente, l'alliage C comportant environ 2% de plus de manganèse que l'alliage A.
  • Si maintenant l'on se reporte au tableau II, on voit que les caractéristiques mécaniques de l'alliage C sont supérieures à celles de l'alliage A. Mais il est surtout important de remarquer que, d'une façon surprenante, le modèle d'élasticité de l'alliage C est nettement supérieur à celui de l'alliage A, et cela alors que la teneur en azote de l'alliage A et de l'alliage C est sensiblement la même comme on le voit en revenant au tableau I.
  • Il apparaît donc que l'augmentation de la teneur en manganèse (alliages A et C) procure d'une façon surprenante, un accroissement important du module d'élasticité qui atteint des valeurs supérieures à 190 000 Mégapascals, ce qui n'a jamais été obtenu dans les alliages moulés inoxydables austénitiques et amagnétiques de l'art antérieur, lesquels alliages sont précisément ceux qui sont concernés par la présente invention.
  • Il est donc tout à fait surprenant qu'en augmentant spécifiquement le manganèse et pour une même teneur en azote, on obtient un accroissement très notable du module d'élasticité de l'alliage, car la substitution d'une partie du fer et du nickel par le manganèse ne modifie en rien le réseau cristallin de la phase austénitique. Par conséquent, il n'était nullement évident de prévoir l'influence du manganèse sur le module d'élasticité. En effet, l'idée initiale d'augmenter la teneur en manganèse dans l'alliage avait pour but d'augmenter la solubilité de l'azote dans l'alliage afin de durcir cet alliage, mais on ne s'attendait absolument pas à ce que l'accroissement de la teneur en manganèse, pour une même teneur en azote, comme expliqué précédemment, procure un accroissement surprenant de la valeur du module d'élasticité.
  • Autrement dit, l'ajout de manganèse initialement destiné à assurer la solubilité de l'azote jusqu'à 0,3% dans l'alliage, en particulier pour éviter les défauts gazeux dans les pièces moulées de fortes épaisseurs, améliore considérablement la valeur du module d'élasticité. Cette amélioration est particulièrement marquée lorsque la teneur en manganèse de l'alliage contenant environ 0,2% d'azote est égale ou supérieure à environ 8%.
  • Par ailleurs, on ajoutera encore ici qu'un alliage d'acier inoxydable austénitique et amagnétique conforme à l'invention présente des valeurs de limite élastique à 343°C qui sont supérieures à 120 MPa, ces valeurs n'ayant jusqu'à présent jamais été obtenues avec des alliages d'aciers moulés austénitiques inoxydables et amagnétiques.
  • Le tableau III suivant illustre des valeurs de limite élastique à 343°C pour les alliages B, C, D, et E ci-dessus mentionnés.
    Figure imgb0003
  • Enfin, on remarquera que les alliages selon cette invention, et tout particulièrement l'alliage G du tableau I présente une excellente résistance à la corrosion.
  • Les essais de corrosion ont été effectués en suivant la procédure décrite précédemment.
  • On a donc réalisé suivant l'invention un alliage inoxydable austénitique et amagnétique qui présente d'excellentes caractéristiques physiques et mécaniques, et notamment un module d'élasticité élevé, qui peut être moulé par gravité et par centrifugation pour réaliser des pièces de fortes épaisseurs dans lesquelles on retrouve exactement toutes les caractéristiques physiques et mécaniques de l'alliage dans toute la masse de ces pièces moulées, qui est usinable et facilement soudable, et qui permet la réalisation de pièces quelconques qui peuvent par exemple atteindre 5 ou 6 tonnes et comporter des épaisseurs de paroi supérieures à 400 mm, comme cela est par exemple le cas des éléments de superstructure des accélérateurs de particules.
  • Bien entendu, l'invention comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci sont effectuées suivant son esprit.

Claims (5)

1. Alliage inoxydable austénitique et amagnétique, en particulier pour la réalisation de pièces de fortes épaisseurs obtenues par moulage par gravité et/ou centrifugation, contenant notamment du carbone, du manganèse, du silicium, du nickel, du chrome, du molybdène et de l'azote, caractérisé en ce que, en vue d'obtenir des caractéristiques mécaniques élevées de l'alliage et notamment un module d'élasticité à température ambiante supérieur à 190 000 Mégapascals, il possède la composition chimique suivante (% en poids) :
Carbone .......... 0,025% - 0,15%
Manganèse .......... 6% - 12%
Silicium .......... 0,2% - 2%
Nickel .......... 5% - 8%
Chrome .......... 17% - 20%
Molybdène .......... 0,01% - 0,5%
Azote .......... 0,12% - 0,3%,
le solde étant constitué par du fer et des éléments sous forme de traces.
2. Alliage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une teneur en manganèse de préférence comprise entre 8 et 12%, et une teneur en azote de préférence comprise entre 0,2 et 0,3%.
3. Alliage selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il présente à température ambiante, une résistance à la traction égale ou supérieure à 550 Mégapascals, une limite élastique à 0,2% égale ou supérieure à 260 Mégapascals, un allongement (5d) égal ou supérieur à 35%, une résilience supérieure ou égale à 80 joules, un module d'élasticité supérieur ou égal à 190 000 Mégapascals et une perméabilité magnétique relative inférieure ou égale à 1,05.
4. Alliage selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'à une température égale à 343°C, il présente une limite élastique à 0,2% supérieure ou égale à 120 Mégapascals.
5. Alliage selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il présente une résistance ou un comportement satisfaisant à l'essai de corrosion consistant à sensibiliser l'alliage à une température de 700°C pendant 30 minutes, refroidir ensuite l'alliage au four jusqu'à 500°C, sortir l'alliage du four pour le laisser se refroidir à l'air jusqu'à la température ambiante, soumettre l'alliage pendant 72 heures à une solution aqueuse à ébullition de 10% de CuSO₄. 5H₂O et de 10% de H₂SO₄, et à plier à 90° l'éprouvette sur un mandrin de diamètre égal à deux fois l'épaisseur de ladite éprouvette.
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