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2.1. L’ACIER INOXYDABLE LEAN DUPLEX S32304
Cette partie est dédiée à l’acier inoxydable lean duplex UNS S32304, objet principal des
travaux menés pendant cette thèse. Etant donné qu’il s’agit d’un matériau industriel, son processus
de fabrication est présenté. Les caractérisations de sa microstructure et de son comportement
mécanique décrivent en détail la nature du matériau.
2.1.1. ELABORATION INDUSTRIELLE
L’acier inoxydable lean duplex S32304 constitue une des nuances de type duplex produites
par Aperam. Malgré le fait qu’il s’agisse d’un acier biphasé, les grandes lignes de son processus de
production sont similaires à celles des aciers monophasés. Un schéma générique de la production
des aciers inoxydable est présenté en Figure 2.1. La matière première, qui consiste en grande partie
de ferraille, est d’abord fondue dans un four à arc électrique. Après un passage par le convertisseur,
où la teneur en carbone est diminuée et d’autres impuretés enlevées, la composition chimique est
ajustée par ajouts d’éléments d’alliage. L’acier est alors coulé par un procédé appelé « coulée
continue ». Cette méthode permet la fabrication d’acier de façon ininterrompue, qui après
refroidissement et découpe, mène à l’obtention de « brames ».
La brame d’acier ainsi produite (dimensions 200 x 1500 x 8000 mm
3, environ 20 à 25 tonnes),
est ensuite réchauffée entre 1200°C et 1300°C puis laminée à chaud. Cette première étape de
laminage permet de réduire son épaisseur jusqu’à 2.5 mm au minimum. Après cette étape, l’acier
peut déjà être enroulé sous forme de bobine (la tôle a une longueur comprise entre 1000 et 2000 m).
Cette bobine est souvent appelée « coil noir », coil signifiant bobine en anglais. S’il est dit noir, c’est
parce que, pendant le réchauffage et laminage à chaud, il y formation d’un couche épaisse d’oxyde à
la surface du métal, de couleur foncée. Le coil noir subit ensuite son premier recuit dans le but de
restaurer les propriétés mécaniques affectées par le laminage puis la couche d’oxyde est enlevée.
Cela est réalisé d’abord de façon mécanique par grenaillage puis par un décapage en bain acide.
Après lavage et séchage, une bobine appelée « HRAP » (Hot Rolled Annealed and Pickeld) est
obtenue. Sa surface est propre (absence d’oxyde) et elle peut être déjà employée pour des
applications nécessitant des tôles d’épaisseurs importantes.
La bobine HRAP peut aussi poursuivre le processus de fabrication afin d’être transformée en
tôle de fine épaisseur. Pour cela, elle est soumise à un laminage à froid, qui permet une réduction
d’épaisseur jusqu’à 0,5 mm au maximum. Etant donné que cette étape implique une déformation
plastique importante du matériau, l’acier est fortement écroui et doit donc être recristallisé. Un
nouveau recuit est donc réalisé, suivi d’un nouveau décapage. Cela mène à une bobine « LAFRD »
(Laminé à Froid, Recuit, Décapé). Même si cette bobine peut être vendue telle quelle, l’état de
surface de la tôle doit parfois être adapté aux différents applications. Plusieurs procédés existent, et
donnent des résultats d’aspect de surface très variés. Dans le cas de la bobine d’acier utilisée dans
cette thèse, un procédé appelé « Skinpass » a été employé. Il consiste à laminer à froid légèrement la
surface de la tôle, de façon à réduire la rugosité. Le produit obtenu est appelé un « 2B », et présente
un aspect adapté à des applications demandant une surface relativement peu rugueuse mais de
brillance limitée.
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Figure 2.1 : Schéma générique du processus de fabrication des aciers inoxydables à Aperam, à partir de la matière première jusqu’à l’obtention d’une bobine de tôle de fine épaisseur et un état de surface « 2B »
Dans le cas spécifique de la bobine dans laquelle les échantillons utilisés au cours de cette
thèse ont été prélevés, les conditions de certaines étapes méritent d’être précisées. Ainsi le laminage
à chaud a entraîné une première réduction de l’épaisseur de 98%. Le premier recuit qui a permis de
régler la répartition des phases, à été effectué entre 1000 °C et 1100 °C. Le laminage à froid a
consisté en un laminage « 2 traits », c'est-à-dire en deux étapes : une première réduction de 39%,
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suivi d’une opération de recuit intermédiaire, puis une deuxième réduction de 57%. L’épaisseur
finale de la tôle était de 1,1 millimètre. Le processus a été conclu par un recuit final entre 1000°C et
1080°C pendant environ 100 s et un décapage. La composition chimique finale de la bobine d’acier
S32304 utilisée au cours de cette étude est donnée en Tableau 2.1.
Tableau 2.1 : Composition chimique (principaux éléments) de l'acier inoxydable lean duplex S32304
Cr (%) Ni (%) Mn (%) Mo (%) Si (%) N (ppm) C (ppm) Fe
23,4 4,7 1,5 0,5 0,5 920 160 Bal.
Il est important de souligner que, dans le cas des aciers inoxydables duplex, c’est au cours de
la fabrication que la microstructure biphasée est formée. Comme le montre le diagramme de la
Figure 2.2, il existe une plage de température et composition chimique pour un alliage à base de fer
pour laquelle ferrite et austénitique coexistent. Ainsi, en partant du liquide à haute température,
l’alliage se solidifie entièrement sous forme de ferrite avant que l’austénite ne se forme lors du
refroidissement. Celle-ci germe au niveau des joints de grains de la ferrite, et croît à partir de ces
endroits sous forme d’aiguilles dites de « Widmanstätten » (image c - Figure 2.2). Ces phénomènes
ont lieu pendant le refroidissement de la brame. Pendant le laminage à chaud, cette microstructure
sera déformée plastiquement, pour former des bandes alternées de ferrite et d’austénite. Les étapes
postérieures de recuit et laminage à froid permettent d’affiner encore la microstructure et
d’atteindre un taux de ferrite proche de 50%, qui dans le cas du matériau final est caractérisée par la
présence de « nappes » fines de ferrite et d’austénite de façon alternée.
Figure 2.2 : Origine de la microstructure biphasée dans les aciers inoxydables duplex : (a) à haute température l’acier est entièrement ferritique (ici phase δ) ; (b) pendant le refroidissement, l’austénite (γ) précipite aux joints de grains ferritiques ; (c) microstructure finale après coulée, présentant des aiguilles de
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Influence de la déformation plastique sur la résistance à la corrosion de l'acier inoxydable lean duplex UNS S32304
(Page 90-94)