Production d'acier de coulée : Propriétés clés, composition et performance

Essais et inspection en fonderie

L'acier de coulée est un alliage ferreux avec une teneur maximale en carbone d'environ 0,75 %. Les coulées en acier sont des objets métalliques solides produits en remplissant le vide d'un moule avec de l'acier liquide. Ils sont disponibles dans beaucoup des mêmes aciers au carbone et alliés que les métaux forgés. Les propriétés mécaniques de l'acier de coulée sont généralement inférieures aux aciers forgés, mais avec la même composition chimique. L'acier de coulée compense cet inconvénient par sa capacité à former des formes complexes en moins d'étapes.

Propriétés de l'acier de coulée

Les aciers de coulée peuvent être produits avec une large gamme de propriétés. Les propriétés physiques changent significativement selon la composition chimique et le traitement thermique. Elles sont sélectionnées pour correspondre aux exigences de performance de l'application visée.

• Dureté
  Capacité à résister à l'abrasion. La teneur en carbone détermine la dureté maximale obtenable, ou trempabilité.

• Résistance
  Force nécessaire pour déformer un matériau. Teneur en carbone et dureté plus élevées donnent un acier plus résistant.

• Ductilité
  Capacité d'un métal à se déformer sous contrainte de traction. Teneur en carbone et dureté plus faibles donnent une ductilité plus élevée.

• Tenacité
  Capacité à résister aux contraintes. Ductilité accrue généralement associée à meilleure tenacité. Ajustable par ajout d'éléments d'alliage et traitement thermique.

• Résistance à l'usure
  Résistance au frottement et à l'usage. L'acier de coulée présente une résistance à l'usure similaire aux aciers forgés de composition similaire. L'ajout d'éléments comme molybdène et chrome peut l'augmenter.

• Résistance à la corrosion
  Résistance à l'oxydation et à la rouille. Similaire aux aciers forgés. Aciers hautement alliés avec chrome et nickel élevés sont hautement résistants à l'oxydation.

• Usinabilité
  Facilité à changer de forme par enlèvement de matière (coupe, meulage, perçage). Influencée par dureté, résistance, conductivité thermique, dilatation thermique.

• Soudabilité
  Capacité à être soudé sans défauts. Dépend principalement de la composition chimique et du traitement thermique.

• Propriétés à haute température
  Aciers opérant au-dessus de la température ambiante subissent dégradation des propriétés mécaniques et défaillance précoce par oxydation, dommages par hydrogène, formation d'écailles sulfureuses, instabilité des carbures.

• Propriétés à basse température
  La ténacité de l'acier de coulée est sévèrement réduite à basse température. Alliages et traitements thermiques spécialisés peuvent améliorer la capacité à supporter charges et contraintes.

Composition chimique de l'acier de coulée

La composition chimique a une incidence significative sur les propriétés de performance et est souvent utilisée pour classer l'acier ou attribuer des désignations standard. Les aciers de coulée se divisent en deux grandes catégories — acier de coulée au carbone et acier de coulée allié.

Acier de coulée au carbone

Comme les aciers forgés, les aciers de coulée au carbone peuvent être classés selon leur teneur en carbone. Faible teneur (0,2 % C) : relativement tendre, pas facilement traitables thermiquement. Teneur moyenne (0,2–0,5 % C) : plus dur, susceptible de renforcement par traitement thermique. Haute teneur (0,5 % C) : quand dureté maximale et résistance à l'usure sont désirées.

Acier de coulée allié

Catégorisé en faible ou haut alliage. Faible alliage (≤ 8 % alliage) : comportement similaire au carbone normal, mais trempabilité plus haute. Haut alliage (> 8 %) : conçu pour produire une propriété spécifique — résistance à la corrosion, chaleur, ou usure.

Aciers hautement alliés courants : acier inoxydable (> 10,5 % chrome) et acier au manganèse de Hadfield (11–15 % manganèse). L'ajout de chrome, formant une couche de passivation d'oxyde de chrome à l'exposition à l'oxygène, donne à l'inox une excellente résistance à la corrosion. La teneur en manganèse de l'acier Hadfield donne haute résistance et résistance à l'abrasion sous travail intensif.

ASTM	Exigences chimiques					Exigences de traction
GRADE D'ACIER	Carbone	Manganèse	Silicium	Soufre	Phosphore	Résistance traction	Limite élasticité	Allongement 50 mm	Réduction section
	Max % / Plage					Min. ksi [MPa] / Plage		Min. %
	ASTM A27 / A27M
ASTM A27, Grade N-1	0.25	0.75	0.80	0.06	0.05	N/A	N/A	N/A	N/A
ASTM A27, Grade N-2	0.35	0.60	0.80	0.06	0.05	N/A	N/A	N/A	N/A
ASTM A27, Grade U60-30	0.25	0.75	0.80	0.06	0.05	60 [415]	30 [205]	22	30
ASTM A27, Grade 60-30	0.30	0.60	0.80	0.06	0.05	60 [415]	30 [205]	24	35
ASTM A27, Grade 65-35	0.30	0.70	0.80	0.06	0.05	65 [450]	35 [240]	24	35
ASTM A27, Grade 70-36	0.35	0.70	0.80	0.06	0.05	70 [485]	36 [250]	22	30
ASTM A27, Grade 70-40	0.25	1.20	0.80	0.06	0.05	70 [485]	40 [275]	22	30
	ASTM A148 / A148M
ASTM A148, Grade 80-40	N/A	N/A	N/A	0.06	0.05	80 [550]	40 [275]	18	30
ASTM A148, Grade 80-50	N/A	N/A	N/A	0.06	0.05	80 [550]	50 [345]	22	35
ASTM A148, Grade 90-60	N/A	N/A	N/A	0.06	0.05	90 [620]	60 [415]	20	40
	ASTM A216 / A216M
ASTM A216, Grade WCA	0.25	0.70	0.60	0.045	0.04	60-85 [415-585]	30 [205]	24	35
ASTM A216, Grade WCB	0.30	1.00	0.60	0.045	0.04	70-95 [485-655]	36 [250]	22	35
ASTM A216, Grade WCC	0.25	1.20	0.60	0.045	0.04	70-95 [485-655]	40 [275]	22	35

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Grades d'acier de coulée

Les grades d'acier ont été créés par des organismes de normalisation (ASTM International, AISI, SAE) pour classer les aciers avec compositions chimiques et propriétés physiques spécifiques. Les fonderies peuvent développer leurs propres grades internes pour répondre à la demande utilisateur de propriétés spécifiques ou standardiser des grades de production.

Les spécifications pour aciers forgés ont souvent servi à classer différents alliages de coulée par leurs éléments d'alliage principaux. Cependant, les aciers de coulée ne suivent pas nécessairement les compositions d'aciers forgés. Les teneurs en silicium et manganèse sont fréquemment plus élevées dans les aciers de coulée vs équivalents forgés. En plus de leurs niveaux plus élevés de silicium et manganèse, les aciers alliés de coulée utilisent aluminium, titane, zirconium pour la désoxydation pendant la coulée. L'aluminium est prédominamment utilisé comme désoxydant pour son efficacité et coût relatif faible.

Production d'acier de coulée

La pratique de la coulée d'acier remonte à la fin des années 1750, bien plus tard que pour d'autres métaux. Le point de fusion élevé de l'acier, et le manque de technologie pour fondre et traiter les métaux, ont retardé le développement de l'industrie. Ces défis ont été surmontés par les avancées en technologie de fours.

Les fours sont des vaisseaux réfractaires contenant la « charge » (matériau à fondre) et fournissant l'énergie de fusion. Deux types de fours en fonderie d'acier moderne : arc électrique et induction.

Four à arc électrique

Fond des lots de métal appelés « chauffées » par arc électrique entre électrodes graphite. La charge passe directement entre les électrodes, exposée à l'énergie thermique de la décharge électrique continue.

Les fours à arc électrique suivent un cycle de vidange à vidange :

1. Chargement du four
   Ferraille d'acier et alliages ajoutés au four.

2. Fusion
   Acier fondu en fournissant énergie à l'intérieur. Énergie électrique via électrodes graphite — contributeur principal. Énergie chimique via brûleurs oxy-combustibles et lances à oxygène.

3. Affiner
   Oxygène injecté pour éliminer impuretés et gaz dissous pendant la fusion.

4. Déslaitage
   Excès de laitier, contenant souvent impuretés indésirables, retiré du bain avant vidange. Peut aussi avoir lieu dans la poche avant coulée.

5. Vidange (tap out)
   Métal retiré du four par basculement, versé dans vaisseau de transfert (poches).

6. Rotation du four
   Vidange et préparation terminées pour le cycle de charge suivant.

Des étapes continues additionnelles sont souvent prises à divers stades pour désoxyder davantage l'acier et éliminer le laitier avant coulée. La chimie de l'acier peut nécessiter ajustement pour tenir compte de l'appauvrissement en alliage pendant une vidange prolongée.

Four à induction

Four électrique où l'énergie thermique est transférée par induction. Une bobine de cuivre entoure le conteneur de charge non conductrice, et un courant alternatif traverse la bobine créant une induction électromagnétique dans la charge.

Les fours à induction peuvent fondre la plupart des métaux, avec pertes de fusion minimales. Inconvénient : peu de raffinage possible. Contrairement au four à arc, l'acier ne peut pas être transformé.

Les fonderies d'acier modernes utilisent fréquemment de la ferraille d'acier recyclée pour réduire coûts et impact environnemental. Voitures obsolètes, composants mécaniques, etc. sont séparés, dimensionnés, expédiés aux fonderies comme ferraille. Combinée avec ferraille interne du processus de coulée et éléments d'alliage pour charger le four de fusion.

Traitement thermique

Après solidification, démoulage, nettoyage, les propriétés physiques de l'acier de coulée sont développées par traitement thermique approprié.

• Recuit
  Chauffer les coulées à température spécifique, maintenir temps spécifique, puis refroidir très lentement.

• Normalisation
  Similaire au recuit, mais refroidissement à l'air libre, parfois avec ventilateurs. Aide à atteindre résistances plus hautes.

• Trempe
  Similaire à normalisation, mais refroidissement beaucoup plus rapide par air forcé. Eau ou huiles comme milieu de trempe.

• Revenu (ou détente)
  Technique pour soulager contraintes internes des coulées. Ces contraintes peuvent apparaître du processus de coulée, ou pendant traitements de renforcement/durcissement comme normalisation ou trempe. Le revenu implique chauffer les coulées à température bien en dessous de la température de recuit, maintenir, puis refroidir lentement.

Inspection de l'acier de coulée

Les coulées en acier sont souvent soumises à inspections pour vérifier propriétés physiques : précision dimensionnelle, état de finition de surface, solidité interne. En plus, la composition chimique doit être inspectée. Elle est dramatiquement affectée par éléments d'alliage mineurs. Les alliages d'acier de coulée sont sensibles aux variations de composition, donc analyses chimiques requises pour vérifier la composition exacte avant coulée. Un petit échantillon de métal en fusion est coulé dans un moule et analysé.

Précision dimensionnelle

Inspections dimensionnelles pour s'assurer que les coulées répondent aux exigences et tolérances du client, incluant tolérances d'usinage. Il peut être nécessaire de détruire des échantillons pour mesurer dimensions intérieures.

État de finition de surface

Inspections de finition de surface pour explorer l'apparence esthétique. Recherche de défauts en surface et sous-surface pas évidents visuellement. La finition peut être influencée par type de modèle, sable de moulage, enduit de moule, poids de la pièce, méthodes de nettoyage.

Solidité interne

Toutes les coulées ont un niveau de défauts, et la spécification de solidité détermine le seuil acceptable. Sur-spécification du niveau maximal de défauts mène à taux de rebut plus hauts et coûts plus élevés. Sous-spécification peut mener à défaillance.

Trois défauts internes courants dans les coulées d'acier :

1. Porosité
   Vides aux parois intérieures lisses et brillantes. Généralement résultat d'évolution de gaz ou piégeage de gaz pendant la coulée.

2. Inclusions
   Morceaux de matériau étranger dans la coulée. Peut être métallique, intermétallique, ou non métallique. Provenant du moule (débris, sable, matériaux de noyau), ou entrant pendant la coulée.

3. Retrait (Shrinkage)
   Vacance ou zone de faible densité typiquement interne. Causée par un îlot fondu sans assez de métal d'alimentation pendant la solidification. Cavités de retrait aux parois intérieures cristallines rugueuses.

Analyse chimique

Généralement par méthodes chimiques humides ou spectrochimiques. Analyse humide pour déterminer composition de petits échantillons, ou vérifier analyse produit post-production. Analyse spectrométrique bien adaptée à la détermination rapide et routinière de composition d'échantillons plus grands en fonderie de production active. Les fonderies peuvent analyser au niveau chauffée et produit.

Analyse de chauffée

Pendant l'analyse de chauffée, un petit échantillon d'acier liquide est prélevé au four, laissé solidifier, puis analysé par spectrochimie. Si la composition n'est pas correcte, ajustements rapides possibles au four ou poche avant coulée. Une fois correcte, l'analyse de chauffée est généralement considérée représentation exacte de la composition de toute la chauffée. Cependant, variations attendues par ségrégation des éléments d'alliage, et temps pour vider la chauffée. Oxydation de certains éléments possible pendant la coulée.

Analyse de produit

Effectuée pour vérification chimique spécifique, car la composition de pièces individuelles coulées peut ne pas entièrement conformer à la spécification applicable. Cela peut arriver même si le produit a été coulé d'une chauffée où l'analyse était correcte. Pratiques et standards industriels permettent certaines variations entre analyse de chauffée et analyse de produit.

Essais de l'acier de coulée

Une variété de propriétés mécaniques peut être obtenue pour coulées en acier au carbone et allié en modifiant composition et traitements thermiques. Les fonderies utilisent des méthodes d'essai spécialisées pour vérifier propriétés mécaniques avant achèvement.

Pour les essais d'acier de coulée, deux types d'essais en industrie : destructifs et non destructifs. Essais destructifs nécessitent la destruction d'une pièce test pour déterminer visuellement la solidité interne. Cette méthode ne donne info que sur la pièce testée, ne garantit pas que d'autres pièces seront saines. Essais non destructifs vérifient solidité interne et externe sans endommager la pièce. Une fois les tests passés, la pièce peut être utilisée pour son application.

Propriétés de traction

Indication de la capacité d'une coulée à supporter des charges sous chargement lent. Mesurées sur échantillon représentatif soumis à traction contrôlée — forces de traction aux deux extrémités de la barre — jusqu'à rupture. À la rupture, propriétés examinées.

PROPRIÉTÉS DE TRACTION

PROPRIÉTÉS

DESCRIPTION

Résistance à la traction

Contrainte requise pour rompre une coulée en traction, ou sous charge d'étirement.

Limite d'élasticité

Point où une coulée commence à céder ou s'étirer et montrer déformation plastique en traction.

Allongement (%)

Mesure de ductilité, ou capacité à se déformer plastiquement.

Réduction de section (%)

Mesure secondaire de ductilité. Démontre la différence entre section transversale originale de la barre de traction, et section minimale après rupture en traction.

Propriétés de pliage

Identifient la ductilité en utilisant un échantillon rectangulaire plié autour d'une goupille à angle spécifique. La barre pliée est observée pour vérifier fissures objectionables.

Propriétés d'impact

Mesure de la ténacité par test de l'énergie requise pour briser un échantillon entaillé standard. Plus l'énergie requise est grande, plus le matériau est tenace.

Dureté

Mesure de la résistance à la pénétration par essais d'indentation. Propriété indiquant résistance à l'usure et l'abrasion. Les essais de dureté fournissent aussi une méthode facile, routinière pour tester des indications de résistance à la traction en production. Un résultat d'échelle de dureté corrélera normalement étroitement avec les propriétés de résistance à la traction.

Services de coulée sur mesure

Reliance Foundry collabore avec ses clients pour déterminer les meilleures propriétés physiques et chimiques, traitement thermique, et méthodes d'essai pour chaque coulée personnalisée. Demandez un devis pour en savoir plus sur la façon dont notre service peut répondre à vos besoins.