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MA5 : acier inoxydable martensitique à haute dureté et résistance à la corrosion
améliorée pour lames de couteau et outils de coupe
Aperam est un acteur d'envergure mondiale dans le domaine de l'acier inoxydable. Nous offrons des solutions inox multiples, performantes et innovantes, adaptées aux attentes de nos clients et respectueuses de l’environnement.
Les inox d’Aperam, le choix de la différence.Nous anticipons les nouveaux besoins des utilisateurs finaux et nous accompagnons chaque client, de l’assistance technique jusqu’au co-développement produit, grâce à notre présence mondiale.
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Les inox d'Aperam, le choix de la différence
InnovationAfin de répondre aux nouveaux besoins de la coutellerie profession-nelle, le département R&D d'Aperam a mis au point une nouvelle nuance d'acier inoxydable martensitique associant une dureté élevée à une résistance à la corrosion au lave-vaisselle.
CompétitivitéContrairement à l'offre existante sur le marché, contenant des éléments d'alliage tels que le molybdène , le tungstène, le vanadium, Aperam a décidé de développer une nuance aux propriétés d'usages similaires en jouant sur l'addition d'éléments peu sensibles à la fluctuation des prix (azote, chrome).
ProximitéAvec 19 agences commerciales et 16 centres de service, Aperam Stainless Europe met à votre disposition des interlocuteurs de proximité pour répondre à vos besoins. En cas de demande plus technique, nous vous offrons également la possibilité de bénéficier du support de notre centre de Recherche et Développement.
05 Composition chimique
05 Propriétés générales
06 Applications
06 Possibilités de livraison
06 Caractéristiques physiques
06 Caractéristiques mécaniques
08 Résistance à la corrosion
09 Alimentarité
10 Soudage
03
04
1. Composition chimique
Éléments C Si Mn Cr Mo N
MA5 0,35 0,35 0,35 16,0 - 0,15
Valeurs indicatives (% en poids)
Cette nuance est conforme avec :
> La fiche de donnée sécurité Stainless Europe n° 1 : aciers inoxydables (Directive européenne 2001 /58/EC) > La directive européenne 2000/53/EC relative aux véhicules hors d’usage et à son annexe II du 27 juin 2002 > La norme NFA 36 711 « Aciers inox destinés à entrer au contact des denrées, produits et boissons pour l’alimentation de l’homme
et des animaux » (hors emballage) > La NSF/ANSI 51 Standard pour « Matériaux pour équipements alimentaires » et celles de la F.D.A. (United States Food and Drug
Administration) portant sur les matériaux utilisés en contact avec les aliments > Le décret français n° 92-631 daté du 8 juillet 1992 et la Réglementation n° 1 935/2004 du Parlement européen et du conseil
du 27 octobre 2004 sur les matériaux et articles prévus pour être au contact de la nourriture (et les directives abrogatoires 80/590/EEC et 89/109/EEC)
> L’arrêté français en date du 13 janvier 1976 portant sur les matériaux et articles fabriqués en acier inoxydable entrant au contact des denrées alimentaires
> Le décret italien en date du 21 mars 1973 : une liste de types d’acier inoxydable conformes à la « Réglementation sur l’hygiène des emballages, des récipients et outils destinés à être en contact avec les substances à usage alimentaire ou avec des substances à usage personnel »
> La recommandation de l’EDQM (European Directorate for the Quality of Medicines & HealthCare); Ouvrage « Metals and alloys used in food contact materials and articles - A practical guide for manufacturers and regulators - 1st edition 2013 »
2. Propriétés générales Les principales caractéristiques du MA5 sont :
> Sa capacité de durcissement élevée à température de traitement d’austénitisation modérée (traitement standard) > Sa capacité de durcissement supplémentaire par passage par le froid après trempe (traitement amélioré) > Sa bonne tenue aux chocs après revenu à faible température > Sa très bonne résistance à la corrosion
Tem
péra
ture
(°C)
-100
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1 000
1 100
Temps (min)
0 40 60 8020 100 120 140 160 180 200
Traitement standard Traitement amélioré
10min 1025°C
10min 1075°C
-80°C
1h 180°C
20°C
1h 180°C
5min
10°C/s 10°C/s
MA5 : Acier inoxydable martensitique à haute dureté et résistance à la corrosion améliorée pour lames de couteau et outils de coupe
Dans les aciers inoxydables martensitiques classiques, une dureté élevée, garante d’un bon tranchant de lame, est obtenue par une teneur élevée en carbone. Cependant, l’augmentation de la teneur en carbone rend plus difficile et incomplète la dissolution des carbures de chrome lors du traitement thermique. La présence de gros carbures primaires et l’appauvrissement en chrome de la matrice martensitique nuisent alors fortement à la qualité de surface après polissage et à la résistance à la corrosion.
La résistance à la corrosion est classiquement améliorée pour les nuances à haut carbone par l’ajout de molybdène mais cet élément est très onéreux comparativement au chrome.
L’optimum dureté / tenue à la corrosion est obtenu dans la nuance MA5 en introduisant en teneur conséquente un autre élément, l’azote. En effet, l’azote présente le double avantage d’être durcissant comme le carbone qu’il peut donc remplacer partiellement, et d’améliorer la tenue à la corrosion. En complément de l’azote, une augmentation de la teneur en chrome permet d’assurer une très bonne résistance à la corrosion sans aucune addition de molybdène.
05
3. ApplicationsLe MA5 est recommandé pour les applications suivantes :
> Lames pour couteaux et ustensiles divers de préparation des aliments (segments moyen de gamme et haut de gamme) > Lames pour équipements industriels > Outils de coupe > Pièces mécaniques et outils divers
4. Possibilités de livraisonProduits recuits (état ferrite + carbures + nitrures) :
> Formes : feuilles, bobines, feuillards > Épaisseurs : de 0,4 jusqu’à 6 mm > Largeur : selon les épaisseurs, jusqu'à 1000 mm maximum > Présentations : laminé à froid, laminé à chaud, selon l’épaisseur
5. Caractéristiques physiquesTôle laminée à froid
Densité d 4 °C 7,7
Température de fusion Tf °C 1400
Capacité thermique massique c J/kg.K 20 °C 460
Conductivité thermique k W/m.K 20 °C200 °C
3031
Coefficient moyen de dilatation α 10-6/K 20-200 °C 20-400 °C
1112
Résistivité électrique ρ Ω.m 20 °C 6,2.10-7
Perméabilité magnétique relative µ pour H=800 A/m 20 °C 700
Module de Young E GPa 20 °C 215
6. Caractéristiques mécaniques
Après recuit (état de livraison) Selon la norme ISO 6892-1, partie 1
Éprouvette perpendiculaire au sens de laminage.
Lo : 80 mm (épaisseur < 3 mm), 5.65 √ So (épaisseur ≥ 3 mm)
Traction Rm (1)
(MPa)
Rp0,2 (2)
(MPa)
A (3)
%HRB
Valeurs typiques 680 390 21 89
(1) Résistance à la rupture (Rm) - (2) Limite d’élasticité (Rp0,2) - (3) Allongement (A)
Après austénitisation, trempe et revenu
Dureté valeurs typiques (1)10 min à 1025 °C
refroidissement 20 °C revenu 1h à 180 °C
10 min à 1075 °C refroidissement -80 °C
revenu 1h à 180 °CNuances HRC HV HRC HV
1.4028/MA3 54,4 585 - -1.4034/MA4 55,7 609 60,6 7111.4116 56,8 630 58,8 671MA5 58,0 653 61,1 722
(1) Valeurs non garanties car obtenues après traitement thermique en laboratoire en considérant la température du métal et non celle du four.
06
Influence de la température d’austénitisation sur la dureté
Trempe à 20 °C + revenu 1h à 180 °C Trempe à -80 °C + revenu 1h à 180 °C
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
540
560
580
600
620
640
660
680
700
720
740
975 1000 1025 1050 1075 1100 1125
HRCHV
Température d’austénitisation (°C)
HV HRC
1.4034
1.4028
MA5
1.4116
HRCHVHV HRC
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
560
580
600
620
640
660
680
700
720
740
760
975 1000 1025 1050 1075 1100 1125Température d’austénitisation (°C)
MA5
1.4034
1.4116
La nuance MA5 atteint sa dureté maximale pour une austénitisation à 1025 °C après trempe à 20 °C et revenu à 180 °C. Dans ces conditions de traitement dénommées standard car facilement accessibles sur un équipement industriel, la nuance MA5 est supérieure en dureté aux nuances 1.4034 et 1.4116 (figure de gauche).
Au-delà d’une température d’austénitisation de 1025 °C, la dureté de la nuance MA5 baisse en raison d’un taux d’austénite résiduelle excessif ayant pour origine la haute teneur en chrome de cette nuance qui abaisse la température MF en dessous de la température ambiante.
Pour obtenir un durcissement supplémentaire, il faut poursuivre la dissolution des carbures de chrome en augmentant la température d’austénitisation mais aussi effectuer un passage par le froid en dessous de la température MF, afin que la transformation de l’austénite en martensite soit complète. Grâce à un traitement cryogénique à -80 °C après trempe, le maximum de dureté est obtenu en effectuant une austénitisation à 1075 °C. Ce traitement amélioré permet d’augmenter la dureté d’environ 3HRC par rapport au traitement standard ce qui permet à la nuance MA5 de conserver une dureté supérieure aux nuances 1.4034 et 1.4116 après le même traitement (figure de droite).
Effet de la température de revenu sur la résilience
Austénitisation 10 min à 1050 °C - trempe à 20 °C
Effet de la température de revenu sur la dureté
Austénitisation 10 min à 1050 °C - trempe à 20 °C
10
15
20
25
30
35
40
0 100 200 300
Rés
ilien
ce K
CV (J
/cm
2 )
Température de revenu (°C)
1.4034
1.4028
MA5
1.4116
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
540
560
580
600
620
640
660
680
700
720
740
0 100 200 300
HV
Température de revenu (°C)
HV HRC HRC
1.4034
1.4028
MA5
1.4116
Le revenu a pour but de réduire la fragilité du produit brut de trempe en relaxant les contraintes résiduelles et en permettant une reprécipitation très limitée de fins carbures et nitrures de chrome. L’amélioration de la fragilité est suivie par la mesure de la résistance au choc par essai Charpy. L’amélioration n’est significative qu’à partir d’une température de revenu de 180 °C. Elle est d’autant plus significative que la nuance contient peu de carbone, la nuance MA5 étant supérieure en résilience aux nuances 1.4034 et 1.4116 (figure de gauche). Cependant la dureté baisse avec l’augmentation de la température de revenu pour les nuances au carbone alors que pour la nuance MA5 à l’azote, elle augmente avant de baisser ce qui conduit après revenu à 180 °C au même niveau de dureté qu’à l’état brut de trempe (figure de droite). Le traitement de revenu à 180 °C est donc l’optimum pour le MA5 car il améliore suffisamment la résistance aux chocs sans dégrader la dureté par rapport à l’état brut de trempe.
07
7. Résistance à la corrosion
Influence des conditions de traitement thermiqueLa résistance à la corrosion dépend des conditions de trempe et revenu employées et principalement de la vitesse de refroidissement après austénitisation. En-dessous de la vitesse critique de refroidissement, de l’ordre de 10 °C/s, une perte de la résistance à la corrosion par piqûre est observée en raison de la précipitation de carbures et de nitrures de chrome conduisant à un appauvrissement en chrome autour des précipités. En pratique, cela signifie qu’un simple refroidissement à l’air est à proscrire, et qu’un refroidissement sous gaz réducteur pulsé ou une trempe à l’huile doit être réalisé.
Traitement thermique : austénitisation 10 min à 1050 °C puis refroidissement à différentes vitesses de refroidissement jusqu’à 300 °C. Observations au MEB sur état poli miroir après légère attaque électrochimique.
1.4034 - 3 °C/s 1.4034 - 10 °C/s
Précipitation de fins carbures aux joints des grains lors du refroidissement
MA5 - 3 °C/s MA5 - 10 °C/s
Absence de précipitation au refroidissement
Le MA5 est moins sensible à la vitesse de refroidissement que les nuances à plus haute teneur en carbone comme la nuance 1.4034 (figure ci-dessus). Cependant une vitesse de refroidissement d’au moins 10 °C/s est recommandée pour éviter tout risque de précipitation au cours du refroidissement.
Les conditions de revenu peuvent également dégrader la résistance à la corrosion. En effet, une température de revenu supérieure à 300 °C est à proscrire car elle conduit à la précipitation de carbures et de nitrures de chrome et donc à un appauvrissement local en chrome.
Résistance à la corrosion par piqûre La résistance à la corrosion dépend de la composition chimique de l’acier. Les éléments chimiques favorables sont le chrome, le molybdène et l’azote et, spécifiquement pour les aciers inoxydables martensitiques, l’élément chimique défavorable est le carbone de par son aptitude à consommer du chrome sous la forme de carbures de chrome non complètement dissous lors de l’austénitisation. La sensibilité à la corrosion par piqûre est mesurée à l’aide d’un test électrochimique de multi-piqûres qui permet d’accéder au potentiel de piqûre. Plus le potentiel de piqûre est élevé, plus la nuance résiste à la corrosion par piqûre.
La composition chimique du MA5 a été spécialement ajustée (haut Cr, haut N, C modéré) pour garantir une bonne tenue à la corrosion par piqûre, significativement supérieure à celle des nuances d’aciers inoxydables martensitiques au carbone. Le MA5 a la même tenue à la corrosion par piqûre que la nuance ferritique stabilisée 1.4509 (18 % Cr,TiNb), intermédiaire entre celle du ferritique 1.4016 (16 % Cr) et celle de l’austénitique 1.4311 (18 % Cr -8 % Ni). Les couteaux en MA5 sont donc tout à fait aptes comme les autres couverts à être nettoyés en lave-vaisselle.
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Test multi-piqûre en milieu NaCl 0,02M, 23 °C, pH=6,6
250
300
350
400
450
500
550
1.4116 1.4028MA3
1.4034MA4
1.4016430
MA5 1.4509441
1.4301304
E0.1
(mV-
ECS)
Effet des opérations mécaniques Le chauffage localisé dû à des opérations de finition telles que le meulage, l’affûtage, le polissage ou le cannelage ne doit pas induire des températures plus élevées que celle recommandée pour le revenu.
Enfin, l’état de surface est un autre facteur qui peut affecter la résistance à la corrosion. En cas de polissage, une surface à faible rugosité est toujours préférable.
8. AlimentaritéLe MA5 est apte au contact avec les aliments. Il répond aux critères des tests de relargage suivant les recommandations de l’EDQM (European Directorate for the Quality of Medicines & HealthCare) et suivant le décret italien en date du 21 mars 1973. Son taux de relargage, pour une surface à l’état poli miroir (finition feutre imbibé de diamant 1µm) comme pour une surface à l’état poli 1200 (papier abrasif au carbure de silicium de granulométrie 1200) est très largement inférieur aux seuils imposés.
Recommandation EDQM Décret Italien
0
1
2
3
4
5
1 2
Fe (m
g/kg
)
Cr (m
g/kg
)
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
1 2
Poli miroir Poli 1200 Poli miroir Poli 1200
Recommandation EDQM
Milieu : acide citrique 5 g/l à 100 °C
30 min dans 3 bains successifs
1 = somme des dosages des bains 1 et 2 : seuil limite 280 mg/kg
2 = dosage du bain 3 : seuil limite 40 mg/kg
Décret Italien
Milieu : acide acétique 3 % à 90 °C
30 min dans 3 bains successifs
1 = somme des dosages des bains 1 et 2
2 = dosage du bain 3 : seuil limite 0,1 mg/kg
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9. SoudageComme pour tous les aciers inoxydables martensitiques, certaines précautions sont nécessaires lors du soudage du MA5, à cause de la transformation martensitique qui a tendance à provoquer des fissures (parfois différées) à des températures inférieures à 400 °C. Il est recommandé de préchauffer les pièces autour de 200 °C avant de les souder.
Dans les procédés de soudage nécessitant l’utilisation de gaz de protection (TIG, MIG, plasma), l’utilisation de l’hydrogène et de l’azote est strictement interdite. Le MA5 peut être assemblé par soudage par points et par soudage à la molette, mais aussi par soudure à l’arc.
Un traitement thermique de post-soudage est recommandé.
Lorsque le soudage est effectué sans métal d’apport, les traitements thermiques post-soudure suivants peuvent être utilisés :
> Adoucissement entre 650 et 800 °C mais dans ce cas la résistance à la corrosion est dégradée > Austénitisation à 1025 °C, suivi d’un revenu à 180 °C
Lorsque le soudage est effectué avec un métal d’apport, le choix se situe entre :
> Un alliage ayant la même composition que le métal de base (soudage homogène avec électrode AWS 420 ou fil), avec un traitement thermique post-opératoire tel que ci-dessus si l’on souhaite obtenir la même dureté de la soudure et du métal de base
> Un alliage de composition différente de la base métallique (soudage hétérogène avec électrode ou fil austénitique de type ER 308L, 309L ou 316L suivant norme EN-ISO 14343), mais on devra toujours appliquer un traitement thermique post-opératoire afin d’éviter la fragilisation de la Z.A.T (Zone Affectée Thermiquement)
Soudage
Sans apport Avec apport de métal Gaz de protection
Épaisseurs typiques Épaisseurs
Métal d‘apport Hydrogène et azote interdits dans tous les casBarre Fil
Résistance : Point, Molette
≤ 2 mm
TIG ≤ 1,5 mm > 0,5 mm ER 309 L (Si) ER 420 (1) ER 309 L (Si) ER 420 (1) Ar, Ar + He
PLASMA ≤ 1,5 mm > 0,5 mm ER 309 L (Si) ER 420 (1) Ar
MIG > 0,8 mm ER 309 L (Si) ER 420 (1) Ar + 2 % CO2 ou Ar + 2% O2
S.A.W. > 2 mm ER 309 L (Si) ER 420 (1)
Électrode Réparations ER 309 L (Si) ER 420 (1)
Laser ≤ 5 mm He(1) Le métal d’apport homogène ER 420 doit être utilisé lors de la trempe ultérieure et du revenu afin d’obtenir la même dureté de la soudure et du métal de base.
DécapageLes soudures doivent être décapées et repassivées pour retrouver la résistance à la corrosion du métal de base.
Le décapage peut se faire en bain ou localement à l’aide de pâtes spécifiques adaptées aux aciers inoxydables.
Pour le décapage, un mélange d’acide nitrique et d’acide fluorhydrique peut être utilisé (15 % HNO3 + 1 % HF). Pour la passivation, de l’acide nitrique à 25 % peut être utilisé (2h à 20 °C ou 10 min à 50 °C) suivi d’un rinçage abondant à l’eau froide (norme EN-ISO 14343).
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Aperam Stainless Europewww.aperam.com
[email protected] Impr
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