Acier inoxydable 321H (UNS S32109) : qualité stabilisée au titane à haute teneur en carbone pour un service à température élevée

Le 321H appartient à la famille des austénitiques stabilisés au titane. Le suffixe H désigne une plage de carbone contrôlée de 0,04 à 0,10 %, ce qui est supérieur au maximum de 0,08 % de la norme 321. Le carbone supplémentaire se combine avec le titane pour former davantage de carbures de titane, et ces carbures limitent le glissement des limites des grains à température élevée, augmentant la résistance au fluage et la durée de vie en cas de rupture de contrainte.. 321H est donc spécifié là où les pièces soudées ou formées à froid doivent supporter une charge à 800-900 degrés. Désignations : UNS S32109, ASTM A240 Type 321H, ASTM A213 TP321H, JIS SUS321H, héritage DIN X10CrNiTi18-10. Dans la norme EN 10088, la qualité standard la plus proche est 1.4541 (X6CrNiTi18-10), qui couvre la composition de base 321.

Composition chimique selon ASTM A240

Les limites ci-dessous s'appliquent aux plaques, feuilles et bandes selon ASTM A240 Type 321H ; la forme tubulaire TP321H selon ASTM A213 répond aux mêmes exigences.

Propriétés mécaniques

À l'état recuit, le 321H répond aux mêmes propriétés minimales à température ambiante que le 321.

L'avantage du 321H apparaît à la température : des carbures de titane plus fins et plus nombreux augmentent la limite d'élasticité à 850 degrés d'environ 15 à 20 % par rapport au 321 et améliorent la durée de vie à la rupture sous contrainte à 800 à 900 degrés, ce qui est la base de son utilisation dans les tubes de surchauffeur et de réchauffeur de chaudière.

Performances à haute température

Le 321H est utilisé pour un service continu jusqu'à environ 900 degrés dans des atmosphères oxydantes et légèrement corrosives, entre 321 à environ 870 degrés et 309S à environ 980 degrés. Les codes de conception traitent la désignation H différemment de la nuance de base : les règles relatives aux appareils sous pression autorisent le 321H à des températures plus élevées que le 321 car ses données de fluage sont documentées et ses carbures restent stables. À 850 degrés, le 321H présente une déformation par fluage nettement inférieure à celle du 321 pour la même contrainte et la même durée, c'est pourquoi les tubes de surchauffeur dans cette plage sont régulièrement spécifiés sous le nom de TP321H. La stabilisation du titane préserve également la résistance à la corrosion intergranulaire après le soudage, car la teneur en titane est réduite au carbone à 5 × C minimum, de sorte qu'aucune zone appauvrie en chrome ne se forme aux limites des grains.

Fabrication et soudure

Le 321H se soude selon les mêmes procédés que le 321, mais la teneur en carbone plus élevée exige de la discipline. Utiliser une charge stabilisée adaptée, comme une charge au titane pour le 321H, car une charge non stabilisée réintroduit le risque de sensibilisation ; maintenir l'apport de chaleur faible et la température entre les passes en dessous d'environ 150 degrés ; et nettoyez soigneusement les surfaces des joints car le titane s'oxyde facilement et se perd dans le bain de soudure. Le pliage nécessite plus de force que le 321 en raison de la limite d'élasticité plus élevée, et les pièces fortement formées à froid doivent être recuites avant un service à haute température. L'usinage se déroule environ 10 à 15 % plus lentement que le 321 en raison de la dureté plus élevée, et un outillage en carbure est recommandé. Un recuit post-fabrication à environ 950-1120 degrés suivi d'un refroidissement rapide restaure la pleine ductilité et les performances de fluage.

Candidatures et sélection

Les composants typiques du 321H sont les tubes de surchauffeur et de réchauffeur de chaudière, les conduites de vapeur, les composants internes de la turbine, les éléments de four robustes, les soufflets d'expansion et toute pièce soudée qui subit des contraintes à 800-900 degrés. Conseils de sélection : utilisez la norme 321 en dessous d'environ 870 degrés lorsque les contraintes sont faibles et que le coût compte ; utilisez 321H où la pièce doit supporter une charge à 800-900 degrés ; et considérez le 347H où une résistance au fluage et une stabilité du carbure de niobium encore plus élevées sont requises, ou le 309S/310S où la résistance à l'entartrage au-dessus de 900-1000 degrés domine. Dans les atmosphères de combustion riches en soufre, les qualités stabilisées au titane sont généralement préférées aux qualités stabilisées au niobium, car le niobium peut former des sulfures cassants.

Foire aux questions

Q1 : Pourquoi une teneur plus élevée en carbone améliore-t-elle le 321H à haute température ?A1 : Les 0,04 à 0,10 % de carbone réagissent avec le titane pour former plus de carbures de titane que dans le 321. Ces carbures fins fixent les limites des grains et ralentissent la diffusion atomique qui entraîne le fluage, augmentant la limite d'élasticité à 850 degrés d'environ 15 à 20 % et prolongeant la durée de vie de rupture sous contrainte.

Q2 : Le 321H conserve-t-il la résistance à la corrosion du 321 ?R2 : Oui. Le titane est spécifié à 5 × C minimum, donc pour 0,10 % de carbone, le titane minimum est de 0,50 %, ce qui lie essentiellement tout le carbone et empêche les zones appauvries en chrome. Résistance à la corrosion intergranulaire après soudage des allumettes 321.

Q3 : Quelle est la température de service maximale de 321 H ?A3 : Le service continu est généralement limité à environ 900 degrés dans des atmosphères oxydantes. Entre 870 degrés et 900 degrés, le 321H est préféré au 321 pour les pièces porteuses ; au-dessus de 900 degrés, considérez 309S, 310S ou 347H en fonction du stress et de l'atmosphère.

Q4 : Comment le 321H est-il soudé ?A4 : Par GTAW, GMAW ou SMAW avec charge stabilisée au titane, faible apport de chaleur, température entre passes inférieure à environ 150 degrés et faces de joint propres. Aucun traitement thermique après soudage n’est requis pour la résistance à la corrosion.

Q5 : Quel est l’équivalent EN du 321H ?A5 : EN 10088 ne définit pas de grade H ; le grade EN 10088 le plus proche est 1.4541 (X6CrNiTi18-10), qui correspond à la norme 321. La désignation H existe dans ASTM A240, ASTM A213, ASME SA-240 et SA-213, et dans JIS sous le nom de SUS321H.

Q6 : Quand dois-je choisir 321H au lieu de 347H ?A6 : Choisissez 321H pour un service porteur de 800 à 900 degrés où le coût compte et où le soudage est simple ; Le 321H est généralement moins cher que le 347H. Choisissez le 347H pour lequel la résistance maximale au fluage et la stabilité du carbure de niobium justifient un prix plus élevé, et notez que le 321H est généralement préféré dans les atmosphères riches en soufre.