L’acier inoxydable 304 et ses variantes

Au quotidien, l’acier inoxydable le plus standard dans son utilisation est l’acier inoxydable 304 ou 18-10 en lien avec sa composition de 18% de chrome et 10% de nickel. Il est très répandu grâce à ses facilités de fabrication, mise en œuvre et d’utilisation.

Si dans la vie courante, le 304 apparait en grande place, l’ajout d’un élément d’addition va lui permettre d’améliorer ses propriétés pour certaines conditions de fabrication ou d’emploi.

L’acier inoxydable 304 : norme et désignation

Cette appellation vient de la norme anglaise. En France, il est plus connu par l’appellation 18-10 ou la désignation normalisée X5CrNi18-10, ou encore 1.4301. Sa composition moyenne est, en effet de 18% de Chrome et 10% de nickel. Le tableau ci-après regroupe les fourchettes analytiques imposée par la norme européenne EN 10088-1 de 2014. La nuance 304L se distingue par un pourcentage en carbone plus bas : « LOW ».

Norme EN 10088-1 (2014) : https://www.boutique.afnor.org/fr-fr/norme/nf-en-100881/aciers-inoxydables-partie-1-liste-des-aciers-inoxydables/fa173619/44456

Dans ce tableau, on trouve la limite à 0,03% entre la nuance 304 et 304L. Cette imposition du carbone s’explique par son avidité à se combiner au chrome pour former des précipités de carbures de chrome au cours des chauffages supérieurs à 650°C. Ces précipités sont responsables de la corrosion intergranulaire, notamment en ZAT des cordons de soudure.

Comparons la norme anglaise.

En bleu, les fourchettes analytiques différentes entre les 2 normes.

Attention : une valeur en carbone inférieure à 0,03 % soit par exemple 0,028% donne droit aux 2 appellations 1.4301 et 1.4306 et aux 2 appellations anglaises TP304 et TP304L sous réserve que les autres éléments entrent dans les fourchettes analytiques. Sur le certificat Matière, on pourra mentionner dans la case « Nuance »  : 1.4301/1.4306/X5CrNi18-10/X2CrNi9-11/TP304/TP304L/S30400/S30403 suivi des normes appliquées.

Le « L » est destiné aux assemblages soudés. Le process de soudage implique un passage dans la zone de précipitation des carbures de chrome aux refroidissements. Sans un refroidissement rapide dans cette zone, la formation de ces précipités au chrome va diminuer la résistance à la corrosion par intergranulaire.

Ainsi, sans parler d’équivalence normative – les fourchettes analytiques étant différentes selon les normes sur des éléments tels que le carbone ou le nickel – on peut avoir selon la coulée :

AISI TP304 équivaut à un 1.4301

AISI TP304L équivaut à un 1.4306.

Les propriétés mécaniques

Les 304 sont les plus répandus car les plus faciles à utiliser, et ainsi, nous les trouvons dans tous les domaines, de la cryogénie aux applications en haute température. Les restrictions vont plutôt être liées au milieu environnant, au mode de fabrication de la pièce et au design.

Le tableau ci-après regroupe les propriétés mécaniques respectives du 304/304L selon la norme EN 10088-2 (2014) : https://www.boutique.afnor.org/fr-fr/norme/nf-en-100882/aciers-inoxydables-partie-2-conditions-techniques-de-livraison-des-toles-et/fa173712/44452.

Entre ces 2 nuances, 1.4301 et 1.4306 en équivalence 304 et 304L, la norme EN 10088-2 impose une augmentation de l’allongement et du domaine plastique. Ce n’est pas uniquement lié au carbone, élément qui permet de durcir. Cette variation s’explique aussi par la teneur en nickel supérieur pour le 304L (1.4306) : teneur moyenne de 10 contre 11 % dans l’écriture normalisée de la nuance.

Si le 304 et le 304L se travaillent quasiment dans les mêmes conditions mécaniques, l’écrouissage sera plus important sur la nuance en 304 que celui de la nuance 304L dans les déformations plastiques à froid.

La possibilité d’avoir de la martensite d’écrouissage, et potentiellement des ruptures différées, sera plus grande sur le 304. Le nickel est un élément stabilisant la structure austénitique, plus la fourchette analytique inférieure est haute, plus le teneur en nickel est haute et moins le durcissement est important.

La nuance en L c’est-à-dire « bas carbone » qui coïncide avec un fort taux de nickel va faciliter les opérations de déformation multiple.

Déclinaisons du 304.

A près avoir diminué le pourcentage de carbone pour obtenir le 304L, d’autres éléments vont avoir une influence pour l’utilisation. Le schéma repris plus bas illustre l’addition d’éléments spécifiques. Ce sont des nuances définies par les normes avec des impositions particulières en termes de composition chimique sur certains éléments apportant une amélioration supplémentaire par rapport à la nuance de base 304.

Sur ce schéma, on retrouve les éléments d’addition généralement ajoutés dans les aciers inoxydables austénitiques. Pour détailler le rôle de chacun, on peut reprendre :

304L avec une baisse du pourcentage de carbone est utilisé pour sa facilité de soudage et la bonne résistance à la corrosion intergranulaire.

304H a un pourcentage en carbone plus élevé pour la conservation des propriétés mécaniques en hautes températures. Cet élément bloque le grossissement des grains de la structure austénitique. On le rencontre donc dans des équipements de type bruleurs et échangeurs.

304N ayant une teneur en azote supérieure à la nuance standard permet d’avoir une meilleure limite d’élasticité, une bonne ductilité et légèrement moins d’écrouissage en déformation plastique.

304LN est identique au précédent avec une facilité au soudage en plus. Il admet une bonne résistance à la corrosion intergranulaire.

304Ti ou 321 contient un ajout de titane qui lui confère une facilité de soudage par la stabilisation du métal des cordons de soudure. Il a donc une bonne résistance à la corrosion intergranulaire. A haute température, son aptitude au fluage et sa tenue à l’oxydation sont reconnues.

304Cu contient une teneur en cuivre qui lui permet d’améliorer sa limite d’élasticité, d’avoir une bonne résistance à la corrosion en milieu acide. Le cuivre intervient aussi dans l’action bactéricide de la surface du matériau, cette nuance est utilisée pour des applications biomédicales.

« 304Nb » ou 347 par son addition de niobium possède une facilité au soudage par la stabilisation du carbone pendant le soudage, comme l’addition de titane du 304Ti. La résistance à la corrosion intergranulaire est excellente pour les joints soudés. Il est facile à mettre en forme.

L’ajout de manganèse en remplacement du nickel permet à l’acier inoxydable austénitique type 204 d’avoir une bonne ductilité avec moins d’écrouissage et une résistance à la corrosion sous contrainte meilleure que celle du 304. Le coût du manganèse étant moins cher, le 204 est donc moins onéreux à l’achat matière que la nuance 304. Son bémol reste le recyclage. Comme le manganèse est un élément qui ne s’élimine que par dilution lors de l’élaboration, il est donc important de le trier à part des autres austénitiques dont la teneur est limitée à moins de 2%.

Quant à l’ajout de molybdène dans le 304, il permet d’obtenir une meilleure résistance à la corrosion par piqûres : il s’agit alors de la nuance 316 que l’on pourrait appeler « 304Mo ».

Conclusion

Pour de nombreuses applications, un 304 peut convenir en s’assurant que le niveau des propriétés mécaniques ou résistance à la corrosion est compatible avec les sollicitations appliquées.

Il conviendra également d’optimiser les états de surface pour améliorer la résistance à la corrosion. Plus la surface est lisse, meilleure sera la résistance à la corrosion.

Avec l’utilisation du 304, les règles basiques des aciers inoxydables s’appliquent : il conviendra de préserver l’inoxydabilité du métal et de ne pas négliger l’entretien de la couche passive.