METALLURGIE DES ACIERS INOXYDABLES

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1 METALLURGIE DES ACIERS INOXYDABLES

2 1. Introduction Source principale de matière première récupération de métal mis au rebut Les industries de ce domaine dépendent du recyclage : l acier est fondu par un procédé électrique puis raffiné Plus de 90% de la production d acier inoxydable provient du recyclage de rebuts

3 1. Introduction Acier inoxydable = alliage résistant à la corrosion Durée de vie longue Un ratio qualité / prix intéressant Aucun risque pour la santé détectée Ni et Cr sous constante évaluation

4 Inoxydable mais pas inaltérable Coupe métallographique de piqûres Dégradations chimiques Piqûres de corrosion sur un couteau en acier inoxydable (12%Cr)

5 2. Historique Chrome : découvert en 1797 ( Vauquelin) et isolé en 1854 (Bunsen) Période d insuccès liée : alliages trop riches en C et trop pauvres en Cr résistance à la corrosion trop faible et manque de déformabilité critères d évaluation erronés : résistance à l acide sulfurique

6 2. Historique Véritable découverte des aciers inox ( Guillet, Portevin et Giesen) Initiateur des compositions et des traitements d acier inox à propriétés spéciales Chevenard

7 P. Chevenard

8 3. Qu est ce qu un acier inoxydable? Les aciers inoxydables sont des aciers alliés avec un chrome supérieur ou égal à 10,5% et un carbone inférieur ou égal à 1,2% (Norme européenne EN ) Ils peuvent comporter d autres éléments d alliage, principalement : Nickel, Manganèse, Silicium, Molybdène, Titane, Niobium, Azote, Soufre

9 3.1. Évolution de la structure Les aciers sont des alliages à base de Fer Structure ferritique : CC Structure austénitique : CFC

10 Evolution de la structure du Fer avec la température

11 3.2. Effet du chrome Indispensable pour donner aux aciers inoxydables une certaine résistance à l oxydation Le nickel requis en milieu réducteur et améliore la mise en oeuvre Teneur en chrome critique : 11 à 12 % Existence en surface d une couche moléculaire protectrice de Cr2O3 (50 A)

12 Effet du chrome Amélioration de la tenue à la corrosion Valeur critique Influence de la teneur en chrome sur la résistance à l oxydation

13 Effet du chrome ATTENTION Si cette couche passive est rompue soit mécaniquement soit chimiquement, l acier perd de ses propriétés d inoxydabilité

14 Exemple de corrosion de tube inox

15 On ne dépassera pas la teneur de 20% en chrome ( réduction de la ductilité)

16 3.3. Influence des éléments d alliage Le chrome CFC élargie la phase alpha : c est un élément alpha gène % Cr < 13% possibilité d être totalement ou partiellement austénisé %Cr > 13% alliage ferritique ( possibilité d une phase sigma) Diagramme Fer-Chrome

17 Influence des éléments d alliage %Cr > 13% alliage ferritique à toute température Ne peuvent pas subir de trempe martensitique phase sigma : phase intermédiaire dure et fragile Diagramme Fer-Chrome

18 Influence des éléments d alliage Vue détaillée de la boucle gamma Pour % Cr < 10,5% on passe de α à γ au chauffage et au refroidissement Pour % 10,5 % < Cr < 11,5% on a coexistence α et γ Pour % Cr > 11,5 % on reste γ

19 Le nickel est gamma gène Le nickel augmente la capacité de trempe en abaissant la vitesse critique de refroidissement

20 Rôle des différents éléments d addition

21 Rôle des différents éléments d addition Résistance Mécanique Mpa Influence de la teneur en éléments d addition sur la résistance mécanique l ajout d azote peut améliorer de façon notable la résistance mécanique des aciers inox

22 Diagrammes qui donnent en fonction d un nickel et chrome équivalent la structure de l acier Cr eq = %Cr+ 3%Si+%Mo Nieq = %Ni+0,5%Mn+21%C+11,5%N Exemple : diagramme empirique de Pryce et Andrews à 1150 C (température de laminage)

23 4. Les différentes familles d aciers inoxydables 5 grandes classes Aciers ferritiques Aciers austénitiques Aciers Martensitiques Aciers austéno-férritiques Aciers inoxydables à durcissement structural

24 Aciers ferritiques de structure identique à celle du fer cubique centré : conserve cette structure à toute température) Attention aux risques de fragilisation due à l utilisation de ces nuances dans certains domaines de température)

25 Composition des aciers ferritiques Chrome 11 à 29% Carbone < 0,1 % Molybdène 0 à 2 % Additions Ti, V

26 Traitement thermique des aciers ferritiques Le traitement thermique des aciers inoxydables ferritiques non stabilisés s'effectue toujours entre 750 et 850 C. Ceci permet la coalescence des carbures et la réhomogénéisation de la teneur en chrome au voisinage des joints de grains évitant ainsi les risques de corrosion intergranulaire. Pour les nuances stabilisées insensibles à la corrosion intergranulaire, un traitement à plus haute température entre 850 et 900 C est généralement effectué.

27 Aciers Martensitiques Dureté et résistance mécanique élevée liées à la teneur en carbone Structure à l état trempé fine et aciculaire Parsemée de fins carbures

28 Aciers Martensitiques Principaux composés des aciers martensitiques : le chrome et le carbone l ajout de carbone augmentera les caractéristiques mécaniques et de dureté l ajout de chrome améliorera les propriétés de résistance à la corrosion Influence de la teneur en carbone sur la dureté

29 Composition des aciers martensitiques Chrome 12 à 17% Carbone 0,1 à 1,2 % Additions Ni, azote

30 Traitement thermique des aciers martensitiques Ces aciers sont laminés à chaud à l'état austénitique à haute température. Le refroidissement qui suit au cours du bobinage provoque transformation partielle en martensite dure et fragile, car très chargée en carbone. Un recuit de base permet alors d'obtenir une structure ferritique homogène, douce et ductile, apte au laminage à froid. Un recuit à une température inférieur à 800 C est effectué après laminage à froid pour donner l'état habituel de livraison correspondant à une structure ferritique parsemée de nombreux carbures. L'état d'utilisation est ensuite obtenu par trempe et revenu, conférant au métal sa structure martensitique définitive pratiquement exempte de carbure de chrome.

31 Aciers austénitiques Relative facilité de mise en œuvre Bonne aptitude à la déformation et grande résistance à la corrosion Grande stabilité structurale =>utilisation dans un large domaine de température

32 Composition des aciers austénitiques Chrome 16 à 25% Carbone < 0,15 % Nickel 7 à 25% Additions Assure la structure austénitique Mo, Cu

33 Traitement thermique des aciers austénitiques Au cours de leur fabrication, après laminage à chaud ou à froid, ils subissent un traitement thermique d hypertrempe. Il s'agit d'un maintien à haute température dans le domaine d'équilibre austénitique, suivi d'un refroidissement assez rapide pour conserver cette structure à la température ambiante et éviter la précipitation de carbure de chrome et donc de tout risque de corrosion intergranulaire.

34 Aciers austéno-férritiques Structure biphasée ( 30 à 60% ferrite) Contiennent du Mo pour pallier aux problèmes de corrosion La température d utilisation est inférieure à C : risque de fragilisation en service La température d utilisation ne peut être supérieure à 280 C- 320 C en raison des risques de fragilisation en service

35 Aciers austéno-férritiques Hypertrempe À température ambiante : ferrite + austénite Diagramme pseudobinaire d un alliage fernickel-chrome à 70% de Fe

36 Composition des aciers austéno-ferritiques Chrome 20 à 27% Carbone < 0,03 % Nickel 5 à 7 % Additions Mo, N

37 Traitement thermique des aciers austéno ferritiques Dans le cas des nuances austéno-ferritiques, la présence de carbone supplémentaire modifie l'équilibre austénite-ferrite au bénéfice de l'austénite, pouvant même conduire à des zones superficielles entièrement austénitiques. Le choix du type d'atmosphère de traitement thermique et certaines précautions permettent d'éviter ce phénomène de recarburation superficielle. Deux types de recuits sont utilisés industriellement : Le recuit en atmosphère oxydante Le recuit brillant.

38 Aciers inoxydables à durcissement structural 2 propriétés fondamentales : de hautes résistances mécaniques obtenus par des traitements simples la résistance à la corrosion 3 classes : Aciers martensitiques à transformation direct aciers martensitiques à durcissement indirect aciers inoxydables austénitiques

39 5. Choix d un aciers inoxydable

40 5. Choix d un aciers inoxydable et applications Comparaison des différentes caractéristiques

41 Applications Les grands domaines d utilisation Équipements pour l industrie et l alimentaire Électroménager, ménager, coutellerie Industrie automobile ( système d échappement, décoration, organes de sécurité : gonfleur pour air bag) transports terrestres et maritimes (wagons et voitures ferroviaires, citernes, conteneurs frigorifiques) Tubes (échangeurs, réchauffeurs, évaporateurs, transport de fluides corrosifs) Bâtiment

42 Équipement pour l industrie Acier austénoferritique Phénomènes de corrosion sous contraintes Arbre de mélangeuse pour H3PO4

43 Applications : électroménager, ménager et coutellerie Petite cuillère Pièce emboutie nuance austénitique Autocuiseur Pièce emboutie nuance austénitique

44 Applications : électroménager, ménager et coutellerie Tambour de lave linge Assemblages réalisés par soudage Nuance ferritique

45 Applications : électroménager, ménager et coutellerie Élément déterminant : la qualité de la coupe Nuance martensitique contenant au moins 0,2 % de C Après trempe, structure martensitique dont la dureté est suffisante pour obtenir une bonne coupe

46 Applications : bâtiments En extérieur et intérieur Couvertures, murs, entrées, mobilier urbain, décoration, cages d ascenseur, conduits de fumée Notre dame de la Treille Cathédrale de Lille Inox à durcissement structural

47 La pyramide doit son élégance à un assemblage verre acier inoxydable

48 Applications : décoration Grande variété d aspects de surface : brillant, mat, poli, gravé Etat poli miroir, brossé et bouchonné