1. Traitement thermique de l'acier inoxydable ferritique : L'acier inoxydable ferritique présente généralement une structure monocristalline stable. Lors du chauffage ou du refroidissement, il n'y a pas de changement de phase. Par conséquent, les propriétés mécaniques ne peuvent être modifiées par traitement thermique. Ce dernier vise principalement à réduire la fragilité et à améliorer la résistance à la corrosion intergranulaire.
① Fragilité de la phase σ : L'acier inoxydable ferritique est sujet à la formation de la phase σ, un composé métallique riche en chrome. Dure et fragile, cette phase se forme particulièrement facilement entre les grains, ce qui fragilise l'acier et accroît sa sensibilité à la corrosion intergranulaire. La formation de la phase σ est liée à la composition. En effet, le chrome, le silicium, le manganèse et le molybdène, entre autres, favorisent sa formation. Le procédé de fabrication joue également un rôle, notamment le chauffage et le maintien à une température comprise entre 540 et 815 °C, qui stimulent davantage la formation de la phase σ. Cependant, la formation de cette phase est réversible. Un réchauffage à une température supérieure à celle de sa formation entraîne sa redissolution en solution solide.
②Fragilité à 475 °C : Lorsqu'un acier inoxydable ferritique est chauffé longtemps entre 400 et 500 °C, il présente une augmentation de sa résistance et une diminution de sa ténacité, c'est-à-dire une fragilité accrue, particulièrement marquée à 475 °C. Ce phénomène est appelé fragilité à 475 °C. À cette température, les atomes de chrome de la ferrite se réorganisent pour former de petites zones riches en chrome, cohérentes avec la phase mère. Cette réorganisation provoque une distorsion du réseau cristallin, générant des contraintes internes et augmentant ainsi la dureté et la fragilité de l'acier. Simultanément, la formation de ces zones riches en chrome s'accompagne nécessairement de zones pauvres en chrome, ce qui nuit à la résistance à la corrosion. Un réchauffage de l'acier à une température supérieure à 700 °C permet d'éliminer la distorsion et les contraintes internes, et la fragilité à 475 °C disparaît.
③ Fragilité à haute température : Lorsqu’il est chauffé à plus de 925 °C puis refroidi rapidement, le chrome, le carbone, l’azote, etc. forment des composés qui précipitent dans les grains et aux joints de grains, ce qui accroît la fragilité et provoque une corrosion intergranulaire. Ces composés peuvent être éliminés par chauffage entre 750 et 850 °C suivi d’un refroidissement rapide.
Procédé de traitement thermique :
① Recuit : Afin d’éliminer la phase σ, la fragilité à 475 °C et la fragilité à haute température, un recuit peut être effectué. Ce recuit consiste à chauffer à une température de 780 à 830 °C, à maintenir cette température, puis à refroidir à l’air ou au four. Pour les aciers inoxydables ferritiques ultra-purs (contenant ≤ 0,01 % de C et présentant des teneurs en Si, Mn, S et P strictement contrôlées), la température de recuit peut être augmentée.
② Traitement de relaxation des contraintes : Après soudage et usinage à froid, des contraintes peuvent apparaître sur les pièces. Si le recuit n’est pas adapté à certaines situations, un chauffage, un maintien à température et un refroidissement à l’air peuvent être effectués entre 230 et 370 °C afin d’éliminer certaines contraintes internes et d’améliorer la plasticité.
2. Traitement thermique de l'acier inoxydable austénitique : La présence d'éléments d'alliage tels que le chrome et le nickel dans l'acier inoxydable austénitique entraîne une diminution de la température de fusion (Ms) en dessous de la température ambiante (-30 à -70 °C). Afin de garantir la stabilité de la structure austénitique, aucune transformation de phase ne doit avoir lieu au-dessus de la température ambiante lors des cycles de chauffage et de refroidissement. Par conséquent, le traitement thermique de l'acier inoxydable austénitique vise principalement à améliorer sa résistance à la corrosion plutôt qu'à modifier ses propriétés mécaniques.
A. Traitement de mise en solution de l'acier inoxydable austénitique
Fonction:
① Précipitation et dissolution des carbures d'alliage dans l'acier : Le carbone (C) est un élément d'alliage présent dans l'acier. Outre son rôle de renforcement, il nuit à la résistance à la corrosion, surtout lorsqu'il forme des carbures avec le chrome (Cr), ce qui aggrave encore la situation. Il convient donc de réduire sa présence. C'est pourquoi, compte tenu des caractéristiques du carbone dans l'austénite qui varient avec la température (sa solubilité est élevée à haute température et faible à basse température), on observe que la solubilité du carbone dans l'austénite est de 0,34 % à 1200 °C, de 0,18 % à 1000 °C et de 0,02 % à 600 °C, et encore plus faible à température ambiante. Par conséquent, l'acier est chauffé à haute température pour dissoudre complètement le composé C-Cr, puis refroidi rapidement afin d'empêcher toute précipitation et ainsi garantir sa résistance à la corrosion, notamment à la corrosion intergranulaire.
② Phase σ : Si un acier austénitique est chauffé longtemps entre 500 et 900 °C, ou si des éléments tels que le titane, le niobium et le molybdène y sont ajoutés, la précipitation de la phase σ est favorisée, ce qui rend l'acier plus fragile et réduit sa résistance à la corrosion. Pour éliminer la phase σ, il faut la dissoudre à une température supérieure à sa température de précipitation potentielle, puis refroidir rapidement l'acier afin d'éviter toute reprécipitation.
Processus:
La norme GB1200 recommande une plage de températures de chauffage relativement large : de 1 000 à 1 150 °C, généralement de 1 020 à 1 080 °C. En fonction de la composition spécifique de la pièce (moulée, forgée, etc.), la température de chauffage doit être ajustée avec précision dans cette plage. Une température trop basse ne permet pas la dissolution complète des carbures de carbone-chrome, tandis qu’une température trop élevée peut entraîner une croissance des grains et une diminution de la résistance à la corrosion.
Méthode de refroidissement : Le refroidissement doit être rapide afin d’éviter la reprécipitation des carbures. Les normes de mon pays et de certains autres pays préconisent un « refroidissement rapide » après le traitement de mise en solution. L’analyse de la littérature et de l’expérience pratique permet de définir ce qu’est un refroidissement « rapide ».
Teneur en C ≥ 0,08 % ; teneur en Cr > 22 %, la teneur en Ni est relativement élevée ; teneur en C < 0,08 %, mais la taille effective > 3 mm, un refroidissement à l'eau est nécessaire ;
Teneur en C < 0,08 %, taille < 3 mm, peut être refroidi par air ;
Les particules de taille effective ≤ 0,5 mm peuvent être refroidies par air.
B. Traitement thermique de stabilisation de l'acier inoxydable austénitique
Le traitement thermique de stabilisation est limité aux aciers inoxydables austénitiques contenant des éléments stabilisateurs Ti ou Nb, tels que 1Cr18Ni9Ti, 0Cr18Ni11Nb, etc.
Fonction:
Comme mentionné précédemment, le chrome (Cr) se combine au carbone (C) pour former des composés de type Cr₂₃C₆ et précipite aux joints de grains, ce qui explique la diminution de la résistance à la corrosion des aciers inoxydables austénitiques. Le chrome est un élément fortement carbogène. Dès qu'il en a l'occasion, il se combine au carbone et précipite. C'est pourquoi des éléments tels que le titane (Ti) et le niobium (Nb), ayant une affinité plus forte que le chrome et le carbone, sont ajoutés à l'acier. Ces éléments créent des conditions propices à la combinaison du carbone avec le titane et le niobium, réduisant ainsi la probabilité de sa combinaison avec le chrome. Le chrome est ainsi retenu de manière stable dans l'austénite, ce qui garantit la résistance à la corrosion de l'acier. Le traitement thermique de stabilisation permet la combinaison du titane et du niobium avec le carbone et la stabilisation du chrome dans l'austénite.
Processus:
Température de chauffage : Cette température doit être supérieure à la température de dissolution du Cr23C6 (400-825 °C), inférieure ou légèrement supérieure à la température de début de dissolution du TiC ou du NbC (par exemple, la plage de température de dissolution du TiC est de 750 à 1120 °C), et la température de chauffage de stabilisation est généralement choisie entre 850 et 930 °C, ce qui dissoudra complètement le Cr23C6 afin que le Ti ou le Nb se combinent avec le C, tandis que le Cr continuera à rester dans l’austénite.
Méthode de refroidissement : Le refroidissement par air est généralement utilisé, mais le refroidissement par eau ou par four peut également convenir, selon les spécificités des pièces. La vitesse de refroidissement n'a pas d'incidence significative sur la stabilisation. Nos résultats expérimentaux montrent que, lors d'un refroidissement de la température de stabilisation de 900 °C à 200 °C, les vitesses de refroidissement sont respectivement de 0,9 °C/min et 15,6 °C/min. La structure métallographique, la dureté et la résistance à la corrosion intergranulaire restent globalement inchangées.
C. Traitement de relaxation des contraintes de l'acier inoxydable austénitique
Objectif : Les pièces en acier inoxydable austénitique sont inévitablement soumises à des contraintes, notamment des contraintes d’usinage et de soudage lors du travail à froid. Ces contraintes entraînent des effets néfastes, tels qu’une altération de la stabilité dimensionnelle. La fissuration par corrosion sous contrainte peut se produire lorsque ces pièces sont utilisées dans des milieux contenant du chlore, du sulfure d’hydrogène (H₂S), de l’hydroxyde de sodium (NaOH) ou d’autres milieux. Il s’agit d’une dégradation soudaine et localisée, sans précurseurs, et très dommageable. Par conséquent, les pièces en acier inoxydable austénitique utilisées dans certaines conditions de travail doivent être soumises à des contraintes minimales, ce qui peut être réalisé par des méthodes de relaxation des contraintes.
Procédé : Lorsque les conditions le permettent, les traitements de mise en solution et de stabilisation permettent de mieux éliminer les contraintes (le refroidissement à l’eau par mise en solution solide génère également certaines contraintes). Cependant, cette méthode est parfois inadaptée, notamment pour les tuyauteries de circuit, les pièces pleines sans marges et les pièces de formes particulièrement complexes et facilement déformables. Dans ce cas, un traitement thermique de relaxation des contraintes à une température inférieure à 450 °C peut être utilisé pour réduire partiellement les contraintes. Si la pièce est destinée à un environnement fortement corrosif et que les contraintes doivent être totalement éliminées, il convient d’en tenir compte lors du choix des matériaux, tels que les aciers contenant des éléments stabilisants ou les aciers inoxydables austénitiques à très faible teneur en carbone.
D. Traitement thermique de l'acier inoxydable martensitique
La principale caractéristique de l'acier inoxydable martensitique, comparé aux aciers inoxydables ferritiques, austénitiques et duplex, réside dans la possibilité d'ajuster ses propriétés mécaniques sur une large plage grâce à différents traitements thermiques, afin de répondre aux exigences de diverses applications. Ces différents traitements thermiques influent également sur la résistance à la corrosion.
① L'état organisationnel de l'acier inoxydable martensitique après trempe
Selon la composition chimique
0Cr13, 1Cr13, 1Cr17Ni2 sont de la martensite + une petite quantité de ferrite ;
2Cr13, 3Cr13, 2Cr17Ni2 sont essentiellement des organisations martensitiques ;
4Cr13 et 9Cr18 sont des carbures d'alliage sur la matrice martensitique ;
0Cr13Ni4Mo et 0Cr13Ni6Mo sont de l'austénite résiduelle sur la matrice martensitique.
② Résistance à la corrosion et traitement thermique de l'acier inoxydable martensitique
Le traitement thermique de l'acier inoxydable martensitique peut modifier non seulement ses propriétés mécaniques, mais aussi sa résistance à la corrosion. Prenons l'exemple du revenu après trempe : après trempe en phase martensitique, un revenu à basse température offre une meilleure résistance à la corrosion ; un revenu à température moyenne (400-550 °C) diminue cette résistance ; enfin, un revenu à haute température (600-750 °C) l'améliore.
③ Procédé de traitement thermique et fonction de l'acier inoxydable martensitique
Recuit : Différentes méthodes de recuit peuvent être utilisées selon l’objectif et la fonction à atteindre : si l’on souhaite uniquement réduire la dureté, faciliter la mise en œuvre et éliminer les contraintes, un recuit à basse température (également appelé recuit incomplet) peut être utilisé. La température de chauffage peut être choisie entre 740 et 780 °C, et la dureté peut être garantie entre 180 et 230 HB par refroidissement à l’air ou au four.
Pour améliorer la structure des pièces forgées ou moulées, réduire la dureté et garantir des performances faibles pour une application directe, on peut utiliser un recuit complet, généralement chauffé à 870~900℃, refroidi au four après isolation, ou refroidi à moins de 600℃ à une vitesse ≤40℃/h. La dureté peut atteindre 150~180 HB ;
Le recuit isotherme peut remplacer le recuit complet pour atteindre les mêmes objectifs. La température de chauffage est de 870 à 900 °C, puis le four est refroidi à 700-740 °C après chauffage et maintien de la température (voir la courbe de transformation). Cette température est ensuite maintenue pendant une durée prolongée (voir la courbe de transformation), avant d'être refroidie à moins de 550 °C et retirée du four. La dureté peut alors atteindre 150-180 HB. Ce recuit isotherme est également une méthode efficace pour améliorer la structure défectueuse après forgeage et les propriétés mécaniques après trempe et revenu, notamment la résilience.
Trempe : La trempe de l’acier inoxydable martensitique a pour principal objectif de le renforcer. On chauffe l’acier à une température supérieure à son point critique, on le maintient à cette température afin que les carbures se dissolvent complètement dans l’austénite, puis on le refroidit à une vitesse appropriée pour obtenir la structure martensitique trempée.
Choix de la température de chauffage : Le principe fondamental est d’assurer la formation d’austénite et la dissolution complète des carbures d’alliage dans l’austénite, ainsi que son homogénéisation. Il est également essentiel d’éviter la formation de grains d’austénite grossiers et la présence de ferrite ou d’austénite résiduelle dans la structure après trempe. La température de chauffage lors de la trempe ne doit donc être ni trop basse ni trop élevée. Cette température varie légèrement selon les matériaux et la plage recommandée est large. D’après notre expérience, une température comprise entre 980 et 1020 °C est généralement suffisante. Bien entendu, pour des nuances d’acier spéciales, des contrôles de composants spécifiques ou des exigences particulières, la température de chauffage doit être adaptée en conséquence, sans toutefois en altérer le principe.
Méthode de refroidissement : Du fait des caractéristiques de composition de l’acier inoxydable martensitique, l’austénite est relativement stable, la courbe C est décalée vers la droite et la vitesse de refroidissement critique est relativement faible. Le refroidissement à l’huile et le refroidissement à l’air peuvent donc être utilisés pour obtenir une trempe martensitique. Cependant, pour les pièces nécessitant une grande profondeur de trempe et des propriétés mécaniques élevées, notamment une résilience importante, le refroidissement à l’huile est recommandé.
Revenu : Après trempe, l’acier inoxydable martensitique acquiert une structure martensitique caractérisée par une dureté élevée, une grande fragilité et des contraintes internes importantes ; il doit donc être revenu. L’acier inoxydable martensitique est généralement utilisé à deux températures de revenu :
Le revenu s'effectue entre 180 et 320 °C. On obtient ainsi une structure martensitique revenue, qui conserve une dureté et une résistance élevées, mais une faible plasticité et ténacité, et présente une bonne résistance à la corrosion. Par exemple, le revenu à basse température peut être utilisé pour les outils, les roulements, les pièces d'usure, etc.
Le revenu, effectué entre 600 et 750 °C, permet d'obtenir une structure martensitique revenue. Celle-ci présente d'excellentes propriétés mécaniques, notamment une certaine résistance, dureté, plasticité et ténacité. La température de revenu peut être ajustée en fonction des exigences en matière de résistance, de plasticité et de ténacité. Cette structure offre également une bonne résistance à la corrosion.
Le revenu entre 400 et 600 °C est généralement déconseillé, car il provoque la précipitation de carbures très dispersés à partir de la martensite, ce qui engendre une fragilité et réduit la résistance à la corrosion. Cependant, les ressorts, comme ceux en acier 3Cr13 et 4Cr13, peuvent être revenus à cette température, et leur dureté Rockwell C (HRC) peut atteindre 40 à 45, tout en conservant une bonne élasticité.
Le refroidissement après revenu peut généralement être effectué à l'air, mais pour les aciers présentant une fragilité au revenu, tels que 1Cr17Ni2, 2Cr13, 0Cr13Ni4Mo, etc., il est préférable d'utiliser un refroidissement à l'huile. De plus, il convient de noter que le revenu doit être réalisé rapidement après la trempe, dans un délai maximal de 24 heures en été et de 8 heures en hiver. Si le revenu ne peut être effectué dans les délais prévus par la température de traitement, des mesures doivent être prises pour prévenir l'apparition de fissures statiques.
E. Traitement thermique de l'acier inoxydable duplex ferrite-austénite
L'acier inoxydable duplex est un acier inoxydable plus récent, développé plus tard, mais ses caractéristiques sont largement reconnues et appréciées. Sa composition (riche en chrome, faible teneur en nickel, molybdène et azote) et sa structure lui confèrent une résistance et une plasticité supérieures à celles des aciers inoxydables austénitiques et ferritiques ; une résistance à la corrosion équivalente à celle des aciers inoxydables austénitiques ; et une résistance supérieure à la corrosion par piqûres, à la corrosion caverneuse et à la corrosion sous contrainte, en milieu chlorhydrique et en eau de mer.
Fonction:
① Éliminer l'austénite secondaire : À haute température (par exemple lors de la fonderie ou du forgeage), la quantité de ferrite augmente. Au-delà de 1 300 °C, elle peut former une ferrite monophasée. Cette ferrite de haute température est instable. Lors d'un vieillissement ultérieur à basse température, de l'austénite précipite. Cette austénite est appelée austénite secondaire. Sa teneur en chrome et en azote étant inférieure à celle de l'austénite normale, elle peut constituer une source de corrosion et doit donc être éliminée par traitement thermique.
② Éliminer le carbure de type Cr23C6 : L'acier biphasé précipitera du Cr23C6 en dessous de 950 ℃, ce qui augmente la fragilité et réduit la résistance à la corrosion, et doit être éliminé.
③ Éliminer les nitrures Cr2N et CrN : Parce qu'il y a un élément N dans l'acier, il peut générer des nitrures avec Cr, ce qui affecte la résistance mécanique et à la corrosion, et doit être éliminé.
④ Éliminer les phases intermétalliques : Les caractéristiques de composition de l'acier duplex favoriseront la formation de certaines phases intermétalliques, telles que la phase σ et la phase γ, qui réduisent la résistance à la corrosion et augmentent la fragilité, et doivent être éliminées.
Procédé : Similaire à l'acier austénitique, il adopte un traitement de mise en solution, une température de chauffage de 980 à 1100 °C, puis un refroidissement rapide, généralement à l'eau.
F. Traitement thermique de l'acier inoxydable à durcissement structural
L'acier inoxydable à durcissement structural est d'apparition relativement récente. Il s'agit d'un type d'acier inoxydable qui a fait l'objet de nombreuses expérimentations, synthèses et innovations. Parmi les aciers inoxydables apparus plus tôt, les aciers inoxydables ferritiques et austénitiques présentent une bonne résistance à la corrosion, mais leurs propriétés mécaniques ne peuvent être ajustées par traitement thermique, ce qui limite leur utilisation. L'acier inoxydable martensitique, quant à lui, permet d'ajuster ses propriétés mécaniques dans une plus large gamme grâce au traitement thermique, mais sa résistance à la corrosion est faible.
Caractéristiques:
Ce matériau présente une faible teneur en carbone (généralement ≤ 0,09 %), une teneur plus élevée en chrome (généralement ≥ 14 %), ainsi que du molybdène, du cuivre et d'autres éléments, ce qui lui confère une résistance à la corrosion supérieure, comparable même à celle de l'acier inoxydable austénitique. Grâce à un traitement de mise en solution et de vieillissement, on obtient une structure avec une phase de durcissement structural précipitée sur la matrice martensitique, ce qui lui confère une résistance mécanique plus élevée. La résistance, la plasticité et la ténacité peuvent être ajustées dans une certaine plage en modulant la température de vieillissement. De plus, le procédé de traitement thermique consistant en une mise en solution suivie d'un durcissement structural permet d'obtenir une pièce de base de faible dureté après la mise en solution, puis de la renforcer par vieillissement. Ce procédé réduit les coûts de fabrication et s'avère plus avantageux que l'acier martensitique.
Classification:
① Acier inoxydable à durcissement structural martensitique et son traitement thermique : Les caractéristiques de l’acier inoxydable à durcissement structural martensitique sont les suivantes : la température initiale Ms de la transformation austénite-martensite est supérieure à la température ambiante. Après austénitisation et refroidissement rapides, on obtient une matrice martensitique en forme de lattes. Après vieillissement, de fines particules de cuivre précipitent à partir de cette matrice, renforçant ainsi l’acier.
2. Traitement thermique de l'acier inoxydable semi-austénitique : Le point Ms de cet acier est généralement légèrement inférieur à la température ambiante. Par conséquent, après mise en solution et refroidissement à température ambiante, on obtient une structure austénitique de très faible résistance. Afin d'améliorer la résistance et la dureté de la matrice, il est nécessaire de la chauffer à nouveau entre 750 et 950 °C et de la maintenir à cette température. À ce stade, des carbures précipitent dans l'austénite, ce qui réduit sa stabilité et augmente le point Ms au-dessus de la température ambiante. Lors d'un nouveau refroidissement, on obtient une structure martensitique. Certains procédés permettent également d'effectuer un traitement cryogénique (traitement à basse température), suivi d'un vieillissement, afin d'obtenir un acier renforcé présentant des précipités dans la matrice martensitique.
On constate qu'après un traitement approprié, l'acier inoxydable martensitique à durcissement structural présente des propriétés mécaniques équivalentes à celles de l'acier inoxydable martensitique classique, tandis que sa résistance à la corrosion est comparable à celle de l'acier inoxydable austénitique. Il convient de souligner que, bien que les aciers inoxydables martensitiques et à durcissement structural puissent être renforcés par traitement thermique, le mécanisme de renforcement diffère. Grâce à ses caractéristiques, l'acier inoxydable à durcissement structural est très prisé et largement utilisé.
Date de publication : 6 février 2025