Production d'acier coulé :propriétés et composition

Tests et inspection en fonderie

L'acier coulé est un alliage ferreux dont la teneur maximale en carbone est d'environ 0,75 %. Les pièces moulées en acier sont des objets métalliques solides produits en remplissant le vide dans un moule avec de l'acier liquide. Ils sont disponibles dans bon nombre des mêmes aciers au carbone et alliés qui peuvent être produits en tant que métaux corroyés. Les propriétés mécaniques de l'acier moulé sont généralement inférieures à celles des aciers corroyés, mais avec la même composition chimique. L'acier coulé compense cet inconvénient par sa capacité à former des formes complexes en moins d'étapes.

Propriétés de l'acier moulé

Les aciers moulés peuvent être produits avec une large gamme de propriétés. Les propriétés physiques de l'acier moulé changent considérablement en fonction de la composition chimique et du traitement thermique. Ils sont sélectionnés pour correspondre aux exigences de performance de l'application prévue.

• Dureté
  Capacité d'un matériau à résister à l'abrasion. La teneur en carbone détermine la dureté maximale pouvant être obtenue dans l'acier, ou la trempabilité.

• Force
  La quantité de force nécessaire pour déformer un matériau. Une teneur en carbone et une dureté plus élevées donnent un acier plus résistant.

• Ductilité
  Capacité d'un métal à se déformer sous une contrainte de traction. Une teneur en carbone plus faible et une dureté moindre se traduisent par un acier avec une ductilité plus élevée.

• Résistance
  La capacité à résister au stress. Une ductilité accrue est généralement associée à une meilleure ténacité. La ténacité peut être ajustée en ajoutant des métaux d'alliage et un traitement thermique.

• Résistance à l'usure
  La résistance d'un matériau au frottement et à l'usage. L'acier moulé présente une résistance à l'usure similaire à celle des aciers corroyés de composition similaire. L'ajout d'éléments d'alliage tels que le molybdène et le chrome peut augmenter la résistance à l'usure.

• Résistance à la corrosion
  La résistance d'un matériau à l'oxydation et à la rouille. L'acier moulé présente une résistance à la corrosion similaire à celle de l'acier forgé. Les aciers fortement alliés avec des niveaux élevés de chrome et de nickel sont très résistants à l'oxydation.

• Usinabilité
  La facilité avec laquelle une pièce moulée en acier peut changer de forme en enlevant de la matière par usinage (coupe, meulage ou perçage). L'usinabilité est influencée par la dureté, la résistance, la conductivité thermique et la dilatation thermique.

• Soudabilité
  La capacité d'un moulage d'acier à être soudé sans défauts. La soudabilité dépend principalement de la composition chimique et du traitement thermique de l'acier coulé.

• Propriétés à haute température
  Les aciers fonctionnant à des températures supérieures à la température ambiante sont sujets à des propriétés mécaniques dégradées et à des défaillances précoces dues à l'oxydation, aux dommages causés par l'hydrogène, à l'entartrage des sulfites et à l'instabilité du carbure.

• Propriétés à basse température
  La ténacité de l'acier moulé est considérablement réduite à basse température. L'alliage et les traitements thermiques spécialisés peuvent améliorer la capacité d'une pièce moulée à résister aux charges et aux contraintes.

Composition chimique de l'acier coulé

La composition chimique de l'acier moulé a une incidence importante sur les propriétés de performance et est souvent utilisée pour classer l'acier ou attribuer des désignations standard. Les aciers moulés peuvent être divisés en deux grandes catégories :l'acier moulé au carbone et l'acier moulé allié.

Acier coulé au carbone

Comme les aciers corroyés, les aciers coulés au carbone peuvent être classés en fonction de leur teneur en carbone. L'acier coulé à faible teneur en carbone (0,2 % de carbone) est relativement tendre et difficilement traitable à la chaleur. L'acier moulé à carbone moyen (0,2 à 0,5% de carbone) est un peu plus dur et se prête au renforcement par traitement thermique. L'acier coulé à haute teneur en carbone (0,5 % de carbone) est utilisé lorsqu'une dureté et une résistance à l'usure maximales sont souhaitées.

Acier moulé allié

L'acier moulé allié est classé comme faiblement ou fortement allié. L'acier moulé faiblement allié (≤ 8 % d'alliage) se comporte de la même manière que l'acier au carbone normal, mais avec une trempabilité plus élevée. L'acier moulé fortement allié (> 8 % d'alliage) est conçu pour produire une propriété spécifique, telle que la résistance à la corrosion, la résistance à la chaleur ou la résistance à l'usure.

Les aciers fortement alliés courants comprennent l'acier inoxydable (> 10,5 % de chrome) et l'acier au manganèse de Hadfield (11 à 15 % de manganèse). L'ajout de chrome, qui forme une couche de passivation d'oxyde de chrome lorsqu'il est exposé à l'oxygène, confère à l'acier inoxydable une excellente résistance à la corrosion. La teneur en manganèse de l'acier Hadfield offre une résistance élevée et une résistance à l'abrasion lors d'un travail intensif.

ASTM	Exigences chimiques					Exigences de traction
GRADE D'ACIER	Carbone	Manganèse	Silicium	Soufre	Phosphore	Résistance à la traction	Point de rendement	Élongation en 2 pouces	Réduction de zone
	% maximum / Plage					Min. ksi [Mpa] / Portée		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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Nuances d'acier coulé

Les nuances d'acier ont été créées par des organismes de normalisation tels que ASTM International, l'American Iron and Steel Institute et la Society of Automotive Engineers pour classer les aciers avec des compositions chimiques spécifiques et les propriétés physiques qui en résultent. Les fonderies peuvent développer leurs propres nuances d'acier internes pour répondre à la demande des utilisateurs pour des propriétés spécifiques ou pour normaliser des nuances de production spécifiques.

Les spécifications des aciers corroyés ont souvent été utilisées pour classer différents alliages coulés selon leurs principaux éléments d'alliage. Cependant, les aciers coulés ne suivent pas nécessairement les compositions des aciers corroyés. Les teneurs en silicium et en manganèse sont fréquemment plus élevées dans les aciers moulés par rapport à leurs équivalents corroyés. En plus de leurs niveaux principalement plus élevés de silicium et de manganèse, les aciers moulés alliés utilisent de l'aluminium, du titane et du zirconium pour la désoxydation pendant le processus de coulée. L'aluminium est principalement utilisé comme désoxydant pour son efficacité et son coût relativement faible.

Production d'acier moulé

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

Les fours sont des cuves à revêtement réfractaire qui contiennent la « charge », qui est le matériau à fondre, et fournit l'énergie nécessaire à la fusion. Il existe deux types de fours utilisés dans une fonderie d'acier moderne :l'arc électrique et l'induction.

Four à arc électrique

Le four à arc électrique fait fondre des lots de métal appelés « coulées » au moyen d'un arc électrique entre des électrodes en graphite. La charge passe directement entre les électrodes, l'exposant à l'énergie thermique de la décharge électrique en cours.

Les fours à arc électrique suivent un cycle de fonctionnement de robinet à robinet :

1. Chargement du four
   Une charge de ferraille d'acier et d'alliages est ajoutée au four.

2. Fondre
   L'acier est fondu en fournissant de l'énergie à l'intérieur du four. L'énergie électrique est fournie par des électrodes en graphite et est généralement le plus grand contributeur dans les opérations de fusion de l'acier. L'énergie chimique est fournie par des brûleurs oxycombustibles et des lances à oxygène.

3. Affinage
   L'oxygène est injecté pour éliminer les impuretés et autres gaz dissous pendant le processus de fusion.

4. Décrassage
   L'excès de laitier, qui contient souvent des impuretés indésirables, est éliminé du bain avant le coulage. Le décrassage peut également avoir lieu dans la poche de coulée avant le coulage.

5. Appuyer (ou appuyer)
   Le métal est retiré du four en inclinant le four et en versant le métal dans un récipient de transfert tel qu'une poche.

6. Retour du four
   Le robinet et la préparation sont terminés pour le prochain cycle de charge de la fournaise.

Des étapes supplémentaires continues sont souvent prises à divers stades de ce processus pour désoxyder davantage l'acier et pour éliminer les scories du métal avant la coulée. La chimie de l'acier peut devoir être ajustée pour tenir compte de l'épuisement de l'alliage lors d'un taraudage prolongé.

Four à induction

Un four à induction est un four électrique où l'énergie thermique est transférée par induction. Une bobine de cuivre entoure le conteneur de charge non conducteur et un courant alternatif traverse la bobine pour créer une induction électromagnétique dans la charge.

Les fours à induction sont capables de fondre la plupart des métaux et peuvent fonctionner avec une perte de fusion minimale. L'inconvénient est que peu d'affinage du métal est possible. Contrairement à un four à arc électrique, l'acier ne peut pas être transformé.

Les fonderies d'acier modernes utilisent fréquemment des déchets d'acier recyclés pour réduire les coûts et l'impact environnemental de la production de pièces moulées. Les voitures obsolètes, les composants mécaniques et les articles similaires sont séparés, dimensionnés et expédiés aux fonderies en tant que ferraille. Ceci est combiné avec des déchets internes générés lors du processus de coulée et combinés avec divers éléments d'alliage pour charger le four de fusion.

Traitement thermique

Une fois la pièce moulée solidifiée, retirée du moule et nettoyée, les propriétés physiques de l'acier moulé sont développées par un traitement thermique approprié.

• Recuit
  Chauffer des pièces moulées en acier à une température spécifique, les maintenir pendant une période de temps spécifique, puis les refroidir lentement.

• Normalisation
  Semblable au recuit, mais les pièces moulées en acier sont refroidies à l'air libre, parfois avec des ventilateurs. Cela aide les pièces moulées à atteindre des résistances plus élevées.

• trempe
  Semblable à la normalisation, mais le refroidissement a lieu à un rythme beaucoup plus rapide en utilisant de l'air forcé. De l'eau ou des huiles sont utilisées comme milieu de trempe.

• Tempérage (ou soulagement du stress)
  Technique utilisée pour soulager les contraintes internes à l'intérieur des pièces moulées. Ces contraintes peuvent apparaître dès le processus de coulée, ou lors de traitements thermiques de renforcement ou de durcissement tels que la normalisation ou la trempe. La relaxation des contraintes consiste à chauffer les pièces moulées à une température bien inférieure à la température de recuit, à les maintenir à cette température, puis à les refroidir lentement.

Contrôle de l'acier moulé

Les pièces moulées en acier sont souvent soumises à des inspections pour vérifier des propriétés physiques spécifiques telles que la précision dimensionnelle, l'état de finition de la surface coulée et la solidité interne. En outre, la composition chimique doit également être inspectée. La composition chimique est considérablement affectée par les éléments d'alliage mineurs ajoutés au matériau. Les alliages d'acier coulé sont sensibles aux variations de leur composition chimique, des analyses chimiques sont donc nécessaires pour vérifier la composition chimique exacte avant la coulée. Un petit échantillon de métal en fusion est versé dans un moule et analysé.

Précision dimensionnelle

Des inspections dimensionnelles sont effectuées pour s'assurer que les pièces moulées produites répondent aux exigences dimensionnelles et aux tolérances du client, y compris les tolérances d'usinage. Il peut parfois être nécessaire de détruire des moulages d'échantillons pour prendre des mesures de dimensions intérieures.

État de finition de surface

Les inspections de finition de surface de moulage sont utilisées pour explorer l'aspect esthétique des moulages. Ils recherchent des défauts à la surface et sous la surface des pièces moulées qui peuvent ne pas être évidents visuellement. La finition de surface d'une pièce moulée en acier peut être influencée par le type de motif, le sable de moulage et le revêtement de moule utilisés, ainsi que par le poids de la pièce moulée et les méthodes de nettoyage.

Fiabilité interne

Toutes les pièces moulées présentent un certain niveau de défauts et la spécification de solidité détermine le seuil de défaut acceptable. Une sur-spécification du niveau de défaut maximal autorisé entraînera des taux de rebut plus élevés et des coûts de moulage plus élevés. Une sous-spécification du niveau de défaut maximal autorisé peut entraîner une défaillance.

Les trois défauts internes courants qui se produisent dans les pièces moulées en acier sont :

1. Porosité
   Vides dans la coulée d'acier caractérisés par des parois intérieures lisses et brillantes. La porosité est généralement le résultat d'un dégagement de gaz ou d'un piégeage de gaz pendant le processus de coulée.

2. Inclusions
   Pièces de corps étrangers dans le moulage. Une inclusion peut être métallique, intermétallique ou non métallique. Les inclusions peuvent provenir de l'intérieur du moule (débris, sable ou matériaux de base) ou peuvent se déplacer dans le moule pendant le coulage du moulage.

3. Rétrécissement
   Vacance ou zone de faible densité généralement interne à la coulée. Elle est causée par un îlot de matériau fondu qui n'a pas assez de métal d'alimentation pour l'alimenter pendant le processus de solidification. Les cavités de retrait sont caractérisées par une surface intérieure cristalline rugueuse.

Analyse chimique

L'analyse chimique des aciers moulés est généralement effectuée par des méthodes d'analyse chimique par voie humide ou des méthodes spectrochimiques. L'analyse chimique par voie humide est le plus souvent utilisée pour déterminer la composition de petits échantillons ou pour vérifier l'analyse du produit après la production. En revanche, l'analyse avec un spectromètre est bien adaptée à la détermination de routine et rapide de la composition chimique d'échantillons plus grands dans un environnement de fonderie de production très actif. Les fonderies peuvent effectuer des analyses chimiques au niveau de la chaleur et du produit.

Analyse thermique

Au cours de l'analyse thermique, un petit échantillon d'acier coulé liquide est prélevé du four, laissé se solidifier, puis analysé pour sa composition chimique à l'aide d'une analyse spectrochimique. Si la composition des éléments d'alliage n'est pas correcte, des ajustements rapides peuvent être effectués dans le four ou la poche avant la coulée. Une fois correcte, une analyse thermique est généralement considérée comme une représentation précise de la composition de toute la chaleur du métal. Cependant, des variations de composition chimique sont attendues en raison de la ségrégation des éléments d'alliage et du temps nécessaire pour évacuer la chaleur de l'acier. L'oxydation de certains éléments peut se produire pendant le processus de coulée.

Analyse du produit

L'analyse du produit est effectuée pour une vérification d'analyse chimique spécifique, car la composition des pièces moulées individuelles coulées peut ne pas être entièrement conforme à la spécification applicable. Cela peut se produire même si le produit a été coulé à partir d'une coulée d'acier où l'analyse thermique était correcte. Les pratiques et les normes de l'industrie permettent une certaine variation entre l'analyse thermique et l'analyse du produit.

Test d'acier coulé

Une variété de propriétés mécaniques peut être obtenue pour les pièces moulées en acier au carbone et allié en modifiant la composition et les traitements thermiques des aciers moulés. Les fonderies utilisent des méthodes d'essai spécialisées pour vérifier les propriétés mécaniques avant l'achèvement du produit.

En ce qui concerne les essais sur acier moulé, il existe deux types d'essais utilisés dans l'industrie :les essais destructifs et non destructifs. Tests destructifs nécessite la destruction d'un moulage d'essai pour déterminer visuellement la solidité interne d'une pièce. Cette méthode ne fournit que des informations sur l'état de la pièce testée et ne garantit pas que les autres pièces seront saines. Tests non destructifs est utilisé pour vérifier la solidité interne et externe d'un moulage sans endommager le moulage lui-même. Une fois que le moulage passe les tests, il peut être utilisé pour l'application prévue.

Propriétés de traction

Les propriétés de traction des pièces moulées en acier sont une indication de la capacité d'une pièce moulée à supporter des charges dans des conditions de chargement lent. Les propriétés de traction sont mesurées à l'aide d'un échantillon moulé représentatif qui est soumis à une charge de traction contrôlée - des forces de traction exercées à chaque extrémité de la barre de traction - jusqu'à la rupture. En cas de rupture, les propriétés de traction sont examinées.

PROPRIÉTÉS DE TRACTION

PROPRIÉTÉS

DESCRIPTION

Résistance à la traction

Contrainte nécessaire pour casser un moulage en traction, ou sous une charge d'étirement.

Limite d'élasticité

Point auquel une pièce moulée commence à céder ou à s'étirer et à présenter une déformation plastique lorsqu'elle est en tension.

Allongement (%)

Mesure de la ductilité ou de la capacité d'un moulage à se déformer plastiquement.

Réduction de surface (%)

Mesure secondaire de la ductilité d'un moulage.

Démontre la différence entre l'aire de la section transversale d'origine de la barre de traction et l'aire de la section transversale la plus petite après rupture en tension.

Propriétés de courbure

Les propriétés de courbure identifient la ductilité d'un moulage en utilisant un échantillon représentatif rectangulaire plié autour d'une goupille à un angle spécifique. La barre pliée résultante est observée pour vérifier la présence de fissures indésirables.

Propriétés d'impact

Les propriétés d'impact sont une mesure de la ténacité résultant du test de l'énergie nécessaire pour casser un échantillon entaillé standard. Plus il faut d'énergie pour casser l'échantillon, plus le matériau coulé est résistant.

Dureté

La dureté est une mesure de la résistance d'une pièce moulée à la pénétration à l'aide de tests d'indentation. C'est une propriété qui indique la résistance à l'usure et à l'abrasion des aciers moulés. Les tests de dureté peuvent également fournir une méthode de routine simple pour tester les indications de résistance à la traction dans un environnement de production. Un résultat de test d'échelle de dureté sera normalement en étroite corrélation avec les propriétés de résistance à la traction.

Services de casting personnalisés

Reliance Foundry travaille en collaboration avec les clients pour déterminer les meilleures propriétés physiques et chimiques, le traitement thermique et les méthodes de test pour chaque moulage personnalisé. Demandez un devis pour obtenir plus d'informations sur la façon dont notre service de moulage peut répondre aux exigences de votre projet.