Métaux ferreux et non ferreux

Caractéristiques et composition du métal pour la conception du moulage

Tout métal solide pouvant être fondu peut être coulé. Les fonderies sont les usines qui effectuent ce travail de coulée, développant une expertise avec une poignée de métaux et de méthodes, et concevant des produits standard pour maximiser la valeur et l'efficacité de la production.

Les métaux et les méthodes de coulée s'influencent mutuellement :le meilleur choix de coulée pour un produit est influencé par la façon dont son métal se comportera à l'état fondu, au refroidissement et à l'état solide. Pour ces dépendances, les spécialités d'une fonderie font partie de la détermination du type de produits qu'elle fabrique. La fonderie qui fabrique des jouets pour enfants moulés sous pression n'est généralement pas la même fonderie qui produit des pièces de moteur de haute qualité.

L'une des principales distinctions en matière de spécialisation est de savoir si les fonderies travaillent avec des métaux ferreux, des métaux non ferreux ou les deux. La définition d'un métal ferreux est tout métal contenant du fer; les métaux non ferreux ne le font pas. La métallurgie ferreuse représente environ 90 % de la production mondiale de métal. La fonte grise est le métal coulé le plus courant dans les fonderies. En dehors de la fonderie, l'acier est l'alliage ferreux le plus utilisé dans l'industrie, la construction et les transports.

Les fonderies spécialisées dans les méthodes de coulée courantes telles que la coulée au sable travaillent généralement avec des métaux choisis pour des qualités spécifiques telles que la facilité de fusion et de coulée, la capture des détails dans le moule, le comportement prévisible pendant le refroidissement et la préparation à l'usinage ou à la finition.

Les métaux ferreux et leurs propriétés

Les attributs de signature du fer sont qu'il est dense, solide lorsqu'il est mélangé avec du carbone, abondant et facile à raffiner, très sujet à la corrosion et magnétique. L'alliage du fer avec d'autres éléments dans des proportions différentes peut atténuer ou éliminer un ou plusieurs de ces facteurs.

Des centaines d'alliages ferreux sont bien connus. Ils sont spécifiés par les proportions de chaque élément dans leur composition, ainsi que par des instructions sur leur fusion et leur finition. Les alliages ferreux avec du carbone sont généralement appelés fer ou acier et peuvent contenir un certain nombre d'autres éléments, de l'aluminium au vanadium, en fonction de leurs spécifications. Ces métaux sont généralement choisis pour leurs propriétés mécaniques. Les ingénieurs et les concepteurs peuvent être intéressés par leur limite d'élasticité, leur ténacité, leur ductilité, leur soudabilité, leur élasticité, leur cisaillement et leur dilatation thermique, qui décrivent tous le comportement d'un matériau sous des contraintes spécifiques.

Ces aspects distinctifs du fer peuvent être modifiés dans des alliages, qui mélangent le fer avec d'autres éléments. L'acier inoxydable en est un bon exemple, certains alliages d'acier inoxydable étant à la fois non magnétiques et non corrosifs. Une façon courante de savoir si un métal est de l'acier est de placer un aimant contre lui, car le fer dans l'alliage fera coller l'aimant; cependant, les personnes qui ont essayé de coller des aimants sur leur réfrigérateur en acier inoxydable savent que ce n'est pas un test infaillible. Bien que le fer soit toujours présent dans cet alliage ferreux, un pourcentage élevé de nickel modifie suffisamment la microstructure de l'acier pour empêcher une réaction magnétique. L'acier inoxydable peut rouiller, bien qu'il soit beaucoup plus résistant à la corrosion que les autres types d'alliages de fer. Cela est dû à l'ajout de chrome. Le chrome protège contre la rouille grâce à un processus appelé passivation, dans lequel les molécules supérieures du métal s'oxydent mais restent fortement liées au métal en dessous, formant une coque impénétrable.

Dans les métaux ferreux, le fer et l'acier sont les matériaux de fonderie les plus courants.

Fer

Fontes sont une catégorie d'alliages de fer à teneur en carbone supérieure à 2 %. Ce sont des fers denses relativement bon marché. Lorsqu'ils sont chauffés et coulés, ils ont une fluidité beaucoup plus élevée à des températures plus basses que l'acier, ce qui signifie qu'ils peuvent s'écouler et remplir des parties d'un moule complexe avec une plus grande efficacité. Les fontes rétrécissent également deux fois moins vite que l'acier lors du refroidissement.

Les fontes de base ont de bonnes propriétés de compression, mais elles sont fragiles :elles se fractureront avant de se plier ou de se déformer. Cette vulnérabilité peut signifier que les qualités fragiles de fonte ne sont pas utilisées pour les conceptions avec des détails extrudés ou élaborés, ou avec des arêtes très vives, car ces caractéristiques peuvent s'écailler.

Fer gris est le type de fonte le plus courant actuellement produit, présent dans tout, des couvercles de trou d'homme aux freins à disque sur les voitures. Il tire son nom de la couleur qu'il prend lors de la rupture, qui est grise en raison de la présence de graphite comme additif de carbone. La fonte grise contient 2,5 à 4% de carbone en poids et contient en outre 1 à 3% de silicium, qui stabilise le graphite. Il possède de nombreux attributs de la fonte de base, en ce sens qu'il est peu coûteux et a une fluidité élevée par rapport à l'acier lorsqu'il est fondu, mais la présence de graphite permet au fer d'être un peu moins cassant, ce qui facilite l'usinage. La fonte grise est encore inflexible :elle plie très peu avant de casser.

Fere ductile est une forme de fonte dans laquelle le carbone ajouté est un graphite sphérique (nodulaire). La fonte ductile contient généralement 3,2 à 3,6% de carbone en poids et contient du silicium et d'autres éléments. Des niveaux de ferrite plus élevés signifient qu'elle s'accumule sur les outils de coupe pendant l'usinage, elle est donc souvent utilisée dans la fabrication principalement de fonderie, où une très grande fluidité en fait un excellent choix pour les travaux finement détaillés. La forme sphéroïde du graphite qui confère à la fonte ductile une résistance aux chocs et une résistance à la traction supérieures à celles de la fonte ou de la fonte grise, ce qui permet de réaliser des conceptions détaillées ou tranchantes. La fonte ductile est relativement nouvelle dans la spécification des fontes, car elle a été découverte pour la première fois en 1943.

Acier

Acier de toutes sortes sont aussi parfois jetés. En général, l'acier a une teneur en carbone inférieure à 2,14 % en poids et est souvent allié à d'autres éléments. L'acier a des propriétés mécaniques plus fortes que les fontes, mais ce qui est gagné en ténacité est perdu en fluidité. L'acier en fusion doit être beaucoup plus chaud que le fer en fusion pour couler dans des moules détaillés, et les températures élevées requises pour travailler avec de l'acier sont difficiles à gérer et peuvent handicaper la conception et la finition de l'objet qui sort du moule. Comme pour toutes les pièces moulées, différentes parties d'une pièce peuvent refroidir à des vitesses différentes, et ce différentiel provoque des contraintes dans le produit :comme l'acier se rétracte plus largement et plus rapidement que les fontes, ces contraintes nécessitent une meilleure gestion de l'acier moulé.

Ces défis signifient que l'acier peut demander beaucoup plus de main-d'œuvre pour bien couler. Il nécessite une attention experte à toutes les étapes de sa production. Néanmoins, la résistance mécanique élevée du produit final peut faire d'un alliage d'acier le choix évident pour certaines applications, l'usinage fournissant des finitions finales.

Autres alliages de fer

D'autres alliages de fer existent en dehors de ces types courants et sont utilisés dans des applications spécifiques où leurs comportements mécaniques sont utiles. Par exemple, l'elinvar est un alliage nickel-fer qui ne se dilate pas et ne se contracte pas sous l'effet de la chaleur. Il est utilisé dans de très petites pièces d'horloges et d'autres appareils de précision.

Métaux non ferreux et leurs utilisations

Ces métaux comprennent tous les métaux et alliages qui ne contiennent pas de fer. Une courte liste de métaux non ferreux courants comprendra :

• Métaux précieux comme l'argent, le platine et l'or
• Le cuivre et ses alliages comme le bronze et le laiton
• Nickel, Palladium, Platine
• Titane
• Aluminium
• Étain, Plomb
• Zinc

Avec une telle gamme de matériaux dans ce groupe, de nombreuses propriétés mécaniques qui recommandent le fer peuvent être découvertes dans les métaux non ferreux. Par exemple, des alliages d'aluminium ou de titane pourraient se substituer à l'acier dans de nombreux cas, si cela n'était pas d'un coût prohibitif. Les capacités magnétiques du fer pourraient être imitées avec du nickel, du cobalt ou des éléments de terres rares alliés à d'autres métaux.

Cependant, comme les métaux non ferreux coûtent souvent plus cher, ils ont tendance à être choisis pour leurs attributs uniques, plutôt que pour la façon dont ils peuvent se comporter comme l'acier. Les poids plus légers, la conductivité, la résistance à la corrosion, les propriétés non magnétiques, la tradition ou la valeur décorative sont quelques-unes des raisons de choisir un métal non ferreux. Certains métaux sont prisés précisément parce qu'ils sont rares :avant que la fabrication de l'aluminium à grande échelle ne soit possible, l'aluminium était un métal de luxe utilisé dans la vaisselle haut de gamme.

Toutes sortes de matériaux spécialisés sont moulés. Cependant, dans les fonderies traditionnelles de coulée de sable, il existe trois métaux de coulée non ferreux remarquables.

Bronze et laiton

Le bronze et le laiton ont été les premiers métaux coulés par l'humanité à l'âge du bronze, et ces alliages de cuivre sont encore coulés au sable aujourd'hui. Ils sont fondus à des températures beaucoup plus basses que les matériaux ferreux, et ils moulent bien les détails, ils sont donc souvent utilisés dans des applications décoratives comme la statuaire. Le bronze et le laiton sont plus tendres que l'acier, mais ils résistent à la corrosion même en présence de sel, de sorte que ces métaux sont utilisés dans des applications marines standard comme les raccords sur les bateaux. Le laiton est également résistant au "grippage", qui est l'usure du métal contre lui-même, et le laiton est donc parfois coulé pour les pièces mécaniques, comme les hélices marines, ou usiné pour les roulements et les fermetures à glissière. Les deux alliages sont assez chers car ils reposent sur le cuivre, un métal également recherché pour ses propriétés électriques.

Aluminium

L'aluminium est un métal dont la densité est bien inférieure à celle du fer, ce qui en fait un matériau essentiel dans les applications nécessitant de la résistance sans poids, comme l'industrie aérospatiale. Il est résistant à la corrosion car l'aluminium, comme l'acier inoxydable, réagit à l'oxydation en créant une coque d'oxyde métallique qui le protège.

L'aluminium a également un point de fusion plus bas que la plupart des aciers ou des fers qu'il pourrait remplacer, ce qui le rend plus facile à couler que l'acier, nécessitant moins de surveillance pour les formes complexes. Le plus gros inconvénient de l'aluminium est le coût.

Considérer les matériaux de moulage

Lors de la conception d'un moulage, trouver le métal parfait pour équilibrer la valeur et la forme est un art et une science. Le bon métal pour un travail satisfera à la fois les exigences esthétiques et mécaniques de l'application, et cela influencera les méthodes de production nécessaires pour amener un prototype au produit final.

Les métaux ferreux sont le choix le plus courant pour les pièces moulées, souvent sélectionnés pour leur rentabilité et leurs propriétés mécaniques. Parfois, ce n'est pas la résistance d'un métal qui dicte le choix, mais des propriétés telles que le poids, la résistance à la corrosion ou l'amagnétisme. Les alliages non ferreux comme le bronze et le laiton peuvent également être choisis pour leur tradition ou leur beauté.

La consultation d'un ingénieur peut aider un concepteur à trouver l'harmonie entre les différents aspects de son projet, en choisissant le métal parfait pour respecter à la fois l'application et le budget.

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