Acier inoxydable résistant à la chaleur 347/347H : Guide essentiel

L'acier inoxydable 347 résistant à la chaleur (S34700) est une nuance d'acier inoxydable austénitique très stable, réputée pour sa résistance exceptionnelle à la corrosion intergranulaire. Cet alliage conserve son intégrité structurelle et sa résistance à la corrosion même dans des conditions sévères, en particulier dans la plage de température critique de 427-816°C (800-1500°F) où se produit généralement la précipitation du carbure de chrome.

La stabilité supérieure de l'acier inoxydable 347 est attribuée à sa composition soigneusement étudiée, en particulier à l'ajout de titane comme élément stabilisateur. Le titane se combine de préférence avec le carbone pour former des carbures de titane, empêchant ainsi la formation de carbures de chrome aux joints de grains. Ce mécanisme, connu sous le nom de stabilisation, préserve le chrome en solution solide, maintenant ainsi la résistance à la corrosion de l'alliage même après une exposition prolongée à des températures élevées.

Dans les applications à haute température, l'acier inoxydable 347 résistant à la chaleur présente des avantages significatifs en raison de ses excellentes propriétés mécaniques. Il présente une résistance au fluage, une résistance à la fatigue thermique et une stabilité dimensionnelle supérieures à celles des nuances non stabilisées. Ces caractéristiques le rendent particulièrement adapté aux composants des échangeurs de chaleur, aux pièces de fours et aux équipements de traitement chimique fonctionnant à des températures élevées.

Par rapport à l'acier inoxydable austénitique 304, largement utilisé, le 347 offre des améliorations notables en termes de ductilité et de résistance à la rupture sous contrainte à haute température. Ces performances accrues sont cruciales dans les applications impliquant des cycles thermiques ou lorsqu'une exposition à long terme à des températures élevées est prévue. La ductilité améliorée permet une meilleure formabilité et réduit le risque de fissuration pendant les cycles de dilatation et de contraction thermiques.

Bien que le 347 soit le choix préféré pour les applications à haute température nécessitant une résistance maximale à la corrosion, il convient de noter que le 304L (variante à faible teneur en carbone du 304) peut également être utilisé pour atténuer la sensibilisation et la corrosion intergranulaire dans certains environnements moins sévères. Cependant, le 304L y parvient en réduisant sa teneur en carbone plutôt qu'en le stabilisant, ce qui peut limiter sa résistance à haute température par rapport au 347.

I. Caractéristiques générales

L'alliage 321 (UNS S32100) est un acier inoxydable austénitique très stable, réputé pour sa résistance exceptionnelle à la corrosion intergranulaire, en particulier dans la plage de température critique de 427 à 816 °C (800 à 1500 °F) où se produit généralement la précipitation du carbure de chrome. Cette stabilité est obtenue grâce à l'ajout stratégique de titane, qui forme de préférence des carbures de titane, empêchant ainsi l'appauvrissement du chrome aux joints de grains.

En comparaison, l'acier inoxydable 347 résistant à la chaleur conserve sa stabilité grâce à l'ajout de columbium (niobium) et de tantale. Ces deux éléments sont de puissants formateurs de carbures et stabilisent efficacement l'alliage contre la sensibilisation.

Les aciers inoxydables résistants à la chaleur 321 et 347 sont des matériaux privilégiés pour un service à long terme dans des environnements à haute température dans la plage de 427 à 816°C. Leur composition unique les rend idéaux pour des applications nécessitant une exposition prolongée à des températures élevées. Leurs compositions uniques les rendent idéaux pour les applications nécessitant une exposition prolongée à des températures élevées. Pour les scénarios moins exigeants n'impliquant que le soudage ou un chauffage de courte durée, le 304L peut être une alternative appropriée en raison de sa faible teneur en carbone, qui réduit la susceptibilité à la sensibilisation.

La supériorité des alliages 321 et 347 dans les opérations à haute température va au-delà de la résistance à la corrosion et inclut des propriétés mécaniques améliorées. Ces alliages présentent une résistance au fluage et des propriétés de rupture sous contrainte nettement supérieures à celles des alliages 304 et 304L. Ces performances supérieures permettent aux alliages 321 et 347 de résister à des contraintes plus importantes à des températures élevées tout en respectant les réglementations rigoureuses relatives aux chaudières et aux appareils à pression établies par l'American Society of Mechanical Engineers (ASME).

Par conséquent, la température d'utilisation maximale autorisée pour les aciers inoxydables résistants à la chaleur 321 et 347 peut atteindre 816°C (1500°F), ce qui est nettement plus élevé que la limite de 426°C (800°F) pour les nuances 304 et 304L. Cette plage de température étendue élargit considérablement le champ d'application de ces alliages stabilisés dans les processus industriels à haute température.

Pour les applications nécessitant une résistance encore plus élevée à haute température, des versions à haute teneur en carbone des alliages 321 et 347 sont disponibles, désignées respectivement par UNS S32109 et S34709. Ces nuances offrent une meilleure résistance au fluage et une plus grande solidité à des températures élevées, mais avec une ductilité légèrement réduite par rapport à leurs équivalents standard.

II. Composition chimique

ASTM A240 et ASME SA-240 :

III. Résistance à la corrosion

1. Corrosion uniforme

Les alliages 321 et 347 possèdent une capacité de résistance à la corrosion générale similaire à celle de l'alliage instable nickel-chrome 304. Un chauffage prolongé dans la plage de température du degré de carbure de chrome peut affecter la résistance à la corrosion des alliages 321 et 347 dans des milieux corrosifs agressifs.

Dans la plupart des environnements, la résistance à la corrosion des deux alliages est assez comparable ; cependant, la résistance de l'alliage 321 recuit dans les environnements fortement oxydants est légèrement inférieure à celle de l'alliage 347 recuit.

Ainsi, l'alliage 347 est supérieur dans les environnements aquatiques et autres conditions de basse température. L'exposition à des températures comprises entre 800°F et 1500°F (427°C et 816°C) réduit considérablement la résistance globale à la corrosion de l'alliage 321 par rapport à l'alliage 347.

L'alliage 347 est principalement utilisé pour des applications à haute température, où une forte résistance à la sensibilisation est nécessaire pour prévenir la corrosion intergranulaire à des températures plus basses.

2. Corrosion intergranulaire

L'acier instable au nickel-chrome comme l'alliage 304 est sensible à la corrosion intergranulaire, tandis que les alliages 321 et 347 ont été développés pour résoudre ce problème.

Lorsqu'un acier instable au chrome-nickel est placé dans un environnement à des températures comprises entre 800°F et 1500°F (427°C et 816°C) ou lentement refroidi dans cette plage de températures, le carbure de chrome précipite aux joints de grains.

Lorsqu'ils sont exposés à des milieux corrosifs agressifs, ces joints de grains peuvent être les premiers à se corroder, ce qui risque d'affaiblir les performances du métal et de conduire à sa désintégration totale.

Dans les milieux organiques ou les solutions d'eau faiblement corrosives, le lait ou d'autres produits laitiers, ou les conditions atmosphériques, la corrosion intergranulaire est rarement observée, même en présence d'une précipitation importante de carbure.

Quand soudage Dans le cas des tôles plus minces, la courte exposition à des températures comprises entre 427°C et 816°C (800°F et 1500°F) réduit la probabilité de corrosion intergranulaire, ce qui fait que les nuances instables conviennent à cette tâche.

L'ampleur de la précipitation nocive du carbure dépend de la durée d'exposition à des températures comprises entre 800°F et 1500°F (427°C et 816°C) et du milieu corrosif.

Pour le soudage de tôles plus épaisses, malgré des temps de chauffe plus longs, la nuance L instable, avec une teneur en carbone de 0,03% ou moins, entraîne une précipitation de carbure insuffisante pour constituer une menace pour cette nuance.

La forte résistance à la sensibilisation et à la corrosion intergranulaire des aciers inoxydables 321 et 347 stabilisés est démontrée dans le tableau ci-dessous (Copper-Copper Sulfate-16% Sulfuric Acid Test (ASTM A262, Practice E)).

Avant le test, les échantillons recuits en aciérie sont soumis à un traitement thermique de sensibilisation à 1050°F (566°C) pendant 48 heures.

Après une période de 240 heures recuit Les échantillons d'alliage 347 n'ont montré aucun signe de corrosion intergranulaire, ce qui indique qu'ils ne se sont pas sensibilisés lorsqu'ils ont été exposés à de telles conditions thermiques. La faible vitesse de corrosion des échantillons d'alliage 321 suggère que, bien qu'ils aient subi une certaine corrosion intergranulaire, leur résistance à la corrosion était supérieure à celle de l'alliage 304L dans ces conditions.

Dans l'environnement de ce test, tous ces alliages se sont révélés nettement plus performants que l'acier inoxydable standard Alloy 304.

D'une manière générale, les alliages 321 et 347 sont utilisés pour la fabrication d'équipements de soudage à usage intensif qui ne peuvent pas subir de traitement de recuit, ainsi que d'équipements fonctionnant ou refroidissant lentement dans une plage de 427°C à 816°C (800°F à 1500°F).

L'expérience acquise dans diverses conditions de fonctionnement fournit de nombreuses données permettant de prédire la probabilité de corrosion intergranulaire dans la plupart des applications. Nous vous invitons également à prendre connaissance de certains de nos points de vue publiés dans la revue traitement thermique section.

3. Fissuration par corrosion sous contrainte

Alliages 321 et 347 austénitique Les aciers inoxydables sont sensibles à la corrosion fissurante sous contrainte dans les halogénures, comme l'acier inoxydable Alloy 304. Cela est dû à leur teneur en nickel similaire. Les conditions qui conduisent à la corrosion fissurante sous contrainte sont les suivantes :

(1) l'exposition à des ions halogénés (généralement des chlorures)

(2) la contrainte résiduelle de traction

(3) températures ambiantes supérieures à 120°F (49°C).

La déformation à froid lors des opérations de formage ou les cycles thermiques rencontrés lors des opérations de soudage peuvent générer des tensions. Un traitement de recuit ou un traitement thermique de détente après la déformation à froid peut réduire les niveaux de contrainte.

Les alliages stabilisés 321 et 347 conviennent aux opérations de détensionnement qui pourraient provoquer une corrosion intergranulaire dans les alliages instables.

Les alliages 321 et 347 sont particulièrement utiles dans les environnements qui provoquent une corrosion sous contrainte par l'acide polythionique dans les aciers inoxydables austénitiques instables, tels que l'alliage 304. Les aciers inoxydables austénitiques instables, lorsqu'ils sont exposés à des températures qui provoquent une sensibilisation, précipitent des carbures de chrome aux joints de grains.

Lors du refroidissement à température ambiante dans un environnement contenant du soufre, les sulfures (généralement le sulfure d'hydrogène) réagissent avec la vapeur et l'oxygène pour former des acides polythioniques qui corrodent les joints de grains sensibilisés.

La corrosion fissurante sous contrainte de l'acide polythionique se produit dans les environnements de raffinerie où les sulfures sont prédominants, dans des conditions de corrosion sous contrainte et intergranulaire.

Les alliages stabilisés 321 et 347 résolvent le problème de la fissuration par corrosion sous contrainte de l'acide polythionique grâce à leur résistance à la sensibilisation pendant les opérations de chauffage. Si les conditions de fonctionnement peuvent entraîner une sensibilisation, ces alliages doivent être utilisés dans des conditions de stabilisation thermique pour une résistance optimale à la sensibilisation.

4. Corrosion par piqûres ou par crevasses

La résistance à la corrosion par piqûre et crevasse des alliages stables 321 et 347 dans des environnements contenant des ions chlorure est approximativement la même que celle des alliages d'acier inoxydable 304 ou 304L en raison de leur teneur en chrome similaire.

En général, pour les alliages instables et stables, la teneur maximale en chlorure dans un environnement aquatique est de cent parties par million, en particulier en cas de corrosion caverneuse. Une teneur plus élevée en ions chlorure peut entraîner une corrosion par crevasses et par piqûres.

Dans des conditions difficiles avec une teneur en chlorure plus élevée, un pH plus faible et/ou des températures plus élevées, l'utilisation d'alliages contenant du molybdène, tels que l'alliage 316, doit être envisagée. Les alliages stables 321 et 347 ont passé le test de 100 heures au brouillard salin 5% (ASTM B117) sans rouille ni décoloration sur les échantillons testés.

Toutefois, si ces alliages sont exposés au brouillard salin, des piqûres, une corrosion par crevasses et une décoloration importante peuvent se produire. L'exposition des alliages 321 et 347 aux environnements marins n'est pas recommandée.

IV. Résistance à l'oxydation à haute température

La résistance à l'oxydation des aciers 321 et 347 peut être comparée à celle d'autres aciers inoxydables austénitiques 18-8. Les échantillons sont exposés à des atmosphères de laboratoire à haute température.

Le pesage régulier des échantillons retirés de l'environnement à haute température permet de prédire le degré de formation de tartre. Les résultats des tests sont représentés par des variations de poids (milligrammes/centimètre carré), en faisant la moyenne des valeurs minimales de deux échantillons testés différents.

La principale différence entre le 321 et le 347 réside dans les additifs subtils de l'alliage, mais cela n'affecte pas leurs propriétés antioxydantes.

Par conséquent, les résultats de ces tests sont représentatifs des deux qualités. Cependant, les taux d'oxydation sont influencés par des facteurs inhérents tels que l'environnement d'exposition et la forme du produit.

Par conséquent, ces résultats doivent simplement être considérés comme des valeurs typiques d'antioxydation pour ces qualités.

V. Propriétés physiques

Les propriétés physiques des alliages 321 et 347 sont très similaires, voire identiques. Les valeurs indiquées dans le tableau s'appliquent aux deux alliages.

Avec un traitement de recuit approprié, les aciers inoxydables Alloys 321 et 347 contiennent principalement austénite et des carbures de titane ou de niobium. Une petite quantité de ferrite peut ou non apparaître dans la microstructure. En cas d'exposition à des températures comprises entre 1000°F et 1500°F (593°C et 816°C) pendant une période prolongée, une petite quantité de phase sigma peut se former.

Le traitement thermique ne peut pas durcir les aciers inoxydables stabilisés Alloys 321 et 347.

Le coefficient global de transfert de chaleur du métal dépend non seulement de la conductivité thermique du métal mais aussi d'autres facteurs.

Dans la plupart des cas, il s'agit du coefficient de refroidissement du film, de la calamine et de l'état de surface du métal. L'acier inoxydable conserve une surface propre, ce qui rend son transfert de chaleur meilleur que celui des métaux ayant une conductivité thermique plus élevée.

Magnétisme

Les alliages stabilisés 321 et 347 sont généralement non magnétiques. À l'état recuit, leur perméabilité magnétique est inférieure à 1,02. La perméabilité magnétique varie en fonction de la composition et augmente avec l'écrouissage. La perméabilité magnétique des soudures contenant de la ferrite est légèrement plus élevée.

VI. Propriétés mécaniques

1. Ductilité à température ambiante

Les propriétés mécaniques minimales des alliages stables 321 et 347 au niveau chrome-nickel à l'état recuit (2000°F [1093°C], refroidi à l'air) sont indiquées dans le tableau ci-dessous.

2. Ductilité à haute température

Les propriétés mécaniques typiques des alliages 321 et 347 à haute température sont indiquées dans le tableau ci-dessous. Dans des environnements de 538°C et plus, la résistance de ces alliages stables est significativement plus élevée que celle de l'alliage instable 304.

Les alliages à haute teneur en carbone 321H et 347H (UNS32109 et S34700) ont une plus grande résistance dans des environnements supérieurs à 1000°F (537°C). Les données ASME sur les contraintes maximales admissibles de l'alliage 347H montrent que la résistance de cette nuance est supérieure à celle de l'alliage 347 à faible teneur en carbone.

L'alliage 321H n'est pas autorisé pour les applications de la section VIII, et pour les applications de la section III, il est limité à des températures de 800°F (427°C) ou moins.

3. Propriétés de fluage et de rupture sous contrainte

Les données typiques de fluage et de rupture de contrainte des alliages d'acier inoxydable 321 et 347 sont indiquées dans le tableau ci-dessous. La résistance au fluage et à la rupture sous contrainte des alliages stables à haute température est supérieure à celle des alliages instables 304 et 304L.

Les performances supérieures des alliages 321 et 347 les rendent appropriés pour les pièces sous pression fonctionnant à des températures élevées, telles que les chaudières et les réservoirs sous pression que l'on rencontre couramment.

4. Résistance aux chocs

Les alliages 321 et 347 présentent tous deux une excellente résistance aux chocs, que ce soit dans des conditions intérieures ou dans des environnements en dessous du point de congélation.

L'essai de résilience Charpy V de l'alliage 347 après recuit, qui a été laissé à une température d'essai spécifiée pendant une heure, est illustré dans le graphique suivant. La situation de l'alliage 321 est similaire à celle de l'alliage 347.

5. Résistance à la fatigue

En effet, la résistance à la fatigue de chaque métal est influencée par des facteurs tels que l'environnement de corrosion, la finition de la surface, la forme du produit et la contrainte moyenne.

Pour cette raison, il est impossible de représenter par un chiffre précis la valeur de la résistance à la fatigue dans toutes les conditions de fonctionnement. La limite de fatigue des alliages 321 et 347 est d'environ 35% de leur résistance à la traction.

VII. Traitement des données

Soudage

L'acier inoxydable austénitique est considéré comme le plus facile à utiliser. acier allié à souder et peut être soudé avec toutes les substances de fusion, ainsi que par soudage par résistance.

Lors du soudage de l'acier inoxydable austénitique, deux facteurs doivent être pris en compte : 1) le maintien de sa résistance à la corrosion et 2) la prévention de la fissuration.

Pendant le soudage, il est essentiel de préserver les éléments stabilisateurs des alliages 321 et 347. Le titane de l'alliage 321 est plus susceptible de s'épuiser, tandis que le niobium de l'alliage 347 se perd souvent facilement. Il est nécessaire d'éviter les éléments carbonés provenant du pétrole et d'autres sources de contamination, ainsi que les éléments azotés provenant de l'air.

Par conséquent, qu'il s'agisse de souder des alliages stables ou instables, la propreté et la protection contre les gaz inertes doivent être maintenues.

Quand soudage des métaux Avec une structure austénitique, il est facile de provoquer des fissures pendant l'opération. Pour cette raison, les alliages 321 et 347 nécessitent l'ajout d'une petite quantité de sel ferrique pendant la resolidification afin de minimiser la sensibilité aux fissures. Les aciers inoxydables contenant du niobium sont plus sujets à la fissuration à chaud que ceux contenant du titane.

Les métaux d'apport correspondants peuvent être utilisés pour souder des aciers stables tels que les alliages 321 et 347. Le métal d'apport correspondant de l'alliage 347 peut parfois être utilisé pour le soudage des aciers stables tels que les alliages 321 et 347. alliage de soudure 321.

Ces alliages stables peuvent être ajoutés à d'autres aciers inoxydables ou à des aciers au carbone. L'alliage 309 (23% Cr-13,5% Ni) ou des métaux d'apport à base de nickel peuvent servir à cette fin.

VIII. Traitement thermique

La plage de température de recuit pour les alliages 321 et 347 est de 1800 à 2000°F (928 à 1093°C). Bien que l'objectif principal du recuit soit d'améliorer la souplesse et la ductilité de l'alliage, les contraintes peuvent également être éliminées dans la plage de précipitation du carbure de 800 à 1500°F (427 à 816°C) sans provoquer de corrosion intergranulaire.

Bien qu'un chauffage prolongé dans cette plage de températures puisse réduire quelque peu la résistance générale à la corrosion de l'alliage, les alliages 321 et 347 peuvent se détendre après un recuit de quelques heures dans la plage de températures de 800 à 1500°F (427 à 816°C), et leur résistance générale à la corrosion ne sera pas réduite de manière significative.

Comme nous l'avons souligné, le recuit à basse température dans la plage de 800 à 1500°F (427 à 816°C) n'entraîne pas de corrosion intergranulaire.

Pour obtenir une ductilité optimale, il est recommandé d'utiliser une température de recuit plus élevée, de 1800 à 2000°F (928 à 1093°C).

Lors de la transformation de ces aciers inoxydables à base de nickel en équipements qui doivent empêcher au maximum la précipitation du carbure de chrome, il faut reconnaître que la stabilité du columbium n'est pas la même que celle du titane. C'est pourquoi, lors de l'utilisation de l'alliage 321, les résultats en matière de stabilité et de protection ne sont pas aussi évidents.

Lorsqu'une résistance maximale à la corrosion est requise, l'alliage 321 doit subir un traitement de recuit de stabilisation. Chauffer dans la plage de température de 1550 à 1650°F (843 à 899°C) jusqu'à 5 heures, le temps de chauffage dépendant de l'épaisseur.

Cette plage de température dépasse la plage de température de formation du carbure de chrome et est également suffisante pour décomposer et dissoudre le carbure de chrome précédemment formé.

En outre, à cette température, le titane peut se combiner avec le carbone pour former un carbure de titane inoffensif. Le résultat est que le chrome est ramené à une solution solide et que le carbone est forcé de se combiner avec le titane pour former des carbures inoffensifs.

L'alliage stabilisé 347 contenant du colombium ne nécessite pas souvent ce traitement supplémentaire.

Une fois le traitement thermique terminé dans un environnement oxydant, les oxydes formés sur la surface recuite sont éliminés dans une solution de décapage, telle qu'un mélange d'acide nitrique et d'acide fluorhydrique. Après le décapage, la surface de l'acier inoxydable doit être soigneusement rincée pour éliminer la solution acide résiduelle.

Ces alliages ne peuvent pas être durcis par traitement thermique.

IX. La propreté

Le maintien de la propreté des surfaces est crucial pour l'acier inoxydable tout au long de son cycle de vie, de la fabrication à l'utilisation finale, même dans des conditions d'exploitation standard. Cette pratique est essentielle pour préserver la résistance à la corrosion et l'attrait esthétique inhérents au matériau.

Pendant le processus de soudage, une technique de protection par gaz inerte est utilisée pour minimiser l'oxydation. Après le soudage, il est impératif d'éliminer les oxydes et les scories à l'aide d'une brosse en acier inoxydable. L'utilisation de brosses en acier au carbone est strictement interdite car elles peuvent déposer des particules d'acier au carbone sur la surface de l'acier inoxydable, ce qui risque d'entraîner une corrosion localisée. Dans les applications critiques ou les environnements à hautes performances, la zone soudée peut nécessiter un traitement avec une solution de décapage spécialisée (généralement un mélange d'acides nitrique et fluorhydrique) afin d'éliminer complètement les oxydes et les scories, garantissant ainsi une résistance optimale à la corrosion.

Après tout traitement chimique, la surface de l'acier inoxydable doit être méticuleusement rincée à l'eau déminéralisée afin d'éliminer toute trace de résidu acide et de prévenir l'apparition de piqûres ou de fissures dues à la corrosion sous contrainte.

Les facteurs environnementaux influencent considérablement les exigences en matière d'entretien. Dans les régions intérieures, les applications industrielles légères exigent généralement un entretien minimal. Un nettoyage périodique à l'eau sous pression peut s'avérer nécessaire uniquement pour les zones blindées ou encastrées sujettes à l'accumulation de contaminants. En revanche, dans l'industrie lourde, un nettoyage régulier et approfondi est fortement recommandé pour éliminer les particules accumulées, qui peuvent retenir l'humidité et les agents corrosifs, ce qui risque de compromettre la couche passive de l'acier inoxydable et l'intégrité de sa surface.

L'intégration de considérations relatives à la propreté dès la phase de conception peut considérablement faciliter la maintenance. Les équipements dotés de congés arrondis, de rayons internes généreux et d'une construction sans soudure simplifient non seulement les processus de nettoyage, mais renforcent également l'efficacité des traitements de surface tels que l'électropolissage, qui peuvent encore améliorer la résistance à la corrosion et la nettoyabilité.

Il est important de noter que les données de référence fournies représentent des analyses typiques et ne doivent pas être interprétées comme des spécifications définitives ou des limites absolues pour le produit final. Les propriétés des matériaux peuvent varier en fonction des lots de production spécifiques, des méthodes de traitement et des applications prévues. Il convient de toujours consulter les rapports d'essais certifiés du fabricant pour obtenir des données précises sur la composition et les propriétés mécaniques pour les applications critiques.