Tuyau en acier inoxydable 15-5PH

Tuyau en acier inoxydable 15-5PHest l'acier inoxydable à durcissement par précipitation que les ingénieurs spécifient lorsqu'un composant doit supporter une charge de plus de 1 000 MPa tout en survivant aux chocs, aux vibrations et aux milieux de traitement contenant du chlorure. L'alliage, UNS S15500, est le descendant direct du 17-4PH - même conception chrome-nickel-cuivre, même traitement thermique de vieillissement en une étape, même matrice martensitique - mais il a été conçu pour combler la seule faiblesse de l'ancienne nuance : la ténacité à travers l'épaisseur.

En quoi le 15-5PH diffère du 17-4PH

La relation familiale est importante car la plupart des acheteurs arrivent entre 15-5PH et 17-4PH. Les deux alliages sont martensitiques à l'état recuit et sont renforcés par un vieillissement qui précipite une phase riche en cuivre ; les deux sont couverts par la même spécification de barre ASTM A564 et se comportent de manière identique en atelier.

 

La différence réside dans le contrôle métallurgique : le 15-5PH est fabriqué avec un équilibre serré d'éléments formant de la ferrite et d'austénite, de sorte que la ferrite delta soit essentiellement éliminée, et la masse fondue est généralement raffinée par refusion sous laitier électrolytique (ESR) pour contrôler la taille et la forme des inclusions.

 

Le résultat est une ténacité nettement meilleure dans la direction transversale courte - la direction qui compte dans les sections épaisses, les pièces sous pression et les fixations fortement chargées - et des propriétés plus uniformes dans toute la section transversale.

 

Pour les tuyaux et tubes utilisés dans des applications hydrauliques ou d'instrumentation à haute pression, cette réserve de ténacité est la raison pour laquelle il faut payer la prime supérieure au 17-4PH.

 

Composition chimique selon ASTM A564 / AMS 5659

Les limites de composition ci-dessous suivent la norme ASTM A564 pour les barres, fils et formes UNS S15500, et l'AMS 5659 pour les barres, les pièces forgées, les tubes et les anneaux. Le fer est l'élément d'équilibre.

 

Élément	Limite de composition, %
C	0.07 max
Mn	1.00 max
P	0.040 max
S	0.030 max
Si	1.00 max
Cr	14.00 - 15.50
Ni	3.50 - 5.50
Cu	2.50 - 4.50
Nb + Ta	0.15 - 0.45
Fe	Équilibre

 

Trois rangées portent l'histoire de l'ingénierie. La rangée de chrome à 14,00-15,50 % confère à l'alliage une résistance à la corrosion comparable à celle du type 304 dans la plupart des milieux, ce qui est bien supérieur aux qualités durcissables de la série 400.

 

La rangée de cuivre à 2,50-4,50 % est celle qui forme la précipitation : le traitement thermique de vieillissement précipite une phase riche en cuivre dans la matrice martensite, et c'est ce précipité qui augmente le rendement d'environ 760 MPa à l'état recuit à plus de 1 170 MPa à H900.

 

La rangée de columbium à 0,15-0,45 % est le stabilisant : le niobium se combine avec le carbone, de sorte que l'alliage résiste à la sensibilisation dans la plage de vieillissement et conserve sa ténacité après le soudage. Le nickel à 3,50-5,50 % est ce qui supprime la ferrite delta et donne à l'alliage son avantage en termes de ténacité dans l'épaisseur par rapport au 17-4PH.

 

La matrice de traitement thermique : un alliage, six jeux de propriétés

Le 15-5PH est livré à l'état recuit - solution traitée thermiquement à environ 1 038-1 066 degrés et refroidi - et les propriétés mécaniques sont ensuite définies par une seule étape de vieillissement. Le code de traitement thermique indiqué dans la spécification indique au fabricant exactement quel cycle de vieillissement exécuter, et chaque code est un échange délibéré entre résistance et ténacité.

 

Condition	Cycle de vieillissement	Rendement de 0,2 %, MPa (ksi) min	Traction, MPa (ksi) min	Dureté, HRC
État A	Comme solution recuite	760 (110) typ.	1030 (150) typ.	33 typ.
H900	482 degrés, 1 h, air frais	1170 (170)	1310 (190)	40 - 47
H925	496 degrés, 4 h, air frais	1070 (155)	1170 (170)	38 - 45
H1025	552 degrés, 4 h, air frais	1000 (145)	1070 (155)	35 - 42
H1075	579 degrés, 4 h, air frais	860 (125)	1000 (145)	33 - 39
H1100	593 degrés, 4 h, air frais	790 (115)	965 (140)	32 - 38
H1150	621 degrés, 4 h, air frais	725 (105)	930 (135)	28 - 37

 

L'ordre de lecture du tableau est la décision d'achat. Le H900 offre une résistance maximale, légèrement supérieure à 1 300 MPa en traction, et constitue le choix pour les tâches structurelles et d'arbres où la charge domine.

 

H1025 est la condition équilibrée : rendement supérieur à 1 000 MPa avec une bonne ductilité et la spécification la plus courante pour les pièces sous pression et l’ingénierie générale. H1150 est l'état de survieilli, sélectionné lorsque le composant fonctionne en service de chlorure où la martensite de résistance maximale est susceptible de se fissurer par corrosion sous contrainte - la règle est de vieillir à la température la plus élevée qui répond toujours aux exigences de résistance.

 

La condition A recuite ne doit pas être mise en service : la martensite non revenue est dure, cassante et sensible à la fissuration par l'hydrogène et les chlorures jusqu'à ce qu'elle reçoive son traitement de vieillissement.

 

Propriétés physiques

Le 15-5PH est fortement ferromagnétique dans toutes les conditions, ce qui le distingue des qualités austénitiques et est important pour les instruments et les solénoïdes de vannes. La densité va de 7,75 g/cm³ à l'état recuit à environ 7,86 g/cm³ à l'état de survieillissement, et le module d'élasticité est d'environ 196 GPa (28,5 x 10⁶ psi) dans toutes les conditions de traitement thermique.

 

Propriété	Valeur
Densité	7.75 - 7.86 g/cm³ (par condition)
Module d'élasticité	196 GPa (environ)
Perméabilité magnétique	Fortement ferromagnétique, toutes conditions
Plage de fusion	1400 - 1440 diplôme (environ)
Résistivité électrique	77 - 98 microhm-cm (par condition)

 

Tailles de tuyaux et formes de livraison

15-5PH est une nuance martensitique spéciale, et ses formes de tuyaux et de tubes sont fournies conformément aux spécifications de corroyage, généralement avec les propriétés mécaniques de l'ASTM A564 et la discipline dimensionnelle du processus d'étirage des tubes. L'enveloppe suivante est standard :

 

Paramètre	Gamme
Diamètre extérieur	6,0 mm à 168,3 mm (NPS plus petit sur demande)
Épaisseur de paroi	0,5 mm à 12,7 mm ; murs plus lourds sur demande
Longueur	Fixe 3 m / 6 m / 12 m, ou coupé à longueur
État de livraison	Condition A (solution recuite), prête au vieillissement
Surface	Meulé sans centre, étiré ou décapé par application
Rectitude	Tolérance étroite pour l’utilisation hydraulique et d’arbre

 

Étant donné que le traitement thermique de vieillissement est presque toujours effectué après l'usinage et le soudage, la demande doit indiquer si le tuyau est requis dans la condition A pour un vieillissement en interne ou s'il est pré-vieilli dans une condition H spécifiée. Dans les chaînes d'approvisionnement de l'aérospatiale et de la défense, le 15-5PH est fréquemment acheté dans la condition A et vieilli par le fabricant de composants, ce qui maintient l'usinage effectué dans des conditions douces et les propriétés finales définies en fin de ligne.

 

Applications typiques

La combinaison charge-ténacité du 15-5PH est spécifiée pour les tâches suivantes :

 

Application	Pourquoi 15-5PH est utilisé
Actionneurs, raccords et composants de train d'atterrissage pour l'aérospatiale	Haute résistance avec une ténacité élevée
Arbres de pompe et roues	Résistance à la fatigue dans la gamme H900-H1025
Tiges, sièges et garnitures de soupapes dans le secteur du pétrole et du gaz	Résistance et résistance modérée au chlorure
Fixations et raccords nucléaires et marins	Ténacité et inspectabilité à travers l’épaisseur
Tubes hydrauliques haute pression	Rendement supérieur à 1 000 MPa dans des parois minces
Pièces détachées pour machines à papier et produits chimiques	Résistance à l'usure avec résistance à la corrosion de classe 304

 

Soudure et fabrication

Soudures 15-5PH par les méthodes conventionnelles au gaz inerte utilisées pour les qualités inoxydables, sans préchauffage normalement requis. Les deux choix de mastic produisent deux joints différents. Avec un enduit correspondant de la famille 15-5PH, la soudure répond au traitement de vieillissement post-soudage et développe des propriétés comparables au métal de base ; c'est la voie à suivre pour les joints porteurs.

 

Avec une charge austénitique non adaptée telle que le 308L, la soudure est ductile et ne durcit pas par précipitation, ce qui est le cas lorsque la résistance de la soudure est secondaire. Pour les soudures à passes multiples, un recuit de mise en solution avant le traitement de vieillissement final égalise les effets du cycle thermique sur la région de soudure et produit les propriétés les plus uniformes. Après le soudage, la pratique standard consiste à exécuter le cycle de vieillissement choisi - le plus souvent H1025 ou H1150 - et à vérifier la dureté du composant fini.

 

Que préciser sur la commande

Les erreurs de spécification sur les commandes 15-5PH concernent généralement l'état, et la demande doit donc préciser ce qui suit :

 

• Grade et norme : "UNS S15500, selon ASTM A564" ou "selon AMS 5659" pour les barres et les tubes
• Condition : Condition A (recuit en solution) pour le vieillissement en interne, ou condition H finie
• Code de traitement thermique où vieilli : H900 / H925 / H1025 / H1075 / H1100 / H1150
• Dimensions : OD x paroi en millimètres, longueur et finition de surface
• Certificat : EN 10204 3.1 avec chimie thermique, résultats de traction recuite et dureté ; indiquer le code de vieillissement dans le bon de commande

 

Le 15-5PH est spécifié lorsque la conception nécessite la résistance d'un alliage trempé et la réserve de ténacité que le 17-4PH ne peut pas garantir dans le sens transversal court. La décision d'achat est la décision relative aux conditions : nommez la norme, nommez le code de vieillissement, et le tuyau livré supportera la charge et survivra à l'impact que suppose le dessin.

 

 

 

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