Aciers inoxydables austénitiques : guide détaillé

En tant que métallurgiste ou ingénieur mécanicien, il est essentiel de bien comprendre les avantages et les limites des aciers inoxydables austénitiques avant de les choisir pour vos applications. Un choix mal informé peut engendrer des coûts plus élevés liés à des matériaux inadaptés à vos besoins. Cet article vous guidera pas à pas dans la résolution de ces problèmes en expliquant la nature des aciers inoxydables austénitiques, leurs applications et leurs propriétés spécifiques.

Qu'est-ce que l'acier inoxydable austénitique ?

L'acier inoxydable austénitique figure parmi les aciers inoxydables les plus répandus, aux côtés des aciers ferritiques, martensitiques et duplex. Ces aciers sont composés de plusieurs éléments, dont le fer, le chrome, le nickel, le manganèse et le carbone. On trouve des aciers inoxydables austénitiques en différentes nuances ; les plus courantes étant les nuances 304 et 316. Leurs propriétés uniques leur confèrent une excellente structure cristalline cubique à faces centrées (CFC). Composés principalement de fer et de chrome, les aciers inoxydables austénitiques sont également amagnétiques.

Histoire de l'acier inoxydable austénitique

En 1913, le métallurgiste anglais Harry Brearley s'attribua la découverte de l'acier inoxydable. À l'époque, il travaillait pour les laboratoires Firth Brown à Sheffield, en Angleterre, et cherchait à améliorer la résistance de l'acier à la corrosion. Au cours de diverses expériences sur différentes compositions, il constata que les aciers contenant environ 12,81 % de chrome présentaient une excellente résistance à la rouille et aux taches. C'est ainsi que l'acier inoxydable gagna en popularité.

Composition de l'acier inoxydable austénitique

Le fer (Fe), constituant principal des aciers inoxydables austénitiques, est généralement enrichi en éléments clés. La teneur en chrome, principal agent d'alliage, se situe entre 161 % et 261 %. Le nickel est également un agent d'alliage important, présent entre 61 % et 221 %. On ajoute généralement entre 21 % et 101 % de manganèse. La teneur en carbone est faible, généralement inférieure à 0,081 %. Selon les propriétés recherchées, il est possible d'ajouter du molybdène, de l'azote, du silicium, du phosphore et du soufre en plus faibles quantités.

Comment est fabriqué l'acier inoxydable austénitique ?

La fabrication d'acier inoxydable austénitique implique de nombreux procédés. Le procédé de fabrication privilégié dépend du type d'acier inoxydable austénitique que vous souhaitez produire et de l'équipement utilisé.

• Fusion et raffinageCe procédé consiste à fondre du fer avec du chrome, du nickel et d'autres éléments dans un four. Le raffinage permet d'éliminer les impuretés et d'ajuster la composition afin d'obtenir la résistance à la corrosion, la solidité et les propriétés chimiques homogènes requises.
• Coulée continueCe procédé consiste à couler l'acier inoxydable austénitique en fusion dans un moule refroidi et à le solidifier en plaques ou en billettes. Il permet d'améliorer l'homogénéité des matériaux, de réduire les déchets, d'économiser de l'énergie et de préparer les aciers pour des opérations de mise en forme ultérieures.
• Laminage à chaudIci, on utilise une température élevée, généralement supérieure à son point de recristallisation, pour façonner l'acier coulé. Ce procédé réduit l'épaisseur, affine la structure granulaire et améliore les propriétés mécaniques. De plus, il permet de transformer facilement l'acier en plaques, tôles ou bobines.
• Laminage à froidCe procédé est généralement réalisé à température ambiante après le laminage à chaud. Laminage à froid Il réduit l'épaisseur, améliore la finition de surface, augmente la résistance grâce à l'écrouissage et offre la précision dimensionnelle requise pour les produits en acier inoxydable austénitique de haute qualité.

Caractéristiques de l'acier inoxydable austénitique ?

L'acier inoxydable austénitique présente des caractéristiques distinctes telles que :

• Très résistant à la corrosion en milieux acides, alcalins et chlorés.
• Propriétés non magnétiques après recuit.
• Ils se prêtent parfaitement à divers procédés de travail des métaux.
• Bon comportement cryogénique, lui permettant de conserver sa robustesse et sa ductilité à très basses températures.
• Certaines qualités présentent une bonne résistance aux hautes températures, ce qui leur permet de conserver de bonnes propriétés mécaniques, comme la résistance et la résistance au fluage à haute température.
• Leur surface lisse, non poreuse et inerte leur confère des propriétés hygiéniques et empêche la contamination, ce qui facilite leur nettoyage et leur entretien.
• Les aciers inoxydables austénitiques à faible teneur en carbone, tels que les nuances 304L et 316L, présentent une bonne soudabilité, ce qui leur permet d'afficher une faible sensibilisation (formation de carbures aux joints de grains).
• Les aciers inoxydables austénitiques sont hautement recyclables sans aucune perte de propriétés.

Propriétés de l'acier inoxydable austénitique

Tous les aciers inoxydables austénitiques sont classés dans les séries 200 et 300. La série 300 correspond à la nuance ayant la plus forte teneur en nickel (avec le 904L comme exception). Ces aciers présentent généralement les propriétés suivantes :

• Non magnétique.
• Excellente résistance à la corrosion.
• Facilement soudable.
• Haute résistance à température élevée.
• Usinabilité améliorée.

Propriétés physiques de l'acier inoxydable austénitique ?

De manière générale, tous les aciers inoxydables austénitiques présentent un éventail de propriétés utiles. Parmi ces propriétés, on peut citer :

• Ils sont généralement soudables par tous les procédés normaux, certains alliages présentant une sensibilisation aux carbures plus faible.
• À l'état recuit, ils présentent d'excellentes propriétés. formabilité, capacité de fabrication et ductilité.
• Il possède d'excellentes caractéristiques d'hygiène et une grande résistance à la contamination et aux taches.
• Ils conservent leurs propriétés à haute température et présentent parfois des performances exceptionnelles à des températures cryogéniques.
• Non magnétiques à l'état recuit.
• Durcissant uniquement par écrouissage, avec une certaine réponse magnétique à l'état écroui.

Propriétés chimiques de l'acier inoxydable austénitique ?

La liste ci-dessous présente quelques propriétés chimiques intéressantes de l'acier inoxydable austénitique :

• Microstructure cubique à faces centrées.
• Inertie, ou absence d'interaction chimique, avec une vaste gamme d'environnements.
• Résistance à la corrosion universellement élevée dans les environnements à pH neutre, légèrement acides/alcalins et humides.
• Certaines qualités présentent une résistance extrême à la corrosion pour les environnements très acides/alcalins et à forte teneur en chlorures.
• La tendance de certains alliages à former des carbures aux joints de grains diminue leur résistance à la corrosion. On y remédie par l'ajout de métaux stabilisants qui s'opposent à ce processus chimique.

Types de nuances d'acier inoxydable austénitique ?

La liste ci-dessous présente les différents types d'aciers inoxydables austénitiques, chacun ayant ses propres propriétés.

Acier inoxydable 304

On les appelle également acier inoxydable “ 18-8 ” en raison de leurs principaux éléments d'alliage, le chrome (18%) et le nickel (8%). aciers inoxydables 304 L'acier inoxydable 304 contient du chrome et du nickel, ainsi qu'une teneur maximale de 21 % de manganèse et de faibles quantités de carbone, de silicium, de phosphore et de soufre. Il est utilisé pour la fabrication de produits industriels tels que les réservoirs de stockage, les plans de travail, les éviers, les ustensiles de cuisine, les tuyauteries, les instruments chirurgicaux et les implants.

Acier inoxydable 316

Ils sont composés de 16 à 18 % de chrome, de 10 à 14 % de nickel et de 2 à 3 % de molybdène. Ces propriétés rendent cet acier inoxydable adapté aux environnements riches en chlorures, comme les équipements marins et de piscines. À basse température, l'acier inoxydable 316 Il conserve sa ductilité et sa ténacité. On peut l'utiliser dans des applications telles que l'accastillage naval, les équipements de bateaux, les structures offshore, les réacteurs, etc.

Acier inoxydable 303

Ces aciers inoxydables sont des aciers à usinage facile. Leur teneur en soufre varie de 0,15 à 0,35 % (TP3T). L'acier inoxydable 303 est composé non seulement de soufre, mais aussi de 17 à 19 % (TP3T) de chrome, de 8 à 10 % (TP3T) de nickel, de 11 % (TP3T) de silicium, ainsi que de faibles quantités de carbone, de manganèse et de phosphore. L'acier inoxydable 303 est utilisé dans des applications telles que le filetage, la fabrication d'arbres et d'axes, de composants de vannes et de pompes, de bagues et de paliers, et dans d'autres applications où l'usinabilité est primordiale.

Acier inoxydable 321

Ces aciers inoxydables contiennent entre 0,4 et 0,71 % de titane (TP3T). L'ajout de titane leur confère une meilleure soudabilité, une résistance accrue à la sensibilisation et à la corrosion intergranulaire à haute température. Ils peuvent être soudés par des procédés courants tels que le soudage TIG ou MIG. L'acier inoxydable 321 est utilisé pour la fabrication de composants de systèmes d'échappement d'aéronefs, de pièces de moteurs à réaction, de postcombustion, d'échangeurs de chaleur, de tuyauteries, de raccords et pour d'autres applications exigeant une résistance optimale aux hautes températures et à la corrosion.

Acier inoxydable 310

Ces nuances d'acier inoxydable austénitique sont spécialement conçues pour les applications à haute température. Elles sont composées de 24–26% à forte proportion de chrome L'acier inoxydable austénitique 19-22%, enrichi en nickel, se soude aisément, contrairement à d'autres aciers inoxydables austénitiques, grâce à son fort pouvoir d'immunosensibilité. Il convient aux applications exposées à des environnements à haute température, intermittents ou continus, et présentant un risque élevé d'oxydation. On le retrouve notamment dans la fabrication de composants de fours, de plateaux, de paniers, de tubes radiants pour fours de traitement thermique, ainsi que de tubes, de tuyaux et de cuves utilisés dans les procédés à chaud des usines chimiques.

Acier inoxydable 904L

Ces nuances d'acier inoxydable sont parfaitement adaptées aux environnements agressifs tels que l'acide sulfurique, les chlorures et autres milieux corrosifs. Elles contiennent du chrome (19-23%), du nickel (23-28%) et du molybdène (4-5%). L'acier inoxydable 904L est idéal pour les équipements, les canalisations et les réservoirs de stockage exposés à des produits chimiques et acides corrosifs, les plateformes offshore, les échangeurs de chaleur et les canalisations en contact avec l'eau de mer et les environnements corrosifs, etc.

Acier inoxydable 347

Ce sont des aciers inoxydables stabilisés contenant jusqu'à 0,61 % de niobium et de tantale. Leur composition comprend entre 17 et 19 % de chrome, entre 9 et 13 % de nickel, 21 % de manganèse, ainsi que de faibles quantités de carbone, de phosphore, de silicium et de soufre. Même à haute température, ces aciers inoxydables conservent de bonnes propriétés mécaniques et une résistance élevée. Ils sont soudables par les méthodes de soudage courantes. L'acier inoxydable 347 est utilisé pour la fabrication d'échangeurs de chaleur, de composants de fours, de tubes pour les industries du raffinage du pétrole et de la pétrochimie, ainsi que de collecteurs d'échappement.

Pourquoi utiliser l'acier inoxydable austénitique ?

L'utilisation d'aciers inoxydables austénitiques pour une application spécifique s'explique par leur capacité à offrir un équilibre idéal entre résistance, résistance à la corrosion, usinabilité, aspect et coût. D'autres types d'aciers inoxydables peuvent être utilisés lorsque le coût ou l'aspect sont moins importants, ou lorsque la résistance ou le poids de la pièce sont des critères plus critiques. En revanche, si vous recherchez des aciers inoxydables adaptés aux applications à température modérément élevée, cryogéniques ou exposées à un risque de corrosion, les aciers inoxydables austénitiques constituent le choix idéal.

Applications de l'acier inoxydable austénitique ?

• Équipement médicalDans le secteur des équipements médicaux, les aciers inoxydables austénitiques sont utilisés grâce à leur capacité à résister aux cycles de stérilisation répétés, aux désinfectants agressifs et aux fluides corporels sans dégradation de surface. Biocompatibles, ils minimisent les risques de contamination ou de rejet d'implant. De plus, ils présentent une stabilité dimensionnelle à long terme. Ils conviennent à la fabrication d'implants de hanche et de genou, de plaques, de vis, d'endoscopes, de cathéters, de seringues, de tables d'opération, de chaises, de plateaux, d'armoires et de chariots médicaux.
• La production d'énergieLes propriétés des aciers inoxydables austénitiques en font un choix idéal pour la production d'énergie et les applications connexes. Par exemple, les aciers inoxydables 304 et 316 sont utilisés pour les turbines à vapeur et leurs équipements auxiliaires. Les alliages 304, 316 et 321, quant à eux, conviennent parfaitement aux tubes de chaudières, aux échangeurs de chaleur et à d'autres applications où les composants sont exposés à la vapeur sous pression, aux cycles thermiques et aux environnements oxydants. Ils peuvent également être utilisés pour les condenseurs des centrales électriques, les turbines à gaz, les systèmes d'échappement, les systèmes de désulfuration des gaz de combustion (FGD) et les stations d'épuration.
• Structures architecturalesLes propriétés avantageuses des aciers inoxydables austénitiques permettent leur utilisation dans diverses structures architecturales. Ils sont parfaitement adaptés aux applications nécessitant une exposition extérieure prolongée, un entretien minimal et où l'aspect de surface est primordial. On peut les utiliser aussi bien en intérieur qu'en extérieur, notamment pour les bardages, les garde-corps et les balustrades, les treillis architecturaux en tôle perforée et en métal déployé, ainsi que pour les sculptures et les installations artistiques.
• Équipements de traitement chimiqueDans l'industrie chimique, les aciers inoxydables austénitiques sont parfaitement adaptés aux milieux acides, aux hautes températures et aux applications en flux continu. Les nuances contenant du molybdène, comme le 316 et le 904L, sont idéales pour les réservoirs de stockage, les appareils à pression, les tuyauteries, les échangeurs de chaleur et autres zones où la corrosion localisée pourrait engendrer des fuites, une contamination ou des arrêts imprévus, ce qui permet de réduire la fréquence de maintenance et d'allonger la durée de vie.
• Articles de cuisine et appareils électroménagersLes aciers inoxydables austénitiques sont un excellent choix pour les ustensiles et appareils de cuisine, ainsi que pour d'autres applications culinaires. Les aciers inoxydables 304 et 316, grâce à leur durabilité, résistent aux lavages fréquents, aux acides alimentaires, aux chocs thermiques et à l'usure mécanique sans altérer le goût ni l'aspect de leur surface.
• Composants aérospatiaux et automobilesLes aciers inoxydables austénitiques garantissent des performances optimales pour les composants critiques soumis à de fortes contraintes, à haute température et à durée de vie élevée, notamment dans les aéronefs et les engins spatiaux. Par exemple, les nuances 304 et 321 sont utilisées dans les systèmes d'échappement des aéronefs. Elles peuvent également servir pour d'autres applications telles que les composants des systèmes hydrauliques, pneumatiques et de carburant, les aubes de turbines, les disques de compresseurs, les tuyères d'échappement, la visserie, les écrous, les tubes de refroidissement, les vannes, les structures d'aéronefs, les bords d'attaque des ailes, les actionneurs de volets et les composants du train d'atterrissage.

Avantages de l'acier inoxydable austénitique ?

Les aciers inoxydables austénitiques présentent de nombreux avantages qui les rendent incontournables dans diverses industries. Parmi ces avantages, on peut citer :

• De manière générale, ces alliages offrent une résistance à la corrosion bonne à excellente.
• Ils conservent une résistance élevée à des températures élevées, tandis que certains alliages présentent des performances remarquables.
• Elles possèdent des surfaces texturées ou polies très esthétiques, ce qui leur assure une grande durabilité même en cas d'utilisation intensive.
• Les aciers inoxydables austénitiques sont généralement non magnétiques à l'état recuit ; cependant, ils deviennent légèrement magnétiques après écrouissage. Cette propriété les rend intéressants pour les industries chimiques, médicales, automobiles et agroalimentaires.
• La surface hygiénique de ces alliages peut être utilisée dans tous les secteurs.
• Les aciers inoxydables austénitiques sont ductiles et malléables.
• Certains alliages à faible teneur en carbone et à haute teneur en nickel sont hautement biocompatibles.

Limites de l'acier inoxydable austénitique ?

Malgré les nombreux avantages des aciers inoxydables austénitiques, leurs performances sont limitées dans certains types d'applications.

• Les aciers inoxydables austénitiques sont composés de métaux coûteux tels que le nickel, le manganèse, le tantale et le titane, ce qui explique leur prix élevé.
• Bien que certains types d'alliages d'aciers inoxydables austénitiques présentent de bonnes performances à haute température, certains matériaux concurrents les surpassent à cet égard.
• Certains de ces alliages sont confrontés à des problèmes de sensibilisation et de sensibilisation des soudures.
• Vous ne pouvez pas les utiliser pour certaines applications en raison de l'impossibilité de les traiter thermiquement.
• Cela représente une charge supplémentaire pour vous de les recuire afin de minimiser leur sensibilité magnétique.
• Ils ne conviennent pas parfaitement comme matériaux de palier car ils sont facilement sujets à l'usure par adhérence ou au grippage.

Conclusion

Comme vous le savez peut-être, de nombreux secteurs industriels privilégient l'acier inoxydable austénitique pour sa résistance à la corrosion, sa robustesse et sa polyvalence. En choisissant le type d'acier inoxydable adapté à vos besoins, vous bénéficierez de performances accrues, d'une durée de vie prolongée et de coûts de maintenance réduits.

FAQ

Quelle est la durée de vie de l'acier austénitique ?

La durée de vie de l'acier inoxydable austénitique est variable. En général, ce sont des matériaux durables qui ont une longue durée de vie lorsqu'on utilise la nuance appropriée pour l'application adéquate.

Quel est le meilleur choix entre l'acier inoxydable austénitique et l'acier inoxydable ?

L'acier inoxydable austénitique est un type d'acier inoxydable. Il offre généralement une meilleure résistance à la corrosion, une plus grande durabilité et une meilleure soudabilité, tandis que d'autres aciers inoxydables peuvent être plus performants ou moins coûteux selon l'application.

L'acier inoxydable austénitique peut-il rouiller ?

Oui, les aciers inoxydables austénitiques peuvent rouiller, mais ils y sont très résistants grâce à une couche d'oxyde de chrome auto-réparatrice. La rouille apparaît lorsque cette couche protectrice est endommagée ou altérée par des conditions agressives telles que les chlorures (sel), les acides forts, la chaleur intense ou la contamination de surface.

L'acier inoxydable austénitique est-il magnétique ?

Non, les aciers inoxydables austénitiques comme les nuances 304 et 316 sont généralement non magnétiques à l'état recuit, car leur structure cristalline n'est pas ferromagnétique. Cependant, ils peuvent devenir légèrement magnétiques après écrouissage, pliage ou soudage, ce qui crée de la ferrite magnétique.