L'acier au carbone est-il meilleur que l'acier doux ?

Ou sont-ils les mêmes ?

L'acier au carbone est-il meilleur que l'acier doux ? Question piège! L'acier doux est un type d'acier au carbone. L'élément carbone est présent dans tous les aciers. Chaque fois que ce carbone est l'élément d'alliage principal, l'alliage est considéré comme un acier au carbone. L'acier « à faible teneur en carbone » est un autre nom pour l'acier doux. Il existe d'autres aciers au carbone, de différentes teneurs en carbone. Lequel est le meilleur dépend de l'application pour laquelle l'acier sera utilisé.

Plus de 1,5 milliard de tonnes d'acier sont produites chaque année pour fabriquer des produits aussi divers que des aiguilles à coudre et des poutres structurelles pour les gratte-ciel. Les aciers au carbone sont les alliages d'acier les plus couramment utilisés, représentant environ 85 % de toute la production aux États-Unis. La teneur en carbone du produit est comprise entre 0 et 2 %. Ce carbone affecte la microstructure de l'acier, lui conférant une résistance et une ténacité légendaires. Ces alliages contiennent également de petites quantités de manganèse, de silicium et de cuivre. L'acier doux est un terme commercial désignant l'acier à faible teneur en carbone, où la teneur en carbone est comprise entre 0,04 et 0,3 %.

Catégories d'acier au carbone

L'acier au carbone peut être classé en fonction de la composition chimique et des caractéristiques du produit. L'acier doux relève également de la catégorie de l'acier à faible teneur en carbone car il est composé d'une teneur en carbone similaire. L'acier au carbone ordinaire est exempt d'alliages et peut être classé en quatre catégories :

1. Acier à faible teneur en carbone ou acier doux

L'acier à faible teneur en carbone a une teneur en carbone de 0,04 à 0,3% et est la nuance d'acier au carbone la plus courante. L'acier doux est également considéré comme un acier à faible teneur en carbone car il est défini comme ayant une faible teneur en carbone de 0,05 à 0,25 %. L'acier doux est ductile, hautement formable et peut être utilisé pour les pièces de carrosserie, les plaques et les produits en fil métallique. À l'extrémité supérieure de la plage de faible teneur en carbone, et avec l'ajout de manganèse jusqu'à 1,5 %, les propriétés mécaniques conviennent aux emboutis, aux pièces forgées, aux tubes sans soudure et aux plaques de chaudière.

2. Acier au carbone moyen

L'acier à carbone moyen a une plage de carbone de 0,31 à 0,6% et une plage de manganèse de 0,6 à 1,65%. Cet acier peut être traité thermiquement et trempé pour ajuster davantage la microstructure et les propriétés mécaniques. Les applications populaires incluent les arbres, les essieux, les engrenages, les rails et les roues de chemin de fer.

3. Acier à haute teneur en carbone

L'acier à haute teneur en carbone a une plage de carbone de 0,6 à 1% avec une teneur en manganèse de 0,3 à 0,9%. Les propriétés des aciers à haute teneur en carbone les rendent aptes à être utilisés comme ressorts et fils à haute résistance. Ces produits ne peuvent être soudés que si un programme détaillé de traitement thermique est inclus dans la procédure de soudage. L'acier à haute teneur en carbone est utilisé pour les outils tranchants, les fils à haute résistance et les ressorts.

4. Aciers à très haute teneur en carbone

L'acier à très haute teneur en carbone a une plage de carbone de 1,25 à 2% et est connu comme un alliage expérimental. La trempe peut produire un acier avec un niveau de dureté élevé, ce qui est utile pour des applications telles que des couteaux, des essieux ou des poinçons.

Fabrication d'acier au carbone

L'acier au carbone et l'acier doux sont fabriqués en trois étapes :

1. Aciérie primaire
2. sidérurgie secondaire
3. Diffusion

Celles-ci sont suivies de diverses techniques de finition qui ont un effet direct sur les caractéristiques du produit final.

1. Sidérurgie primaire

L'acier peut être soit fabriqué à partir de matériaux 100 % recyclés, soit à partir d'une combinaison de matériaux recyclés et d'acier vierge. L'acier vierge est produit dans un haut fourneau à partir de minerai de fer, de coke (produit à partir de charbon) et de chaux. Les matières premières sont ajoutées au sommet du four, qui fonctionne à 3000°F. Au fur et à mesure que le minerai de fer fond et se mélange au coke en combustion, du carbone est libéré dans le produit fondu. Les impuretés sont absorbées par la chaux dans un laitier à la surface, qui peut être écrémé de l'acier liquide. Le produit à ce stade contient environ 4 % de carbone et contient encore quelques impuretés. L'acier vierge en fusion est transféré vers le four à oxygène basique (BOF), qui contient déjà de la ferraille recyclée. De l'oxygène pur est soufflé à travers l'acier liquide pour oxyder l'excès de carbone, formant un produit fini contenant jusqu'à 1,5 % de carbone.

La ferraille d'acier recyclée peut être retraitée sans ajout d'acier vierge dans un four à arc électrique. Les arcs électriques à haute puissance font fondre le métal à des températures allant jusqu'à 3 000 °F. Au fur et à mesure que la ferraille fond, d'autres lots de ferraille peuvent être ajoutés au four jusqu'à sa capacité. Une fois qu'un bain plat d'acier fondu est obtenu, de l'oxygène est soufflé de la même manière que le BOF. Dans les deux cas, l'acier fondu est prélevé du four dans des poches ou des bains d'acier pour un traitement ultérieur, tandis que le laitier de surface contenant des impuretés est éliminé.

2. Sidérurgie secondaire

Les demandes du marché pour des produits en acier de meilleure qualité et des propriétés constantes ont alimenté le développement de procédés de fabrication d'acier secondaires.

Four à arc électrique

La composition de l'acier est modifiée dans un four à arc électrique en ajoutant ou en supprimant des composants individuels ou en manipulant la température.

• Agitation
  Les champs électromagnétiques sont utilisés pour induire des courants turbulents dans la poche. Cette méthode sépare facilement les inclusions non métalliques, qui flottent à la surface, tout en assurant un mélange et une composition homogènes de l'acier.
• Four poche
  La poche agit comme un four à électrode secondaire permettant un contrôle précis de la température et l'injection mesurée de composants d'alliage.
• Injection en poche
  Un gaz inerte est injecté dans le fond du bain d'acier. Lorsque le gaz se réchauffe et monte à travers l'acier fondu, un effet d'agitation est obtenu.
• Dégazage
  Élimine l'hydrogène, l'oxygène et l'azote, tout en réduisant la teneur en soufre du produit. Diverses techniques utilisées pour dégazer l'acier en fusion, notamment le vide, l'injection de gaz inerte et le contrôle de la température.
• Réglage de la composition (bullage d'argon scellé avec soufflage d'oxygène – CAS-OB)
  L'agitation est réalisée en injectant du gaz argon dans le bain d'acier scellé. Un agencement de tuba empêche le laitier d'être perturbé tandis que la teneur en hydrogène est réduite et que les inclusions d'oxyde flottent à la surface. L'oxygène est introduit dans le bain par une lance et de l'aluminium est ajouté par le tuba, ce qui permet un meilleur contrôle de la température et une composition finale précise.

Acier désoxydant

Un aspect critique de la fabrication de l'acier secondaire est l'élimination de l'oxygène. La présence d'oxygène dans l'acier en fusion lorsqu'il commence à se solidifier entraîne une réaction avec le carbone pour libérer du monoxyde de carbone. Le contrôle de la désoxydation permet de modifier les caractéristiques du produit fini et donc l'aptitude de l'acier à être utilisé pour différentes applications.

• Acier de jante
  Les aciers pour jantes sont des aciers non désoxydés ou partiellement désoxydés. Des niveaux élevés de monoxyde de carbone sont produits lors de la solidification, ce qui donne une bonne qualité de surface mais avec la présence de nombreux trous de soufflage.
• Acier recouvert
  Les aciers recouverts suivent initialement le même schéma que le rebord, mais après environ une minute, le moule est recouvert pour supprimer la formation de monoxyde de carbone.
• Acier semi-calmé
  Les aciers semi-calmés ont été partiellement désoxydés avant d'être versés dans le moule et ont généralement une teneur en carbone comprise entre 0,15 et 0,3 %.
• Acier calmé
  Les aciers calmés ont été entièrement désoxydés de sorte qu'il n'y a aucune formation de monoxyde de carbone pendant la solidification. Le produit fini a une structure homogène et pas d'évents. L'aluminium est ajouté dans la poche ou le moule en tant que désoxydant primaire pour "tuer" la formation de monoxyde de carbone ; cependant, il existe des applications où l'ajout d'aluminium au produit fini n'est pas souhaitable. Les alternatives à l'aluminium sont les ferroalliages de manganèse et de silicium ou de siliciure de calcium.

3. Casting

Les méthodes de coulée traditionnelles impliquent le levage de la poche par une grue afin que l'acier fondu puisse être coulé dans des moules individuels montés sur des wagons. Les lingotières sont légèrement effilées pour faciliter le retrait des lingots après solidification. Les lingots sont transférés dans des fosses de trempage où ils sont réchauffés pour le laminage à chaud.

Les machines de coulée permettent la coulée continue de l'acier fondu dans des formes plus adaptées au traitement en aval. Les poches sont soulevées vers une plate-forme surélevée où elles déchargent l'acier fondu dans un répartiteur, qui alimente la machine de coulée. L'acier fondu est introduit du répartiteur dans un moule refroidi à l'eau avec une plaque de fond mobile. Au fur et à mesure que la peau d'acier se solidifie, la plaque est lentement abaissée, permettant à plus d'acier fondu d'entrer dans le moule. L'acier est façonné en brames, blooms ou billettes dans une machine de coulée continue. Le produit solidifié est tiré par des rouleaux avant d'être redressé et coupé en sortie de machine. Ce processus peut se poursuivre pendant des jours ou des semaines sans interruption.

Finition en acier au carbone

Une fois le processus de fabrication de l'acier au carbone terminé, il est fini par laminage, traitement thermique, traitement de surface ou traitement secondaire en aval.

Produit roulant

Les lingots coulés solides doivent être laminés dans des formes et des tailles plus utiles comme celles produites par la coulée continue. L'acier est comprimé et tiré par des rouleaux rotatifs. Les rouleaux tournent à un rythme plus rapide que l'acier lorsqu'il entre dans la machine, poussant ainsi l'acier vers l'avant et le comprimant.

Formage à chaud

L'acier est chauffé au-dessus de la température de recristallisation pour briser la microstructure brute de coulée. Cela donne une taille de grain plus uniforme et une répartition uniforme du carbone dans l'acier.

Formage à froid

Le formage à froid est réalisé en dessous de la température de recristallisation. Ce processus augmente la résistance grâce à l'écrouissage jusqu'à 20 %, tout en améliorant la finition et en permettant des tolérances plus serrées. L'acier sort du processus de laminage sous forme de produits semi-finis sous forme de blooms, de billettes ou de brames, selon les dimensions finales. Un bloom est une dalle rectangulaire très épaisse, une billette a une épaisseur similaire mais une largeur plus étroite, et une dalle est un produit plus fin et plus large.

Les produits semi-finis sont ensuite transformés en produits intermédiaires dans un laminoir pour les préparer à la fabrication et au traitement final par des entreprises en aval.

PRODUITS ET APPLICATIONS DE FORMAGE À FROID

PRODUITS

APPLICATIONS

Fleurs

Applications structurelles

Garde-corps

Garde-corps
Mains courantes
Garde-corps personnalisés

Barres roulées

Machine de construction
Chantier

Plaques (épaisseur supérieure à 1/4 de pouce)

Fabrication lourde
Chaudières
Des ponts
Navires industriels
réservoirs
Navires

Feuilles (épaisseur inférieure à 1/4 de pouce)

Carrosseries
Appareils ménagers
Matériel de bureau
Canettes de boisson

Tiges rondes/carrées

Ossatures de construction
Croisillons
Arbres
Essieux

Une fois que l'acier quitte le laminoir, les entreprises en aval utilisent différentes techniques de traitement secondaire pour prévenir la corrosion et améliorer les propriétés du métal. La technique prédominante pour ce faire est le traitement thermique.

Traitement thermique

Le but du traitement thermique de l'acier est de manipuler ses propriétés mécaniques en modifiant la répartition du carbone dans le produit et la microstructure interne. Lors de la manipulation des propriétés mécaniques de l'acier, une augmentation de la ductilité entraîne une réduction de la dureté et de la résistance et vice versa.

Normalisation

L'acier est chauffé à une température d'environ 130 °F au-dessus de la température critique supérieure. La température est maintenue jusqu'à ce que l'ensemble du produit soit uniformément chauffé, après quoi il est refroidi à l'air. Il s'agit de la forme de traitement thermique la plus courante et confère à l'acier une résistance et une dureté élevées.

Recuit

La température de l'acier est portée à l'état de solution solide pendant une heure avant de refroidir à une vitesse de 70°F par heure. Un acier doux et ductile en résulte sans contraintes internes.

Extinction

Un processus similaire à la normalisation, mais le refroidissement est accéléré par la trempe de l'acier dans de l'eau, de la saumure ou de l'huile. Le produit résultant est très dur - jusqu'à quatre fois plus dur que l'acier normalisé - mais très cassant, ce qui le rend susceptible de se casser et de se fissurer. Pour cette raison, la trempe à une température prédéterminée est normalement suivie d'une vitesse de refroidissement contrôlée jusqu'à la température ambiante dans un processus appelé revenu ou relaxation des contraintes. En concevant les paramètres de température et de vitesse de refroidissement pendant le traitement thermique, les propriétés de l'acier peuvent être contrôlées avec précision.

Traitement de surface

Environ un tiers de l'acier produit est traité avec un revêtement de surface pour inhiber la corrosion, améliorer la soudabilité et l'aptitude à la peinture.

Galvanisation à chaud

La galvanisation est un processus d'application d'une couche de surface de zinc sur l'acier. L'acier est chauffé avant d'entrer dans un bain de zinc, où le zinc liquide recouvre la surface du produit. L'épaisseur du revêtement est contrôlée avec des couteaux à gaz. Pour éviter que le revêtement de zinc ne se fissure, une petite quantité d'aluminium est ajoutée à la solution de zinc.

Galvanisation électrolytique

Un autre processus d'application d'une couche de zinc sur des produits en acier est la galvanisation électrolytique. Le zinc est déposé sur la surface de l'acier en contrôlant le courant dans une solution d'électrolyte. Cette technique permet un meilleur contrôle de l'épaisseur du revêtement. Il peut également être utilisé pour appliquer des revêtements différentiels avec des épaisseurs différentes de chaque côté d'un produit, ou des revêtements en alliage de zinc pour optimiser les caractéristiques souhaitées.

Traitement secondaire en aval

Les entreprises en aval transforment ensuite leurs matières premières en acier en produits finis. Différentes techniques de traitement sont utilisées telles que l'usinage, qui consiste à enlever uniformément le métal de surface avec des machines-outils. L'assemblage de l'acier est également courant et utilise diverses techniques de soudage.

Recyclage de l'acier au carbone

Le recyclage des métaux est l'une des réussites de la vie durable et de la minimisation de l'impact des activités humaines sur l'environnement. L'acier est le matériau le plus recyclé sur la planète, plus que tous les autres matériaux combinés.

Les sources d'acier recyclé comprennent la ferraille des aciéries, les fabricants secondaires et les produits en acier à la fin de leur cycle de vie. Il n'y a souvent pas assez d'acier recyclé pour répondre à la demande de fabrication, il y a donc presque toujours une combinaison d'acier vierge et recyclé dans la production de produits finis.

Le recyclage de l'acier est également économique car il réduit le coût des produits finis. Pour cette raison, l'industrie sidérurgique s'est activement impliquée dans la promotion et la mise en place de filières de recyclage pour faciliter le recyclage des produits en fin de vie.

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