Le coin des consommables : la relation entre les nombres de ferrite et la fissuration

Q : Nous avons récemment commencé à effectuer des travaux nécessitant la fabrication de certains composants principalement en acier inoxydable de qualité 304, qui est soudé à lui-même et à de l'acier doux. Nous avons rencontré des problèmes de fissuration sur les sections soudées en acier inoxydable qui mesurent jusqu'à 1,25 pouce d'épaisseur. Il a été mentionné que nos nombres de ferrite sont faibles. Pouvez-vous expliquer ce que c'est et comment corriger le problème ?

R : C'est une excellente question. Et oui, nous pouvons vous aider à comprendre ce que signifie avoir un faible nombre de ferrite et comment l'éviter.

Examinons d'abord ce qui définit un acier inoxydable (SS), puis comment la ferrite est liée aux joints soudés. Les aciers et alliages ferreux contiennent plus de 50 % de fer. Cela inclut tous les aciers au carbone et inoxydables ainsi que d'autres groupes définis. L'aluminium, le cuivre et le titane ne contiennent pas de fer, ce sont donc d'excellents exemples d'alliages non ferreux.

Le principal constituant de l'alliage est une teneur en fer d'au moins 90 % pour l'acier au carbone et de 70 à 80 % pour l'acier inoxydable. Pour être classé comme SS, il doit avoir un minimum de 11,5% de chrome ajouté. Une teneur en chrome supérieure à ce seuil minimum favorise la formation d'un film d'oxyde de chrome à la surface de l'acier et empêche la formation d'oxydation, comme la rouille (oxyde de fer), ou la corrosion due à une attaque chimique.

Il existe trois principaux groupes de SS : austénitique, ferritique et martensitique. Leurs noms sont dérivés des structures cristallines à température ambiante qui les composent. Un autre groupe courant est le duplex SS, qui est un équilibre entre la ferrite et l'austénite dans la structure cristalline.

Les nuances austénitiques, qui sont de la série 300, contiennent 16 à 30 % de chrome et 8 à 40 % de nickel, formant une structure cristalline austénitique dominante. Pour favoriser la formation d'un rapport austénite-ferrite, des stabilisants tels que le nickel, le carbone, le manganèse et l'azote sont ajoutés au cours du processus de fabrication de l'acier. Certaines qualités courantes sont 304, 316 et 347. Ce groupe est non magnétique ; offre une bonne résistance à la corrosion; et est principalement utilisé dans les applications alimentaires, chimiques, pharmaceutiques et cryogéniques. Le contrôle de la formation de ferrite offre une ténacité supérieure à froid.

Les aciers inoxydables ferritiques, les nuances de la série 400, sont entièrement magnétiques et contiennent 11,5 à 30 % de chrome avec la structure cristalline primaire sous forme de ferrite. Pour favoriser la formation de ferrite, les stabilisants comprennent le chrome, le silicium, le molybdène et le niobium lors de la production d'acier. Ces types de SS sont couramment utilisés pour les systèmes d'échappement automobiles et les centrales électriques et ont une application limitée à température élevée. Quelques types couramment utilisés sont 405, 409, 430 et 446.

Les nuances martensitiques, également identifiées par la série 400 telles que 403, 410 et 440, sont magnétiques, contiennent 11,5 à 18 % de chrome et ont de la martensite comme structure cristalline. Ce groupe contient la plus faible quantité d'alliage, ce qui en fait le moins cher à produire. Ils offrent une certaine résistance à la corrosion; excellente résistance; et sont généralement utilisés pour les couverts, les équipements dentaires et chirurgicaux, les ustensiles de cuisine et certains types d'outils.

Lorsque vous soudez SS, le type de matériau de base et son application en service détermineront le métal d'apport approprié à utiliser. Si vous utilisez un procédé sous protection gazeuse, vous devrez peut-être porter une attention particulière au mélange de gaz de protection pour éviter certains problèmes liés à la soudure.

Pour souder 304 à lui-même, vous voudrez utiliser une électrode E308/308L. L'indicateur "L" représente une faible teneur en carbone, ce qui peut aider à prévenir la corrosion intergranulaire. Ces électrodes ont une teneur en carbone inférieure à 0,03 % ; tout ce qui est supérieur à cela augmentera le risque de précipitation du carbone aux joints de grains et de liaison avec le chrome pour former des carbures de chrome, ce qui réduit efficacement la résistance à la corrosion de l'acier. Cela peut devenir apparent s'il y a de la corrosion dans la zone affectée par la chaleur (HAZ) d'un joint soudé SS. Une autre considération avec le grade L SS est qu'ils ont une résistance à la traction inférieure à des températures de service élevées par rapport au grade SS droit.

Étant donné que le 304 est un type austénitique d'acier inoxydable, le métal fondu correspondant contiendra une majorité d'austénite. Cependant, l'électrode de soudage elle-même contiendra des stabilisants de ferrite, tels que le molybdène, pour favoriser la formation de ferrite dans le métal de soudure. Le fabricant répertorie généralement une plage de numéros de ferrite typique du métal soudé. Comme mentionné précédemment, le carbone est un puissant stabilisant de l'austénite et, pour ces raisons, il est essentiel d'empêcher l'ajout de carbone au métal fondu.

Les nombres de ferrite sont dérivés du diagramme de Schaeffler et du diagramme WRC -1992 qui utilisent des formules d'équivalence de nickel et de chrome pour calculer les valeurs, qui, lorsqu'elles sont tracées sur les diagrammes, produisent un nombre normalisé. Les nombres de ferrite entre 0 et 7 correspondent au pourcentage volumique de structure cristalline de ferrite présente dans le métal fondu ; cependant, à des pourcentages plus élevés, le nombre de ferrite augmente à un rythme plus rapide. Gardez à l'esprit que la ferrite dans SS n'est pas la même que la ferrite en acier au carbone, mais qu'il s'agit plutôt d'une phase connue sous le nom de delta-ferrite. Le SS austénitique n'a pas de changements de phase associés aux processus à haute température tels que le traitement thermique.

La formation de ferrite est souhaitable car elle est plus ductile que l'austénite, mais elle doit être contrôlée. De faibles nombres de ferrite peuvent produire une soudure qui a une résistance à la corrosion supérieure dans certaines applications, mais qui est très sensible à la fissuration à chaud pendant le soudage. L'indice de ferrite doit être compris entre 5 et 10 pour les conditions générales de service, mais des valeurs inférieures ou supérieures peuvent être souhaitées pour certaines applications. La ferrite peut être facilement vérifiée sur le terrain à l'aide d'un indicateur de ferrite.

Puisque vous avez mentionné que vous rencontrez des problèmes de fissuration et un faible nombre de ferrites, vous voudrez examiner de près votre métal d'apport et vous assurer qu'il produit un nombre de ferrite adéquat - quelque chose autour de 8 devrait aider. De plus, si vous soudez à l'arc avec noyau de flux (FCAW), ces métaux d'apport utilisent généralement un gaz de protection à 100 % de dioxyde de carbone ou un mélange de 75 % d'argon et de 25 % de CO2, ce qui peut entraîner une accumulation de carbone dans le métal soudé. Vous voudrez peut-être passer à un procédé de soudage à l'arc sous gaz et métal (GMAW) et utiliser un mélange à 98 % d'argon et 2 % d'oxygène pour réduire la possibilité d'absorption de carbone.

Pour souder l'acier inoxydable à l'acier au carbone, vous devrez utiliser un matériau d'apport E309L. Ce métal d'apport est spécialement formulé pour souder des métaux différents, offrant une certaine quantité de formation de ferrite après la dilution de l'acier au carbone dans la soudure. Puisqu'il y aura une certaine absorption de carbone de l'acier au carbone, des stabilisants de ferrite sont ajoutés au métal d'apport pour contrer la tendance du carbone à former de l'austénite. Cela aidera à prévenir la fissuration à chaud pendant les applications de soudage.

Pour résumer, si vous essayez d'éliminer la fissuration à chaud sur les joints soudés en acier inoxydable austénitique, vérifiez un métal d'apport à indice de ferrite adéquat et suivez les bonnes pratiques de soudage. Maintenez votre apport de chaleur en dessous de 50 kJ/pouce, maintenez une température entre passes modérée à basse et assurez-vous que les joints de soudure sont exempts de tout contaminant avant le soudage. Vérifiez le numéro de ferrite sur les joints soudés à l'aide de jauges appropriées avec une cible de 5 à 10.