Q : Nous avons récemment commencé des travaux nécessitant la fabrication de composants principalement en acier inoxydable 304, soudé entre eux et à l'acier doux. Nous avons constaté des problèmes de fissuration de soudures entre aciers inoxydables jusqu'à 3,1 cm d'épaisseur. Il a été signalé que nous présentions de faibles niveaux de ferrite. Pouvez-vous nous expliquer ce problème et comment y remédier ?
R : C'est une bonne question. Oui, nous pouvons vous aider à comprendre ce qu'est un faible taux de ferrite et comment l'éviter.
Commençons par examiner la définition de l'acier inoxydable (SS) et le lien entre la ferrite et les joints soudés. L'acier noir et ses alliages contiennent plus de 50 % de fer. Cela inclut tous les aciers au carbone et inoxydables, ainsi que certains autres groupes. L'aluminium, le cuivre et le titane ne contiennent pas de fer ; ce sont donc d'excellents exemples d'alliages non ferreux.
Les principaux composants de cet alliage sont l'acier au carbone contenant au moins 90 % de fer et l'acier inoxydable contenant entre 70 et 80 % de fer. Pour être classé comme acier inoxydable, il doit contenir au moins 11,5 % de chrome ajouté. Des teneurs en chrome supérieures à ce seuil minimum favorisent la formation d'un film d'oxyde de chrome sur les surfaces en acier et préviennent la formation d'oxydations telles que la rouille (oxyde de fer) ou la corrosion par attaque chimique.
L'acier inoxydable est principalement divisé en trois groupes : austénitique, ferritique et martensitique. Leur nom vient de la structure cristalline qui les compose à température ambiante. Un autre groupe courant est l'acier inoxydable duplex, dont la structure cristalline est équilibrée entre ferrite et austénite.
Les nuances austénitiques de la série 300 contiennent de 16 à 30 % de chrome et de 8 à 40 % de nickel, formant une structure cristalline majoritairement austénitique. Des stabilisants tels que le nickel, le carbone, le manganèse et l'azote sont ajoutés lors de l'élaboration de l'acier pour favoriser le rapport austénite-ferrite. Parmi les nuances courantes, on trouve les nuances 304, 316 et 347. Elles offrent une bonne résistance à la corrosion ; elles sont principalement utilisées dans les industries agroalimentaire, chimique, pharmaceutique et cryogénique. Le contrôle de la formation de ferrite assure une excellente ténacité à basse température.
L'acier inoxydable ferritique est une nuance de la série 400, entièrement magnétique, contenant de 11,5 % à 30 % de chrome et possédant une structure cristalline principalement ferritique. Pour favoriser la formation de ferrite, des stabilisants tels que le chrome, le silicium, le molybdène et le niobium sont utilisés lors de la production de l'acier. Ces types d'aciers inoxydables sont couramment utilisés dans les systèmes d'échappement et les groupes motopropulseurs automobiles, et leurs applications à haute température sont limitées. Parmi les types couramment utilisés : 405, 409, 430 et 446.
Les nuances martensitiques, également appelées série 400, comme les nuances 403, 410 et 440, sont magnétiques, contiennent de 11,5 % à 18 % de chrome et présentent une structure cristalline martensitique. Cette combinaison présente la plus faible teneur en or, ce qui en fait la plus économique à produire. Elles offrent une certaine résistance à la corrosion et une résistance supérieure, et sont couramment utilisées dans la vaisselle, le matériel dentaire et chirurgical, les ustensiles de cuisine et certains types d'outils.
Lors du soudage de l'acier inoxydable, le type de substrat et son application détermineront le métal d'apport approprié à utiliser. Si vous utilisez un procédé sous gaz de protection, une attention particulière aux mélanges de gaz de protection peut être nécessaire afin d'éviter certains problèmes liés au soudage.
Pour souder l'acier 304 sur lui-même, vous aurez besoin d'une électrode E308/308L. « L » signifie « faible teneur en carbone », ce qui contribue à prévenir la corrosion intergranulaire. La teneur en carbone de ces électrodes est inférieure à 0,03 %. Au-delà, le risque de dépôt de carbone aux joints de grains et de liaison du chrome pour former des carbures de chrome augmente, ce qui réduit la résistance à la corrosion de l'acier. Ce phénomène se manifeste par la corrosion dans la zone affectée thermiquement (ZAT) des soudures en acier inoxydable. Un autre point à considérer concernant l'acier inoxydable de nuance L est sa résistance à la traction inférieure à celle des nuances d'acier inoxydable standard à des températures de fonctionnement élevées.
L'acier inoxydable 304 étant un acier inoxydable austénitique, le métal d'apport correspondant contiendra la majeure partie de l'austénite. Cependant, l'électrode elle-même contiendra un stabilisant de ferrite, tel que le molybdène, pour favoriser la formation de ferrite dans le métal d'apport. Les fabricants indiquent généralement une plage de teneur typique en ferrite pour un métal d'apport. Comme indiqué précédemment, le carbone est un puissant stabilisant austénitique ; il est donc essentiel d'éviter son ajout au métal d'apport.
Les indices de ferrite sont dérivés du diagramme de Scheffler et du diagramme WRC-1992, qui utilisent les formules d'équivalence nickel et chrome pour calculer la valeur qui, une fois reportée sur le diagramme, donne un nombre normalisé. Un indice de ferrite compris entre 0 et 7 correspond au pourcentage volumique de structure cristalline ferritique présente dans le métal fondu. Cependant, à des pourcentages plus élevés, l'indice de ferrite augmente plus rapidement. Il est à noter que la ferrite dans l'acier inoxydable n'est pas identique à la ferrite de l'acier au carbone, mais une phase appelée ferrite delta. L'acier inoxydable austénitique ne subit pas les transformations de phase associées aux procédés 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. La faible teneur en ferrite confère aux soudures une excellente résistance à la corrosion dans certaines applications, mais elles sont extrêmement sujettes aux fissures à chaud pendant le soudage. Pour une utilisation générale, le nombre de ferrites doit être compris entre 5 et 10, mais certaines applications peuvent nécessiter des valeurs inférieures ou supérieures. Les ferrites peuvent être facilement vérifiées sur le lieu de travail à l'aide d'un indicateur de ferrite.
Puisque vous avez mentionné des problèmes de fissuration et de faible teneur en ferrite, vous devriez examiner attentivement votre métal d'apport et vous assurer qu'il produit suffisamment de ferrites ; environ 8 ferrites devraient suffire. De plus, si vous utilisez le soudage à l'arc avec fil fourré (FCAW), ces métaux d'apport utilisent généralement un gaz de protection composé à 100 % de dioxyde de carbone ou d'un mélange de 75 % d'argon et 25 % de CO₂, ce qui peut entraîner une absorption de carbone par le métal d'apport. Vous pouvez passer au soudage à l'arc avec électrode enrobée (GMAW) et utiliser un mélange de 98 % d'argon et 2 % d'oxygène pour réduire les risques de dépôts de carbone.
Lors du soudage de l'acier inoxydable sur l'acier au carbone, il est nécessaire d'utiliser le métal d'apport E309L. Ce métal d'apport est spécialement utilisé pour le soudage de métaux différents. Il forme une certaine quantité de ferrite après dissolution de l'acier au carbone dans la soudure. L'acier au carbone absorbant une partie du carbone, des stabilisateurs de ferrite sont ajoutés au métal d'apport pour contrer la tendance du carbone à former de l'austénite. Cela permet d'éviter les fissures thermiques pendant le soudage.
En conclusion, si vous souhaitez réparer des fissures chaudes dans des soudures en acier inoxydable austénitique, vérifiez la présence d'un apport de ferrite suffisant et respectez les bonnes pratiques de soudage. Maintenez un apport de chaleur inférieur à 50 kJ/po, maintenez des températures entre passes modérées à basses et assurez-vous que les joints de soudure sont propres avant le soudage. Utilisez une jauge appropriée pour vérifier la quantité de ferrite sur la soudure, en visant 5 à 10.
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