Un matériau spécial en acier inoxydable - Acier inoxydable duplex

L'acier inoxydable duplex combine les caractéristiques de l'acier inoxydable austénitique et de l'acier inoxydable ferritique. Comparé à l'acier inoxydable ferritique, il a une plasticité et une ténacité plus élevées, pas de fragilité à température ambiante, une résistance à la corrosion intergranulaire et une performance de soudage considérablement améliorées. En même temps, il maintient la fragilité à 475 et la haute conductivité thermique de l'acier inoxydable ferritique, et possède des caractéristiques telles que la superplasticité. Comparé à l'acier inoxydable austénitique, il a une résistance plus élevée et une résistance significativement améliorée à la corrosion intergranulaire et à la corrosion sous contrainte chlorée. L'acier inoxydable à double phase a une excellente résistance à la corrosion par piqûres et est également un acier inoxydable économisant le nickel.

1. Développement historique

Depuis sa naissance aux États-Unis dans les années 1940, l'acier inoxydable duplex a évolué jusqu'à sa troisième génération. Sa principale caractéristique est que sa limite d'élasticité peut atteindre 400-550 MPa, soit deux fois celle de l'acier inoxydable ordinaire, ce qui permet d'économiser des matériaux et de réduire les coûts de fabrication des équipements. En termes de résistance à la corrosion, notamment dans des environnements de milieux sévères tels que l'eau de mer à haute teneur en ions chlorure, la résistance à la corrosion par piqûres, à la corrosion par crevasses, à la corrosion sous contrainte et à la fatigue par corrosion de l'acier inoxydable duplex est nettement meilleure que celle de l'acier inoxydable austénitique ordinaire, et peut être comparable à celle de l'acier inoxydable austénitique à haute teneur en alliage.

2. Caractéristiques de performance

En raison des caractéristiques de la structure biphasée, en contrôlant correctement la composition chimique et le processus de traitement thermique, l'acier inoxydable duplex combine les avantages de l'acier inoxydable ferritique et de l'acier inoxydable austénitique. Il combine l'excellente ténacité et la soudabilité de l'acier inoxydable austénitique avec la haute résistance et la résistance à la corrosion sous contrainte chlorée de l'acier inoxydable ferritique. Ce sont ces propriétés supérieures qui ont conduit au développement rapide de l'acier inoxydable duplex en tant que matériau structurel soudable. Depuis les années 1980, il est devenu une classe d'acier au même titre que les aciers inoxydables martensitiques, austénitiques et ferritiques. L'acier inoxydable à double phase présente les caractéristiques de performance suivantes :

(1) L'acier inoxydable duplex contenant du molybdène présente une excellente résistance à la corrosion sous contrainte chlorée sous faible contrainte. En général, l'acier inoxydable austénitique 18-8 est sujet à la fissuration par corrosion sous contrainte dans des solutions chlorées neutres au-dessus de 60 °C. Les échangeurs de chaleur, évaporateurs et autres équipements fabriqués avec ce type d'acier inoxydable dans des milieux industriels contenant des traces de chlorure et de sulfure d'hydrogène ont tendance à subir des fissurations par corrosion sous contrainte, tandis que l'acier inoxydable duplex a une bonne résistance.

(2) L'acier inoxydable duplex contenant du molybdène a une bonne résistance à la corrosion par piqûres. Lorsqu'il a la même valeur équivalente de résistance à la corrosion par piqûres (PRE=Cr%+3,3Mo%+16N%), le potentiel critique de piqûres de l'acier inoxydable duplex est similaire à celui de l'acier inoxydable austénitique. La résistance à la corrosion par piqûres de l'acier inoxydable duplex et de l'acier inoxydable austénitique est équivalente à celle de l'AISI 316L. La résistance à la corrosion par piqûres et par crevasses de l'acier inoxydable duplex à haute teneur en chrome contenant 25 % de Cr, en particulier l'azote, dépasse celle de l'AISI 316L.

(3) Bonne résistance à la fatigue par corrosion et à la corrosion par usure. Convient à la fabrication d'équipements électriques tels que des pompes et des vannes dans certaines conditions de milieux corrosifs.

(4) Bonne performance mécanique globale. Il a une haute résistance et une résistance à la fatigue, avec une limite d'élasticité deux fois supérieure à celle de l'acier inoxydable austénitique 18-8. Le taux d'allongement de l'état de solution solide atteint 25 %, et la valeur de ténacité AK (rainure en V) est supérieure à 100 J.

3. Structure et type

L'acier inoxydable à double phase présente les caractéristiques de l'acier inoxydable austénitique et de l'acier inoxydable ferritique en raison de sa structure biphasée d'austénite et de ferrite, et la teneur des deux phases est essentiellement la même. La limite d'élasticité peut atteindre 400 MPa~550 MPa, soit deux fois celle de l'acier inoxydable austénitique ordinaire. Comparé à l'acier inoxydable ferritique, l'acier inoxydable duplex a une ténacité plus élevée, une température de transition fragile plus basse, une résistance à la corrosion intergranulaire et une performance de soudage considérablement améliorées ; en même temps, il conserve certaines caractéristiques de l'acier inoxydable ferritique, telles que la fragilité à 475, la haute conductivité thermique, le faible coefficient de dilatation linéaire, la superplasticité et le magnétisme. Comparé à l'acier inoxydable austénitique, l'acier inoxydable duplex a une résistance plus élevée, notamment une limite d'élasticité significativement améliorée, et des améliorations significatives des propriétés telles que la résistance à la corrosion par piqûres, la résistance à la corrosion sous contrainte et la résistance à la fatigue par corrosion.

L'acier inoxydable à double phase peut être classé en quatre types en fonction de sa composition chimique : type Cr18, type Cr23 (excluant Mo), type Cr22 et type Cr25. Pour l'acier inoxydable duplex Cr25, il peut être divisé en type ordinaire et en acier inoxydable super duplex, parmi lesquels le type Cr22 et le type Cr25 sont plus couramment utilisés. L'acier inoxydable duplex utilisé en Chine est principalement produit en Suède, avec des grades spécifiques incluant 3RE60 (type Cr18), SAF2304 (type Cr23), SAF2205 (type Cr22) et SAF2507 (type Cr25).

4. Classification

Le premier type appartient au type faiblement allié, représenté par le grade UNS S32304 (23Cr-4Ni-0.1N), qui ne contient pas de molybdène dans l'acier et a une valeur PREN de 24-25. Il peut remplacer l'AISI304 ou 316 en termes de résistance à la corrosion sous contrainte.

Le deuxième type appartient au type moyennement allié, représenté par le grade UNS S31803 (22Cr-5Ni-3Mo-0.15N), avec une valeur PREN de 32-33. Sa résistance à la corrosion se situe entre l'AISI 316L et l'acier inoxydable austénitique 6% Mo+N.

Le troisième type appartient au type fortement allié, contenant généralement 25% de Cr, ainsi que du molybdène et de l'azote, et certains contiennent également du cuivre et du tungstène. Le grade standard est UNSS32550 (25Cr-6Ni-3Mo-2Cu-0.2N), avec une valeur PREN de 38-39. La résistance à la corrosion de ce type d'acier est supérieure à celle de l'acier inoxydable duplex avec 22% de Cr.

Le quatrième type appartient au type d'acier inoxydable super duplex, contenant du molybdène et de l'azote élevés. Le grade standard est UNS S32750 (25Cr-7Ni-3.7Mo-0.3N), et certains contiennent également du tungstène et du cuivre. La valeur PREN est supérieure à 40, ce qui peut être utilisé dans des conditions de milieu sévères et a une bonne résistance à la corrosion et des performances mécaniques globales, comparables à l'acier inoxydable super austénitique.

5. Caractéristiques de soudage

L'acier inoxydable à double phase a de bonnes performances de soudage. Comparé à l'acier inoxydable ferritique et à l'acier inoxydable austénitique, il n'a pas la zone affectée par la chaleur de soudage de l'acier inoxydable ferritique, ce qui réduit considérablement la plasticité et la ténacité en raison d'un grossissement sévère des grains, et n'est pas sensible aux fissures à chaud de soudage comme l'acier inoxydable austénitique.

En raison de ses avantages uniques, l'acier inoxydable duplex est largement utilisé dans des domaines industriels tels que les équipements pétrochimiques, les équipements de traitement des eaux de mer et des eaux usées, les pipelines de pétrole et de gaz, les machines à papier, etc. Ces dernières années, il a également été étudié pour une utilisation dans les structures porteuses de ponts et présente de grandes perspectives de développement.

Les problèmes de performance de soudage qui surviennent souvent avec l'acier duplex "économique" ne posent pas de problème. Cependant, le soudage de l'acier duplex standard ne pose pas de problème, et quel que soit le procédé utilisé, il existe des matériaux de soudage adaptés à ces applications. D'un point de vue métallographique, le soudage du 2101 (1.4162) ne pose aucun problème. En fait, il est même plus facile à souder que l'acier duplex standard car ce matériau peut en réalité être soudé en utilisant le procédé de soudage à l'acétylène. Pour les matériaux en acier duplex standard, ce procédé doit toujours être évité. Le problème réel rencontré lors du soudage du 2101 est que la viscosité du bain de fusion est différente, donc la mouillabilité est légèrement pire. Cela oblige les opérateurs à utiliser davantage le soudage à l'arc pendant le processus de soudage, ce qui est précisément là où réside le problème. Bien que cela puisse être compensé en sélectionnant des superalliages, nous souhaitons souvent choisir des matériaux de soudage assortis.

6. Matériau et grade

De nombreux grades d'acier inoxydable duplex ont été ajoutés à la nouvelle norme GB/T 20878-2007 "Grades et composition chimique des aciers inoxydables et des aciers résistants à la chaleur" en Chine. Par exemple : 14Cr18Ni11Si4AlTi 022Cr19Ni5Mo3Si2N, 12Cr21Ni5Ti. Plus de grades peuvent être trouvés dans la norme.

De plus, le célèbre acier duplex 2205 est équivalent au 022Cr23Ni5Mo3N de la Chine.

Enfin, certaines pages Web et même des articles désignent à tort l'acier inoxydable duplex comme acier inoxydable duplex. Biphase se réfère à la présence de deux types de structures métallographiques, plutôt qu'à une "orientation" directionnelle.

Composition chimique

7. Exigences pour la sélection des matériaux de soudage

Le matériau de soudage utilisé pour l'acier inoxydable duplex est caractérisé par une structure duplex dominée par l'austénite dans le cordon de soudure, avec les principaux éléments résistants à la corrosion (chrome, molybdène, etc.) ayant une teneur équivalente à celle du matériau de base, garantissant ainsi une résistance à la corrosion comparable à celle du matériau de base. Pour assurer la teneur en austénite dans le cordon de soudure, il est généralement nécessaire d'augmenter la teneur en nickel et en azote, c'est-à-dire d'augmenter l'équivalent en nickel d'environ 2 % à 4 %. Dans les matériaux de base en acier inoxydable duplex, il y a généralement une certaine teneur en azote, et il est également souhaitable d'avoir une certaine teneur en azote dans les matériaux de soudage, mais elle ne doit pas être trop élevée, sinon des porosités apparaîtront. Cela fait de la haute teneur en nickel une différence majeure entre le matériau de soudage et le matériau de base.

Choisissez des électrodes de soudage qui correspondent à la composition chimique du métal de base en fonction des différentes exigences de résistance à la corrosion et de ténacité des joints. Par exemple, lors du soudage de l'acier inoxydable duplex Cr22, des électrodes de soudage Cr22Ni9Mo3 telles que les électrodes E2209 peuvent être utilisées. Lors de l'utilisation d'électrodes acides, l'élimination du laitier est excellente et le cordon de soudure est esthétiquement plaisant, mais la ténacité à l'impact est faible. Lorsque la ténacité à l'impact élevée est requise pour le métal de soudure et que le soudage en toutes positions est requis, des électrodes alcalines doivent être utilisées. Lors du soudage du fond de la racine, des électrodes alcalines sont généralement utilisées. Lorsqu'il y a des exigences spéciales pour la résistance à la corrosion du métal de soudure, des électrodes alcalines avec une composition en acier super duplex doivent également être utilisées.

Pour le fil de soudage solide sous gaz, tout en garantissant que le métal de soudure a une bonne résistance à la corrosion et de bonnes propriétés mécaniques, il faut également prêter attention à sa performance de processus de soudage. Pour le fil fourré, lorsque la formation de la soudure doit être esthétique, un fil fourré de type rutile ou titane-calcium peut être utilisé. Lorsque des exigences élevées de ténacité à l'impact ou de soudage sous conditions de haute contrainte sont requises, un fil fourré à haute alcalinité doit être utilisé.

Pour le soudage à l'arc submergé, il est conseillé d'utiliser des fils de soudage de plus petit diamètre pour réaliser des soudures multi-couches et multi-passes sous des spécifications de soudage petites et moyennes, afin de prévenir la fragilisation de la zone affectée par la chaleur de soudage et du métal de soudure, et d'utiliser des flux alcalins assortis.