UGI® 4545 AIR Recuit – Acier inoxydable durcissable par précipitation qualité aéronautique

L'UGI® 15-5PH AIR ou UGI® 4545 AIR est un acier inoxydable martensitique PH (Precipitation Hardening) de qualité premium, principalement destiné aux applications aéronautiques. Il est utilisé pour des pièces nécessitant une combinaison de haute résistance mécanique et de haute ténacité. Cette nuance présente également une bonne résistance à la rupture par fatigue. Il s'agit d'un matériau refondu à l'électro-laitier (selon AMS 5659 type 2) utilisant les technologies les plus avancées. Cette élaboration assure une bonne homogénéité et isotropie de la structure ainsi que de hautes propriétés mécaniques tant en direction longitudinale que transversale. (Ferromagnétique)

La microstructure observée en microscopie optique est composée de martensite homogène avec des précipités de carbonitrure de niobium (particules blanches visibles en MEB), et d'austénite résiduelle dont la fraction dépend de l'état métallurgique. La précipitation nanométrique de phase riche en cuivre peut être observée en MET. L'UGI® 15-5PH AIR présente une fraction de ferrite delta inférieure à 1 % (inférieure à l'UGI® 17-4PH AIR) selon AMS 2315, et une taille de grain d'austénite antérieure plus fine ou égale à 6.

L'UGI® 15-5PH AIR est produit par ESR à électrode consommable. Les inclusions résiduelles sont très fines et uniformément réparties dans la section. La micro-propreté suivante, selon ASTM E45/A, est garantie : A,B,C,D (Fins) < 1,5 – A,B,C,D (Grossiers) < 1.

Propriétés

Général

Propriété	Valeur
Densité	7,8 g/cm³

Mécaniques

Propriété	Température	Valeur	Commentaire
Module d'élasticité	20 °C	200 GPa
	100 °C	195 GPa
	200 °C	185 GPa
	300 °C	170 GPa
Module d'élasticité (bis)	300 °C	175 GPa
Dureté Brinell		363	max.
Dureté Rockwell C		38	max.

Thermiques

Propriété	Valeur	Commentaire
Coefficient de dilatation thermique	0,0000105 1/K	20 à 100 °C
	0,0000111 1/K	20 à 200 °C
	0,0000115 1/K	20 à 300 °C
	0,0000119 1/K	20 à 400 °C
Chaleur massique	500 J/(kg·K)
Conductivité thermique	16 W/(m·K)

Électriques

Propriété	Valeur
Résistivité électrique	7,1×10⁻⁷ Ω·m

Composition chimique

Élément	Valeur	Commentaire
Carbone	0,07	max.
Chrome	14,5 – 15,3 %
Cuivre	2,5 – 4,0 %
Manganèse	1,0	max.
Molybdène	0,5	max.
Nickel	4,5 – 5,5 %
Niobium	0,45	max., min : 5×C
Phosphore	0,025	max.
Silicium	0,6	max.
Soufre	0,005	max.

Propriétés technologiques

Domaines d'application

L'UGI® 15-5 PH AIR convient pour :

• Aéronautique en qualité Aircraft Quality premium
• Fabrication de capteurs, ex. capteurs de pression
• Médical accessoire
• Arbres, engrenages
• Raccords
• Pièces structurales…

Propriétés de corrosion

L'UGI® 15-5 PH AIR offre une bonne résistance à la corrosion, parfois similaire à celle des aciers austénitiques type 18 Cr-8 Ni dans certains cas.

Environnement	Comportement
Acide nitrique	Bon
Acide phosphorique	Usage restreint
Acide sulfurique	Usage restreint
Acide acétique	Moyen
Carbonate de sodium	Moyen
NaCl (test brouillard)	Bon
Humidité	Excellent
Eau de mer	Usage restreint
Pétrole/Gaz	Usage restreint

Corrosion par piqûres : L'UGI® 15-5 PH AIR est bien plus résistant à la corrosion par piqûres que les aciers martensitiques classiques à 12 % Cr. Le potentiel de piqûre est comparable au supermartensitique 1.4418 et à l'austénitique 1.4301 (AISI 304).

Corrosion intergranulaire : La faible teneur en carbone (partiellement lié au Nb) rend ce steel insensible à la corrosion intergranulaire lorsqu'il est traité thermiquement correctement selon les recommandations.

Autres mécanismes : L'UGI® 15-5 PH AIR résiste à la corrosion-fatigue ainsi qu'à la corrosion sous contrainte dans certains environnements et conditions définis. On note également une bonne résistance à la corrosion-érosion grâce à l'association de hautes propriétés mécaniques et de résistance à la corrosion.

Usinabilité générale

En raison de sa faible teneur en soufre et de sa très bonne micro-propreté, l'UGI® 15-5 PH AIR présente une mauvaise cassabilité des copeaux, ce qui peut induire des difficultés lors de l'usinage, notamment en perçage ou tournage de finition. Si possible, la plupart des opérations d'usinage pour obtenir les pièces finales doivent être réalisées en état A (recuit de mise en solution) afin d'éviter une usure excessive des outils. L'usinage après traitement de « durcissement par précipitation » n'est pas recommandé car plus les caractéristiques mécaniques des barres UGI® 15-5 PH AIR à usiner sont élevées, plus l'usure des outils est importante (et donc plus la productivité d'usinage est faible).

En état A, des essais de tournage brut (ap = 1,5 mm ; f = 0,25 mm/tr) sur barres tréfilées ont montré que la vitesse de coupe pour obtenir une usure de flan de 0,15 mm en 15 min de coupe effective avec un outil STELLRAM SP4019 CCGT 09T308E-62 est d'environ 145 m/min, contre environ 160 m/min pour l'UGIMA® 4542 (17-4 PH à usinabilité améliorée). Selon l'opération d'usinage, la productivité de l'UGI® 15-5 PH AIR est inférieure de 10 à 30 % à celle de l'UGIMA® 4542.

Traitement thermique

Les traitements thermiques sur l'UGI® 15-5PH AIR comportent deux étapes :

• Austénitisation : pour mettre les éléments d'alliage, notamment le Cu, en solution sur-saturée dans la martensite.
• Revenu (Aging) : pour précipiter le Cu (durcissement par précipitation) et, dans certains cas, former de l'austénite révertie pour augmenter la ténacité. Les propriétés mécaniques, compromis entre résistance et ténacité, sont ajustées par la température de revenu.

Austénitisation : Le recuit de mise en solution s'effectue vers 1030–1050 °C, interrompu par trempe à l'huile ou, pour les petites sections, par refroidissement à l'air. Dans cet état (condition A), la dureté est intermédiaire car le durcissement par précipitation du Cu n'est pas efficace. La condition A est souvent choisie pour l'usinage ou le formage à froid. Nous recommandons alors un traitement de décontrainte à 300 °C pendant 1 heure après austénitisation, pour stabiliser le matériau et éviter les risques de fissuration de trempe.

Revenu : Les traitements de revenu sont effectués après le traitement de mise en solution pour faire précipiter les phases riches en Cu et ajuster les propriétés mécaniques. Après revenu, le matériau est en condition « solutionné et revenu », aussi appelée condition H. Les revenus peuvent être effectués entre 480 °C (condition H900) et 620 °C (condition H1150). La condition H900 correspond au pic de durcissement, où les précipités de Cu induisent une dureté maximale. À températures plus élevées, la dureté/résistance diminue avec l'augmentation de la température de revenu, due à la croissance des précipités. Au-delà de 580 °C, de l'austénite révertie se forme pendant le revenu, augmentant la ténacité mais diminuant la résistance. La condition H1025 est souvent choisie car elle offre un compromis optimal entre résistance et ténacité.

Adoucissement : La résistance ou dureté la plus faible est obtenue après le cycle thermique H1150M, consistant en un recuit de mise en solution suivi d'un revenu à 760 °C pendant 2 heures et d'un revenu à 620 °C pendant 4 heures. Après ce cycle, les propriétés mécaniques sont : Rm = 780 MPa, Re = 710 MPa, HRC < 32 HRC, significativement inférieures à la condition A.

Condition	Traitement
Cond A	Recuit 1030/1050 °C
H900	Recuit 1030/1050 °C, refroidissement air/huile + revenu 1 h à 480 °C/air
H925	Recuit 1030/1050 °C, refroidissement air/huile + revenu 4 h à 495 °C/air
H1025	Recuit 1030/1050 °C/air ou huile + revenu 4 h à 550 °C, air
H1075	Recuit 1030/1050 °C/air ou huile + revenu 4 h à 580 °C, air
H1100	Recuit 1030/1050 °C/air ou huile + revenu 4 h à 590 °C, air
H1150	Recuit 1030/1050 °C/air ou huile + revenu 4 h à 620 °C, air

Formage à chaud

L'UGI® 15-5 PH AIR convient au forgeage. Le réchauffage doit se faire entre 1150 et 1200 °C, le forgeage entre 1200 °C et 950 °C. Le refroidissement après forgeage doit être effectué à l'air ou à l'huile. Les pièces obtenues doivent ensuite être traitées thermiquement (recuit de mise en solution et éventuel revenu, voir section précédente).

Autres

Contrôle par magnétoscopie et macrostructure :

L'UGI® 15-5 PH AIR est conforme à l'AMS 2300 : Indice Fréquence/Sévérité 0/0. La macrostructure est conforme à l'AMS 5659 : classes 1 à 4 généralement sévérité A selon ASTM A604.

Produits disponibles :

Produit	Profil	Finition surface	Tolérance	Dimensions (mm)
Barre	Ronde	Tournée lisse	k12 – k13	22 – 115
		Ébarbée et polie	h11 – h10 – h9	22 – 115
		Rectifiée sans centre	h9 – h8 – h7	5 – 115
		Tréfilée à froid	h9	5 – 21

Autres produits : contacter le fournisseur.

Traitement de surface

Procédure de décapage : L'UGI® 15-5 PH AIR se décape de la même manière que l'acier grade 630.

Si nécessaire, le traitement de décontamination suivant est recommandé pour éliminer les particules ferreuses :

• 1/4 volume d'acide nitrique à 52 % (36° Baumé)
• 3/4 volume d'eau
• Température ambiante
• Durée adaptée
• Rinçage soigneux en fin de processus

Note : la résistance à la corrosion d'un acier inoxydable dépend de nombreux facteurs liés à la composition de l'atmosphère corrosive (concentration en chlorures, présence d'agents oxydants, température, pH, agitation), ainsi qu'à la préparation du matériau (surfaces exemptes de particules métalliques, état de surface, durcissement, polissage). Des précautions sont nécessaires pour certains tests comme le test brouillard salin (ISO 9227) : par exemple, les étiquettes de marquage (pouvant causer des coulées de corrosion et réduire le temps de résistance) ne doivent pas être utilisées sur l'éprouvette.

Soudage

L'UGI® 15-5 PH AIR peut être soudé sans préchauffage, avec la plupart des techniques : GMAW ou GTAW (avec ou sans fil d'apport), LASER, résistance, faisceau d'électrons, etc. Si les caractéristiques mécaniques de la zone de soudure doivent être au même niveau que le métal de base, il faut utiliser un métal d'apport homogène (type AWS E/ER 630) et effectuer un traitement thermique post-soudage de durcissement par précipitation (voir les différents traitements PH page 4). Si les caractéristiques mécaniques de la zone de soudure n'ont pas à être au niveau du métal de base, un métal d'apport type ER308LSi (19 9 L Si) peut être utilisé.

Si aucun traitement de durcissement par précipitation n'est fait après soudage, un traitement de décontrainte à 250/300 °C peut être utile pour augmenter la ténacité de la ZAT et éviter tout risque de fissuration à froid due aux microstructures martensitiques en l'état soudé. Par ailleurs, la conception du soudage doit tenir compte des précautions requises pour tous les aciers à haute limite d'élasticité : éviter les entailles et changements brusques de section. Pour le GMAW, nous recommandons un gaz de protection Ar+1%CO₂ ou 1-2%O₂ ; pour GMAW et GTAW, les gaz contenant H₂ et N₂ sont à éviter.