Brasage de l'acier inoxydable

Brasage de l'acier inoxydable

1. Brasabilité

Le principal problème du brasage de l'acier inoxydable réside dans la couche d'oxyde superficielle qui affecte considérablement le mouillage et l'étalement de la brasure. De nombreux aciers inoxydables contiennent une quantité importante de chrome (Cr), et certains contiennent également du nickel (Ni), du titane (Ti), du manganèse (Mn), du molybdène (Mo), du niobium (Nb) et d'autres éléments, susceptibles de former divers oxydes, voire des oxydes composites, en surface. Parmi eux, les oxydes Cr₂O₃ et TiO₂, formés respectivement par le chrome et le titane, sont particulièrement stables et difficiles à éliminer. Lors d'un brasage à l'air, l'utilisation d'un flux actif est indispensable à leur élimination. Sous atmosphère protectrice, la réduction de la couche d'oxyde n'est possible que dans une atmosphère de haute pureté, à point de rosée bas et à température suffisamment élevée. Enfin, lors d'un brasage sous vide, un vide et une température suffisants sont nécessaires pour obtenir un brasage de qualité.

Un autre problème lié au brasage de l'acier inoxydable est l'influence importante de la température de chauffage sur la structure du métal de base. La température de brasage de l'acier inoxydable austénitique ne doit pas dépasser 1150 °C, sous peine d'une croissance excessive du grain. Si l'acier inoxydable austénitique ne contient pas d'éléments stables tels que le titane (Ti) ou le niobium (Nb) et présente une teneur élevée en carbone, le brasage doit également être évité dans la plage de température de sensibilisation (500 à 850 °C) afin de prévenir la diminution de la résistance à la corrosion due à la précipitation de carbure de chrome. Le choix de la température de brasage pour l'acier inoxydable martensitique est plus strict. Il convient d'une part d'adapter la température de brasage à la température de trempe, afin de combiner le brasage au traitement thermique ; d'autre part, la température de brasage doit être inférieure à la température de revenu pour éviter le ramollissement du métal de base pendant le brasage. Le principe de sélection de la température de brasage pour l'acier inoxydable à durcissement structural est identique à celui de l'acier inoxydable martensitique : la température de brasage doit être adaptée au système de traitement thermique pour obtenir les meilleures propriétés mécaniques.

Outre les deux problèmes principaux mentionnés ci-dessus, le brasage de l'acier inoxydable austénitique, notamment avec un métal d'apport cuivre-zinc, présente un risque de fissuration sous contrainte. Afin d'éviter ce phénomène, la pièce doit subir un recuit de détente avant le brasage et être chauffée uniformément pendant celui-ci.

2. Matériau de brasage

(1) Selon les exigences d'utilisation des soudures en acier inoxydable, les métaux d'apport de brasage couramment utilisés pour les soudures en acier inoxydable comprennent le métal d'apport de brasage à l'étain et au plomb, le métal d'apport de brasage à base d'argent, le métal d'apport de brasage à base de cuivre, le métal d'apport de brasage à base de manganèse, le métal d'apport de brasage à base de nickel et le métal d'apport de brasage aux métaux précieux.

La brasure étain-plomb est principalement utilisée pour le brasage de l'acier inoxydable et nécessite une teneur élevée en étain. Plus la teneur en étain est élevée, meilleure est son mouillage sur l'acier inoxydable. Le tableau 3 présente la résistance au cisaillement des joints en acier inoxydable 1Cr18Ni9Ti brasés avec différentes brasures étain-plomb courantes. Du fait de leur faible résistance, ces joints sont réservés au brasage de pièces à faible capacité portante.

Tableau 3 : résistance au cisaillement d’un joint en acier inoxydable 1Cr18Ni9Ti brasé à l’étain-plomb

Les métaux d'apport à base d'argent sont les plus couramment utilisés pour le brasage de l'acier inoxydable. Parmi eux, les alliages argent-cuivre-zinc et argent-cuivre-zinc-cadmium sont les plus répandus, car la température de brasage a peu d'influence sur les propriétés du métal de base. La résistance des joints en acier inoxydable ICr18Ni9Ti brasés avec plusieurs brasures courantes à base d'argent est présentée dans le tableau 4. Les joints en acier inoxydable brasés avec des brasures à base d'argent sont rarement utilisés dans des milieux fortement corrosifs, et leur température de service ne dépasse généralement pas 300 °C. Lors du brasage d'acier inoxydable sans nickel, afin de prévenir la corrosion du joint brasé en milieu humide, il convient d'utiliser un métal d'apport plus riche en nickel, tel que le B-AG50CuZNCDNi. Lors du brasage d'acier inoxydable martensitique, afin d'éviter le ramollissement du métal de base, il convient d'utiliser un métal d'apport supportant une température de brasage inférieure ou égale à 650 °C, tel que le B-AG40CuZNCD. Lors du brasage de l'acier inoxydable sous atmosphère protectrice, afin d'éliminer la couche d'oxyde superficielle, on peut utiliser un flux de brasage autonettoyant contenant du lithium, tel que le b-ag92culi ou le b-ag72culi. Lors du brasage de l'acier inoxydable sous vide, afin de garantir une bonne mouillabilité du métal d'apport tout en évitant la présence d'éléments volatils comme le zinc et le cérium, on peut opter pour un métal d'apport argenté contenant des éléments tels que le manganèse, le nickel et le rhodium.

Tableau 4 : résistance d’un joint en acier inoxydable ICr18Ni9Ti brasé avec un métal d’apport à base d’argent

Les métaux d'apport à base de cuivre utilisés pour le brasage de différents aciers sont principalement le cuivre pur, le cuivre-nickel et le cuivre-manganèse-cobalt. Le cuivre pur est principalement utilisé pour le brasage sous protection gazeuse ou sous vide. La température de service du joint en acier inoxydable ne dépasse pas 400 °C, mais sa résistance à l'oxydation est faible. Le cuivre-nickel est principalement utilisé pour le brasage à la flamme et par induction. La résistance du joint brasé en acier inoxydable 1Cr18Ni9Ti est présentée dans le tableau 5. On constate que le joint présente une résistance équivalente à celle du métal de base et que sa température de service est élevée. Le cuivre-manganèse-cobalt est principalement utilisé pour le brasage de l'acier inoxydable martensitique sous atmosphère protectrice. La résistance et la température de service du joint sont comparables à celles obtenues avec un métal d'apport à base d'or. Par exemple, le joint en acier inoxydable 1Cr13 brasé avec de la soudure b-cu58mnco a les mêmes performances que le même joint en acier inoxydable brasé avec de la soudure b-au82ni (voir tableau 6), mais le coût de production est considérablement réduit.

Tableau 5 : Résistance au cisaillement d’un joint en acier inoxydable 1Cr18Ni9Ti brasé avec un métal d’apport à base de cuivre haute température

Tableau 6 : résistance au cisaillement d’un joint brasé en acier inoxydable 1Cr13

Les métaux d'apport à base de manganèse sont principalement utilisés pour le brasage sous protection gazeuse, qui exige une grande pureté du gaz. Afin d'éviter la croissance des grains du métal de base, il convient de choisir un métal d'apport adapté à une température de brasage inférieure à 1150 °C. Un brasage satisfaisant est obtenu pour les joints en acier inoxydable brasés avec une brasure à base de manganèse, comme le montre le tableau 7. La température de service du joint peut atteindre 600 °C.

Tableau 7 : Résistance au cisaillement d’un joint en acier inoxydable LCR18NI9FI brasé avec un métal d’apport à base de manganèse

Lorsqu'on brase de l'acier inoxydable avec un métal d'apport à base de nickel, le joint présente de bonnes performances à haute température. Ce métal d'apport est généralement utilisé pour le brasage sous protection gazeuse ou sous vide. Afin de pallier le problème de la formation excessive de composés fragiles dans le joint brasé, qui réduit considérablement sa résistance et sa plasticité, l'épaisseur du joint doit être minimisée. Ceci permet une diffusion complète des éléments susceptibles de former une phase fragile dans le métal de base. Pour éviter la croissance des grains du métal de base due à un maintien prolongé à la température de brasage, il est possible de mettre en œuvre des procédés de maintien de courte durée et de traitement de diffusion à une température inférieure (par rapport à la température de brasage) après soudage.

Les métaux d'apport pour le brasage de l'acier inoxydable sont principalement composés d'or et de palladium. Parmi les plus courants, on trouve le B-Au82Ni et le B-Ag54Cupd, qui présentent une bonne mouillabilité. Le joint brasé ainsi obtenu offre une résistance mécanique élevée à haute température et une excellente résistance à l'oxydation, avec une température de service maximale de 800 °C. Le B-Ag54Cupd, aux caractéristiques similaires au B-Au82Ni et moins coûteux, tend à le remplacer.

(2) La surface de l'acier inoxydable, exposée au flux et à l'atmosphère du four, contient des oxydes tels que Cr₂O₃ et TiO₂, qui ne peuvent être éliminés qu'à l'aide d'un flux à forte réactivité. Lors du brasage de l'acier inoxydable à l'étain-plomb, le flux approprié est une solution aqueuse d'acide phosphorique ou une solution d'oxyde de zinc dans l'acide chlorhydrique. La durée de vie de la solution aqueuse d'acide phosphorique étant courte, une méthode de brasage à chauffage rapide est nécessaire. Les flux Fb102, Fb103 ou Fb104 peuvent être utilisés pour le brasage de l'acier inoxydable avec des métaux d'apport à base d'argent. Pour le brasage de l'acier inoxydable avec un métal d'apport à base de cuivre, le flux Fb105 est requis en raison de la température de brasage élevée.

Lors du brasage de l'acier inoxydable au four, on utilise souvent une atmosphère sous vide ou une atmosphère protectrice (hydrogène, argon ou ammoniac décomposé). Sous vide, la pression doit être inférieure à 10⁻² Pa. Sous atmosphère protectrice, le point de rosée du gaz ne doit pas dépasser -40 °C. Si la pureté du gaz est insuffisante ou si la température de brasage est trop basse, on peut ajouter une petite quantité de flux de brasage, comme le trifluorure de bore.

2. Technologie de brasage

L'acier inoxydable doit être nettoyé plus rigoureusement avant le brasage afin d'éliminer toute trace de graisse et d'huile. Il est préférable de braser immédiatement après le nettoyage.

Le brasage de l'acier inoxydable peut être réalisé par flamme, induction ou chauffage par fluide caloporteur. Le four de brasage doit être équipé d'un système de régulation de température performant (l'écart de température de brasage doit être de ± 6 °C) et permettre un refroidissement rapide. Lorsque l'hydrogène est utilisé comme gaz de protection, ses exigences dépendent de la température de brasage et de la composition du métal de base : plus la température de brasage est basse, plus le métal de base contient de stabilisant et plus le point de rosée de l'hydrogène doit être bas. Par exemple, pour les aciers inoxydables martensitiques tels que 1Cr13 et Cr17Ni2T, lors d'un brasage à 1 000 °C, le point de rosée de l'hydrogène doit être inférieur à -40 °C ; pour l'acier inoxydable au chrome-nickel 18-8 sans stabilisant, le point de rosée de l'hydrogène doit être inférieur à 25 °C lors d'un brasage à 1 150 °C. Cependant, pour l'acier inoxydable 1Cr18Ni9Ti contenant du titane comme stabilisateur, le point de rosée de l'hydrogène doit être inférieur à -40 °C lors d'un brasage à 1150 °C. Lors d'un brasage sous protection argon, la pureté de l'argon requise doit être plus élevée. Si l'acier inoxydable est cuivré ou nickelé, les exigences relatives à la pureté du gaz de protection peuvent être allégées. Afin d'éliminer la couche d'oxyde en surface, un flux de BF3 peut être ajouté, et une brasure auto-fluxée au lithium ou au bore peut également être utilisée. Lors d'un brasage sous vide, le degré de vide requis dépend de la température de brasage : plus la température est élevée, moins le vide requis est important.

L'étape principale du traitement de l'acier inoxydable après brasage consiste à éliminer les résidus de flux et d'inhibiteur de fluidité, et à effectuer un traitement thermique post-brasage si nécessaire. Selon le flux et la méthode de brasage utilisés, les résidus de flux peuvent être éliminés par lavage à l'eau, nettoyage mécanique ou chimique. Si un abrasif est utilisé pour nettoyer les résidus de flux ou la couche d'oxyde dans la zone chauffée près du joint, il convient d'utiliser du sable ou d'autres particules fines non métalliques. Les pièces en acier inoxydable martensitique et en acier inoxydable à durcissement structural nécessitent un traitement thermique post-brasage adapté aux exigences spécifiques du matériau. Les joints en acier inoxydable brasés avec des métaux d'apport NiCrB et NiCrSi sont souvent soumis à un traitement thermique de diffusion après brasage afin de réduire les contraintes sur l'entrefer et d'améliorer la microstructure et les propriétés des joints.