Vous êtes-vous déjà demandé comment le traitement thermique pouvait transformer les propriétés de l'acier inoxydable ? Dans cet article perspicace, un ingénieur mécanicien chevronné se penche sur le monde fascinant du traitement thermique de l'acier inoxydable. Découvrez la science qui permet d'améliorer la résistance à la corrosion, d'éliminer la fragilité et d'optimiser les propriétés mécaniques. Préparez-vous à découvrir les secrets de la manipulation de la microstructure de l'acier inoxydable grâce à des techniques expertes et à un contrôle précis de la température.
L'acier inoxydable se caractérise par sa composition, composée d'un grand nombre d'éléments suivants éléments d'alliage dont le Cr est le composant principal. C'est la condition fondamentale pour que l'acier inoxydable résiste à la corrosion.
Pour utiliser pleinement les éléments d'alliage et obtenir une résistance mécanique et une résistance à la corrosion optimales, des méthodes de traitement thermique doivent également être employées.
L'acier inoxydable ferritique est généralement caractérisé par une structure stable de ferrite unique et ne subit pas de changement de phase lors du chauffage et du refroidissement.
Par conséquent, le traitement thermique ne peut pas être utilisé pour ajuster ses propriétés mécaniques. L'objectif principal est de réduire la fragilité et d'améliorer la résistance à la corrosion intergranulaire.
Processus de traitement thermique:
① Recuit
Pour éliminer la phase σ, la fragilité à 475°C et la fragilité à haute température, un traitement de recuit peut être appliqué.
Le processus implique un chauffage à 780~830°C, suivi d'un refroidissement à l'air ou au four.
Pour l'acier inoxydable ferritique ultra-pur à faible teneur en C (C≤0,01%) et dont les niveaux de Si, Mn, S et P sont strictement contrôlés, la température de recuit peut être augmentée.
② Traitement anti-stress
Après le soudage ou l'usinage à froid, les pièces peuvent contenir contrainte résiduelle.
Dans les cas où le recuit ne convient pas, un traitement de détente peut être effectué en chauffant les pièces à une température de 230~370℃, en maintenant la température, puis en refroidissant à l'air. Cela permet d'éliminer certaines tensions internes et d'améliorer la plasticité.
La présence de Cr, Ni et d'autres éléments d'alliage dans l'acier inoxydable austénitique abaisse la température de l'acier. Mme point à une température inférieure à la température ambiante (-30 à -70°C).
Cette stabilité de la structure austénitique signifie qu'aucun changement de phase ne se produit lors du chauffage et du refroidissement au-dessus de la température ambiante.
Le principal objectif du traitement thermique de l'acier inoxydable austénitique n'est donc pas de modifier les propriétés mécaniques, mais plutôt d'améliorer la résistance à la corrosion.
Traitement en solution de l'acier inoxydable austénitique
Effets :
① Précipitation et dissolution des carbures d'alliage dans l'acier
Le carbone (C) est l'un des éléments d'alliage présents dans l'acier. S'il a un léger effet de renforcement, il nuit à la résistance à la corrosion, notamment lorsqu'il forme des carbures avec le chrome (Cr).
Pour minimiser l'existence de carbures de C et de Cr, la solubilité du C dans l'austénite est manipulée par chauffage et refroidissement.
La solubilité du C dans l'austénite est élevée à haute température (0,34% à 1200°C) et faible à basse température (0,02% à 600°C, et encore plus faible à température ambiante).
L'acier est chauffé à haute température pour dissoudre le composé C-Cr et rapidement refroidi pour éviter la précipitation.
Cela permet d'améliorer la résistance à la corrosion de l'acier, en particulier la résistance à la corrosion intergranulaire.
② Sigma (σ) Phase
Un chauffage à long terme entre 500 et 900 °C ou l'ajout d'éléments tels que le titane, le niobium et le molybdène peuvent entraîner la précipitation de la phase σ dans l'acier austénitique.
Cela augmente la fragilité de l'acier et diminue sa résistance à la corrosion.
La phase σ peut être éliminée en la dissolvant à une température supérieure à sa température de précipitation et en la refroidissant rapidement pour éviter une nouvelle précipitation.
Processus :
Selon la norme GB1200, la plage de température de chauffage recommandée est de 1000 à 1150°C, généralement de 1020 à 1080°C.
La température de chauffage peut être ajustée dans la plage autorisée en fonction de la composition spécifique de la nuance, des pièces coulées ou forgées. La méthode de refroidissement doit être rapide pour éviter la précipitation du carbure.
En Chine et dans d'autres normes nationales, le "refroidissement rapide" est indiqué après la solution solide.
L'échelle de "rapidité" peut être déterminée sur la base des critères suivants :
Traitement thermique de stabilisation de l'acier inoxydable austénitique
Le traitement thermique de stabilisation est un processus limité à des qualités spécifiques d'aciers inoxydables austénitiques tels que 1Cr18Ni9Ti et 0Cr18Ni11Nb qui contiennent des éléments stabilisants Ti ou Nb.
Effets :
Comme indiqué précédemment, la précipitation de composés de type Cr23C6 due à la combinaison de Cr et de C aux joints de grains peut entraîner une diminution de la résistance à la corrosion de l'acier inoxydable austénitique.
Pour éviter cela, on ajoute du Ti et du Nb à l'acier afin de créer des conditions dans lesquelles le C se combine préférentiellement avec le Ti et le Nb plutôt qu'avec le Cr.
Cela permet de retenir le Cr dans l'austénite et d'assurer la résistance à la corrosion de l'acier. Le traitement thermique de stabilisation combine Ti, Nb et C pour stabiliser le Cr dans l'austénite.
Processus :
Température de chauffage : La température de chauffage doit être supérieure à la température de dissolution du Cr23C6 (400-825℃), et légèrement inférieure ou supérieure à la température de dissolution initiale du TiC ou du NbC (par exemple, la plage de température de dissolution du TiC est de 750-1120℃).
La température de chauffage de stabilisation est généralement fixée à 850-930℃, ce qui dissout complètement le Cr23C6 et permet au Ti ou au Nb de se combiner avec le C, tout en conservant le Cr dans l'austénite.
Méthode de refroidissement : Le refroidissement par air est généralement utilisé, mais le refroidissement par eau ou par four peut également être utilisé en fonction des conditions spécifiques des pièces.
La vitesse de refroidissement a un impact minimal sur l'effet de stabilisation.
Nos recherches expérimentales ont montré que des vitesses de refroidissement de 0,9°C/min et de 15,6°C/min à partir d'une température de stabilisation de 900°C jusqu'à 200°C donnent une structure métallographique, une dureté et une résistance à la corrosion intergranulaire similaires.
Acier inoxydable austénitique Traitement de détente
Objet :
Les pièces en acier inoxydable austénitique subissent inévitablement des contraintes au cours des processus d'usinage à froid tels que le traitement et le soudage.
Cette contrainte peut avoir des effets négatifs tels que l'impact sur la stabilité dimensionnelle et l'apparition de fissures dues à la corrosion sous contrainte dans des milieux tels que le Cl-, le H2S, le NaOH, etc.
Ce type de dommage est local et soudain, ce qui peut être préjudiciable. Pour minimiser le stress dans ces parties, des méthodes de réduction du stress peuvent être utilisées.
Processus :
Le traitement de mise en solution et le traitement de stabilisation peuvent contribuer à éliminer les contraintes si les conditions le permettent. Toutefois, ces méthodes ne sont pas toujours réalisables, notamment pour les raccords de tuyauterie en boucle, les pièces finies dont la marge est limitée et les pièces présentant des défauts d'étanchéité. formes complexes qui sont facilement déformables.
Dans ce cas, le chauffage des pièces à une température inférieure à 450°C peut contribuer à réduire les tensions.
Si la pièce est utilisée dans un environnement de forte corrosion sous contrainte et que la contrainte doit être complètement éliminée, il faut envisager de choisir des matériaux tels que l'acier inoxydable austénitique à très faible teneur en carbone avec des éléments stabilisants.
La principale caractéristique de l'acier inoxydable martensitique par rapport à l'acier inoxydable ferritique, à l'acier inoxydable austénitique et à l'acier inoxydable duplex est sa capacité à ajuster ses propriétés mécaniques sur une large gamme par le biais de méthodes de traitement thermique afin de répondre aux besoins variables des différentes applications.
En outre, la résistance à la corrosion de l'acier inoxydable martensitique peut être affectée différemment par les différentes méthodes de traitement thermique utilisées.
① Structure de l'acier inoxydable martensitique après trempe
En fonction de la composition chimique
② Résistance à la corrosion et traitement thermique de l'acier inoxydable martensitique
Le traitement thermique de l'acier inoxydable martensitique modifie non seulement ses propriétés mécaniques, mais affecte également sa résistance à la corrosion de diverses manières.
Par exemple, le revenu à basse température après la trempe donne une résistance élevée à la corrosion, tandis que le revenu à moyenne température (400-550°C) donne une faible résistance à la corrosion.
D'autre part, la trempe à haute température (600-750°C) permet d'améliorer la résistance à la corrosion.
③ Méthode de traitement thermique et fonction de l'acier inoxydable martensitique
Recuit
Différentes méthodes de recuit peuvent être utilisées en fonction du résultat souhaité :
Le présent processus de recuit isotherme est également efficace pour améliorer la structure médiocre après le forgeage, ainsi que pour améliorer les propriétés mécaniques après la trempe et le revenu, en particulier la résistance aux chocs.
Trempe
L'objectif premier de la trempe de l'acier inoxydable martensitique est d'améliorer sa résistance.
Le processus consiste à chauffer l'acier à une température supérieure au point critique, à maintenir la chaleur pour s'assurer que les carbures se dissolvent complètement dans l'austénite, puis à refroidir à une vitesse appropriée pour atteindre un point critique. structure de la martensite.
Sélection de la température de chauffage : Le principe de base est de former de l'austénite et de dissoudre les carbures d'alliage de manière homogène dans l'austénite.
Pour éviter des grains d'austénite plus grossiers ou la présence de ferrite ou d'austénite retenue dans la structure après la trempe, la température de chauffage ne doit être ni trop basse ni trop élevée.
La plage de température pour la trempe des aciers inoxydables martensitiques varie considérablement, mais d'après notre expérience, elle se situe généralement entre 980 et 1020°C.
Toutefois, pour les nuances d'acier spéciales, le contrôle de la composition spécifique ou les exigences particulières, il peut être nécessaire d'ajuster la température de chauffage, mais le principe de chauffage ne doit pas être enfreint.
Méthode de refroidissement : En raison de la composition de l'acier inoxydable martensitique, l'austénite est plus stable. Courbe C se déplace vers la droite et le taux de refroidissement critique est plus faible.
Par conséquent, l'acier martensitique peut être trempé par refroidissement à l'huile ou à l'air.
Cependant, pour les pièces qui nécessitent une grande profondeur de trempe et des propriétés mécaniques élevées, en particulier une grande résistance aux chocs, le refroidissement à l'huile est recommandé.
Trempe
Après la trempe, l'acier inoxydable martensitique obtenu présente une dureté, une fragilité et des contraintes internes élevées, et doit être trempé pour améliorer ses propriétés mécaniques.
L'acier inoxydable martensitique est généralement trempé à deux températures différentes :
Le revenu à une température comprise entre 400 et 600°C n'est généralement pas recommandé, car il peut entraîner la précipitation de carbures très dispersés à partir de la martensite, ce qui fragilise le revenu et réduit la résistance à la corrosion.
Toutefois, certains ressorts, tels que les ressorts en acier 3Cr13 et 4Cr13, peuvent être trempés à cette température, ce qui permet d'obtenir un HRC de 40 à 45 et une bonne élasticité.
La méthode de refroidissement après le revenu est généralement le refroidissement à l'air, mais pour les nuances d'acier susceptibles d'être fragilisées par le revenu, telles que 1Cr17Ni2, 2Cr13 et 0Cr13Ni4Mo, le refroidissement à l'huile est recommandé après le revenu.
L'acier inoxydable Duplex est un ajout récent à la famille des aciers inoxydables et a été largement reconnu et apprécié pour ses caractéristiques uniques.
Sa teneur élevée en chrome, sa faible composition en nickel et l'ajout de molybdène et d'azote le rendent plus résistant et plus flexible que les matériaux austénitiques et les métaux ferreux. aciers inoxydables ferritiquestout en offrant une résistance à la corrosion équivalente.
Il présente également une résistance supérieure à la corrosion par piqûres, par crevasses et sous contrainte dans les environnements chlorés et d'eau de mer.
Les effets du traitement thermique pour l'acier inoxydable duplex sont les suivants :
① Éliminer l'austénite secondaire : À des températures plus élevées, par exemple lors de la fabrication d'une pièce en acier inoxydable, l'austénite secondaire peut être éliminée. moulage ou forgeagela quantité de ferrite augmente.
À des températures supérieures à 1300°C, elle peut devenir de la ferrite monophasée, qui est instable à haute température. Le vieillissement à plus basse température peut entraîner la précipitation d'austénite, connue sous le nom d'austénite secondaire.
Cependant, la quantité de chrome et d'azote dans cette austénite est inférieure à celle de l'austénite normale, ce qui en fait une source potentielle de corrosion, qui doit donc être éliminée par traitement thermique.
② Éliminer le carbure Cr23C6 : L'acier duplex peut précipiter du Cr23C6 à des températures inférieures à 950°C, ce qui augmente la fragilité et réduit la résistance à la corrosion. Ce phénomène doit être éliminé.
③ Éliminer les nitrures Cr2N, CrN : En raison de la présence d'azote dans l'acier, des nitrures peuvent se former avec le chrome, ce qui peut avoir un impact négatif sur les propriétés mécaniques et la résistance à la corrosion, et doit être éliminé.
④ Éliminer les phases intermétalliques : La composition de l'acier biphasé peut entraîner la formation de phases intermétalliques, telles que la phase σ et la phase γ, qui réduisent la résistance à la corrosion et augmentent la fragilité, de sorte qu'elles doivent être éliminées.
Le processus de traitement thermique est similaire à celui de l'acier austénitique et implique un traitement en solution solide avec une température de chauffage de 980~1100°C suivie d'un refroidissement rapide. Le refroidissement à l'eau est généralement utilisé.
L'acier inoxydable durci par précipitation est un développement relativement récent et c'est un type d'acier inoxydable qui a été essayé, testé et amélioré par la pratique humaine.
Les anciens aciers inoxydables, tels que les aciers inoxydables ferritiques et austénitiques, présentent une bonne résistance à la corrosion, mais leurs propriétés mécaniques ne peuvent être modifiées par des méthodes de traitement thermique, ce qui limite leur utilité.
L'acier inoxydable martensitique peut être traité thermiquement pour améliorer ses propriétés mécaniques, mais sa résistance à la corrosion est médiocre.
Caractéristiques :
L'acier inoxydable à durcissement par précipitation a une faible teneur en carbone (généralement ≤0,09%) et une teneur élevée en chrome (généralement ≥14% ou plus), ainsi que des éléments tels que Mo et Cu, ce qui lui confère une résistance à la corrosion équivalente à celle de l'acier inoxydable austénitique.
Grâce à une solution solide et à un traitement de vieillissement, il est possible d'obtenir une structure avec des phases de durcissement par précipitation précipitées sur la matrice de martensite, ce qui se traduit par une résistance plus élevée.
La résistance, la plasticité et la ténacité peuvent être ajustées dans une certaine fourchette en réglant la température de vieillissement.
En outre, la méthode de traitement thermique par solution solide suivie d'un renforcement par précipitation permet de traiter des formes de base de faible dureté après le traitement par solution solide.
En se renforçant par le vieillissement, les coûts de traitement sont réduits et le produit est plus performant que les autres produits de l'Union européenne. aciers martensitiques.
Classification :
① Acier inoxydable martensitique à durcissement par précipitation et son traitement thermique
L'acier inoxydable martensitique à durcissement par précipitation est caractérisé par une transformation austénitique à martensitique commençant au-dessus de la température ambiante (Ms).
En chauffant l'acier à sa température d'austénitisation et en le refroidissant rapidement, on obtient une matrice martensitique en forme d'ardoise.
Après vieillissement, la fine masse de cuivre précipite de la matrice martensitique, renforçant ainsi l'acier.
Une nuance typique de la norme GB1220 est 0Cr17Ni4Cu4Nb (PH17-4), avec la composition suivante : C≤0,07, Ni : 3-5, Cr : 15,5-17,5, Cu : 3-5, Nb : 0,15-0,45. Le point Ms est d'environ 120°C et le point Mz est d'environ 30°C.
Traitement des solutions solides :
Lorsqu'il est chauffé à 1020-1060°C et refroidi rapidement à l'eau ou à l'huile, la structure de l'acier devient de la martensite en lattes, d'une dureté d'environ 320HB.
La température de chauffage ne doit pas dépasser 1100°C, car cela peut entraîner une augmentation de la ferrite dans la structure, une diminution du point Ms, une augmentation de l'austénite retenue, une diminution de la dureté et de mauvais effets du traitement thermique.
Traitement du vieillissement :
La dispersion et la taille des particules de précipités dépendent de la température de vieillissement et se traduisent par des propriétés mécaniques différentes.
Selon la norme GB1220, les propriétés après vieillissement à différentes températures sont les suivantes :
② Traitement thermique des aciers inoxydables semi-austénitiques
Le point Ms de l'acier inoxydable semi-austentique est généralement légèrement inférieur à la température ambiante, ce qui se traduit par une structure austénitique de faible résistance après traitement en solution et refroidissement à la température ambiante.
Pour améliorer la la résistance et la dureté de la matrice, l'acier doit être réchauffé à 750-950°C pour être isolé.
À ce stade, des carbures précipitent dans l'austénite, réduisant sa stabilité et augmentant le point Ms au-dessus de la température ambiante.
En refroidissant, on obtient une structure de martensite. Un traitement à froid (traitement sub-zero) peut également être ajouté, suivi d'un vieillissement, pour produire un acier renforcé avec des précipités dans la matrice de martensite.
La norme GB1220 recommande la nuance 0Cr17Ni7Al (PH17-7), dont la composition est la suivante : C≤0,09, Cu≤0,5, Ni : 6,5-7,5, Cr : 16-18, Al : 0,75-1,5.
Solution + Ajustement + Traitement du vieillissement :
La température de la solution solide est de 1040°C et l'acier est refroidi à l'eau ou à l'huile pour obtenir une structure austénitique d'une dureté d'environ 150HB.
La température d'ajustement est de 760°C et l'acier est refroidi à l'air pour précipiter des carbures d'alliage dans l'austénite, réduire sa stabilité, augmenter le point Ms à 50-90°C, et obtenir de la martensite en lattes après refroidissement. La dureté peut atteindre 290HB.
Après vieillissement à 560°C, l'Al et ses composés précipitent, renforçant l'acier et augmentant sa dureté à 340HB.
Solution solide + ajustement + traitement à froid + vieillissement :
La température de la solution solide est de 1040°C et le refroidissement à l'eau permet d'obtenir une structure austénitique.
La température d'ajustement est de 955°C afin d'augmenter le point Ms et d'obtenir une martensite en lattes après refroidissement.
Le traitement à froid à -73°C pendant 8 heures réduit l'austénite retenue dans la structure pour obtenir un maximum de martensite.
Il existe de nombreuses façons de classer les aciers inoxydables, notamment en fonction de leur composition chimique, de leurs propriétés fonctionnelles, de leur structure métallographique et de leurs caractéristiques de traitement thermique.
Toutefois, pour des raisons pratiques, il est plus utile de les classer en fonction de leur structure métallographique et de leurs caractéristiques de traitement thermique.
Le principal élément d'alliage de l'acier inoxydable est le chrome, et une petite quantité d'éléments ferrites stables tels que l'aluminium et le molybdène peuvent être ajoutés. La structure résultante est la ferrite.
Ce type d'acier inoxydable présente une faible résistance et ne peut être amélioré par un traitement thermique.
Au contraire, il présente une certaine plasticité, mais aussi une grande fragilité. Il présente une bonne résistance à la corrosion dans les milieux oxydants (tels que l'acide nitrique), mais une faible résistance à la corrosion dans les milieux réducteurs.
Il contient une forte concentration de chrome, généralement plus de 18%, et environ 8% de nickel.
Certains utilisent le manganèse pour remplacer le nickel afin d'améliorer encore la résistance à la corrosion, et d'autres ajoutent des éléments tels que le molybdène, le cuivre, le silicium, titaneou le niobium.
Il n'y a pas de changement de phase pendant le chauffage et le refroidissement, de sorte que les méthodes de traitement thermique ne peuvent pas être utilisées pour augmenter sa résistance.
Il présente toutefois l'avantage d'une faible résistance, d'une grande plasticité et d'une grande ténacité. Il est très résistant aux milieux oxydants et présente une bonne résistance à la corrosion. corrosion intergranulaire après l'ajout de titane et de niobium.
Acier inoxydable martensitique contient principalement 12-18% Cr, la quantité de carbone étant ajustée en fonction des besoins, typiquement 0,1-0,4%.
Pour les outils, le teneur en carbone peut atteindre 0,8-1,0%, et certains sont améliorés par l'ajout d'éléments tels que Mo, V et Nb pour renforcer la stabilité et la résistance au revenu.
Le chauffage à haute température et le refroidissement à une certaine vitesse produisent une structure qui est principalement martensitique, mais qui peut également contenir de petites quantités de ferrite, conservée par l'organisme. austéniteou des carbures d'alliage en fonction de la teneur en carbone et en éléments d'alliage.
La structure et les performances peuvent être ajustées en contrôlant le processus de chauffage et de refroidissement, mais la résistance à la corrosion n'est pas aussi bonne que celle des aciers inoxydables austénitiques, ferritiques et duplex.
L'acier inoxydable martensitique est résistant aux acides organiques mais présente une faible résistance dans des milieux tels que les acides sulfuriques et chlorhydriques.
En général, la teneur en Cr est de 17-30% et la teneur en Ni de 3-13%.
En outre, des éléments d'alliage tels que Mo, Cu, Nb, N et W sont ajoutés, et la teneur en C est maintenue à un niveau très bas.
Selon la proportion d'éléments d'alliage, certains sont ferrites, tandis que d'autres sont principalement austéniteconstituant deux aciers inoxydables duplex qui existent simultanément.
Comme il contient de la ferrite et des éléments de renforcement, après traitement thermique, sa résistance est légèrement supérieure à celle de l'acier inoxydable austénitique et sa plasticité et sa ténacité sont meilleures.
Le traitement thermique ne permet pas de modifier les performances.
Il présente une résistance élevée à la corrosion, en particulier dans les milieux contenant du Cl et dans l'eau de mer, ainsi qu'une bonne résistance à la corrosion par piqûres, à la corrosion par crevasses et à la corrosion sous contrainte.
La composition de ce type d'acier inoxydable est caractérisée par la présence d'éléments tels que C, Cr, Ni, et d'autres éléments, dont Cu, Al et Ti, qui peuvent provoquer des précipitations.
Les propriétés mécaniques peuvent être modifiées par traitement thermique, mais son mécanisme de renforcement diffère de celui de l'acier inoxydable martensitique.
En raison de son renforcement par précipitation, la teneur en carbone peut être maintenue à un niveau très bas, ce qui se traduit par une meilleure résistance à la corrosion que l'acier inoxydable martensitique et une résistance équivalente à l'acier inoxydable austénitique Cr-Ni.
En tant que fondateur de MachineMFG, j'ai consacré plus d'une décennie de ma carrière à l'industrie métallurgique. Ma vaste expérience m'a permis de devenir un expert dans les domaines de la fabrication de tôles, de l'usinage, de l'ingénierie mécanique et des machines-outils pour les métaux. Je suis constamment en train de réfléchir, de lire et d'écrire sur ces sujets, m'efforçant constamment de rester à la pointe de mon domaine. Laissez mes connaissances et mon expertise être un atout pour votre entreprise.
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