Fonte vs acier moulé

Quelle est la différence entre la fonte et l'acier moulé ?

Le moulage offre une capacité exceptionnelle pour les détails de conception, éliminant souvent le besoin de fabrication et d'assemblage supplémentaires. De nombreux matériaux peuvent être coulés, y compris plusieurs types de métaux et de matières synthétiques, mais le fer et l'acier en particulier présentent d'excellentes propriétés mécaniques pour une large gamme d'applications.

Bien que la fonte et l'acier puissent sembler similaires en surface, ils présentent chacun des avantages et des inconvénients distincts, de la production à l'application. Comprendre ces avantages et inconvénients et choisir de manière appropriée peut faire la différence entre une résistance et une durabilité impitoyables et des pièces fracturées ou déformées qui perdront rapidement leur éclat.

La teneur en carbone est la principale différence

Le fer et l'acier sont tous deux des métaux ferreux composés principalement d'atomes de fer. Dans la fabrication, cependant, ce n'est pas si simple - il existe de nombreux alliages et nuances différents utilisés dans la production. Pour les comprendre, il est important de faire la distinction entre le fer utilisé dans les produits du quotidien et l'élément scientifique fer (Fe). Le fer élémentaire est la substance que l'on trouve dans la nature, généralement sous une forme oxydée qui nécessite un traitement intensif appelé fusion pour l'extraire.

Le fer élémentaire pur est trop mou pour être utile dans la plupart des applications. Il devient plus dur, et donc plus utile, lorsqu'il est allié ou mélangé avec du carbone. En fait, la composition du carbone est la principale distinction entre la fonte et l'acier. La fonte contient généralement plus de 2 % de carbone, tandis que l'acier moulé contient souvent entre 0,1 et 0,5 % de carbone.

Caractéristiques

Le tableau suivant donne un aperçu général des qualités de chaque matériau. Bien qu'il existe de nombreux types de fer et d'acier à prendre en compte, ce tableau se concentre sur la fonte grise, la fonte et l'acier au carbone.

Fer gris

Fere ductile

Acier

Machinabilité

★

Coulabilité

★

Amortissement des vibrations

★

Résistance à la corrosion

★

★

Résistance

★

Fragilité

★

Résistance à la compression

★

Résistance à la traction

★

Dureté

★

Applications

Blocs moteurs, culasses, collecteurs, brûleurs à gaz, ébauches d'engrenages, boîtiers, boîtiers, produits d'aménagement extérieur, poêles à frire, boîtiers électriques, moulages décoratifs, pièces de poêle, poids

Bornes, mobilier de site, fusées d'essieu, vilebrequins, engrenages à usage intensif, composants de suspension d'automobiles et de camions, composants hydrauliques, charnières de porte d'automobile

Bollards, roues industrielles, engrenages de coulée, corps de vannes, machines minières, roues de turbines hydroélectriques, presses à forger, châssis de wagons de chemin de fer, carters de pompes, équipements marins, carters de moteurs, poids lourds, équipements de construction

Fer gris

Machinabilité

★

Coulabilité

Amortissement des vibrations

★

Résistance à la corrosion

★

Résistance

Fragilité

★

Résistance à la compression

Résistance à la traction

Dureté

★

Applications

Blocs moteurs, culasses, collecteurs, brûleurs à gaz, ébauches d'engrenages, boîtiers, boîtiers, produits d'aménagement extérieur, poêles à frire, boîtiers électriques, moulages décoratifs, pièces de poêle, poids

Fere ductile

Machinabilité

Coulabilité

★

Amortissement des vibrations

Résistance à la corrosion

★

Résistance

Fragilité

Résistance à la compression

★

Résistance à la traction

Dureté

Applications

Bornes, mobilier de site, fusées d'essieu, vilebrequins, engrenages à usage intensif, composants de suspension d'automobiles et de camions, composants hydrauliques, charnières de porte d'automobile

Acier

Machinabilité

Coulabilité

Amortissement des vibrations

Résistance à la corrosion

Résistance

★

Fragilité

Résistance à la compression

Résistance à la traction

★

Dureté

Applications

Bollards, roues industrielles, engrenages de coulée, corps de vannes, machines minières, roues de turbines hydroélectriques, presses à forger, châssis de wagons de chemin de fer, carters de pompes, équipements marins, carters de moteurs, poids lourds, équipements de construction

Coulabilité

La plupart des gens n'ont pas rencontré de fer ou d'acier à l'état fondu, ce qui est compréhensible, puisque le fer fond à environ 2300˚F et l'acier fond à 2600˚F, et les deux sont versés dans des moules à des températures encore plus chaudes. Les personnes qui travaillent avec du fer et de l'acier liquides découvrent rapidement qu'ils diffèrent considérablement en termes de coulabilité et de taux de retrait.

La fonte est relativement facile à couler, car elle coule facilement et ne rétrécit pas autant que l'acier. Cela signifie qu'il remplira facilement les vides complexes dans un moule et nécessite moins de matériau fondu pour le faire. Cette fluidité fait de la fonte un métal idéal pour les structures architecturales ou ornées de ferronnerie telles que les clôtures et les bancs.

Le coulage de l'acier est beaucoup plus difficile. Il est moins fluide que le fer fondu et plus réactif aux matériaux de moulage. Il se contracte également davantage lorsqu'il refroidit, ce qui signifie qu'il faut verser plus de matière fondue, généralement dans un réservoir en excès, appelé colonne montante, d'où une pièce moulée tire en refroidissant.

Les moulages, cependant, ne refroidissent généralement pas uniformément dans leurs structures internes. Les zones extérieures et les parties plus minces se refroidissent et rétrécissent à des vitesses différentes de celles des zones intérieures et des parties plus volumineuses, créant souvent une tension interne, ou un stress, qui ne peut être atténuée que par un traitement thermique. L'acier est beaucoup plus sensible que le fer aux contraintes de retrait et, dans certaines situations, ces tensions peuvent entraîner des vides internes et/ou externes importants et d'éventuelles fractures.

Pour ces raisons, l'acier moulé nécessite plus d'attention et d'inspection tout au long du processus de coulée, ce qui rend la production plus gourmande en ressources.

Usinabilité

Selon l'application finale, les pièces moulées peuvent devoir être usinées pour atteindre des tolérances spécifiques ou pour créer une finition souhaitée. Au minimum, les objets tels que les portails et les glissières doivent être coupés et meulés.

L'usinabilité est la mesure de la facilité avec laquelle un matériau donné est à couper ou à meuler; certains matériaux sont plus difficiles à usiner que d'autres. En règle générale, les métaux avec des ajouts fortement alliés pour améliorer les performances mécaniques ont une usinabilité inférieure.

La fonte est généralement beaucoup plus facile à usiner que l'acier. La structure graphite de la fonte se détache plus facilement et de manière plus homogène. Les fers plus durs, comme le fer blanc, sont beaucoup plus difficiles à usiner en raison de leur fragilité.

L'acier n'est pas aussi facile à couper avec la même consistance, et il cause plus d'usure de l'outil, ce qui entraîne des coûts de production plus élevés. Les aciers trempés, ou ceux à haute teneur en carbone, augmentent également l'usure de l'outil. Un acier plus doux n'est pas nécessairement meilleur, cependant - les aciers à faible teneur en carbone, bien qu'ils soient plus doux, peuvent devenir gommeux et difficiles à travailler.

Amortissement des vibrations

Les propriétés d'amortissement doivent être prises en compte lors de la sélection d'un matériau de coulée, car un manque de capacité d'amortissement peut entraîner des vibrations et des bruits excessifs, tels que des bourdonnements ou des grincements. Selon l'endroit où un matériau est utilisé, un amortissement efficace peut se traduire par des performances plus robustes et plus fiables.

Les structures de graphite en fonte, en particulier les formations lamellaires en fonte grise, sont particulièrement bonnes pour absorber les vibrations. Cela rend la fonte idéale pour les blocs moteurs, les carters de cylindres et les bancs de machines, ainsi que pour d'autres applications où la robustesse et la précision sont importantes. La réduction des vibrations peut minimiser les contraintes et prévenir l'usure des pièces mobiles.

Résistance à la compression

La résistance à la compression est la capacité d'un matériau à résister à des forces qui réduiraient la taille de l'objet. Ceci est opposé aux forces dirigées pour séparer un matériau. La résistance à la compression est bénéfique dans les applications mécaniques où la pression et le confinement sont des facteurs. En règle générale, la fonte a une meilleure résistance à la compression que l'acier.

Résistance aux chocs

Jusqu'à présent, il pourrait sembler qu'il y ait plus d'avantages à utiliser de la fonte que de l'acier, mais l'acier a un avantage significatif :la résistance aux chocs. L'acier est excellent pour résister aux impacts soudains sans se plier, se déformer ou se casser. Cela est dû à sa ténacité :sa capacité à résister à des contraintes et à des forces de déformation élevées.

La résistance sans ductilité donne un matériau fragile qui est très sensible à la rupture - et la fonte est l'enfant d'affiche pour la résistance sans ductilité. En raison de sa fragilité, la fonte a un domaine d'application limité.

Dans le même temps, une ductilité élevée, ou la capacité de se déformer sans défaillance, n'est pas très utile sans la résistance nécessaire pour résister à un impact important. Un élastique, par exemple, peut subir une déformation importante sans se casser, mais la force qu'il peut supporter est très limitée.

Alors que le fer peut être plus facile à travailler dans la plupart des applications de moulage, l'acier offre un mélange optimal de résistance et de ductilité pour de nombreuses applications, et l'acier moulé est extrêmement résistant. Les qualités de résistance aux chocs et la nature porteuse de l'acier le rendent souhaitable pour de nombreuses applications mécaniques et structurelles. C'est pourquoi l'acier est le métal le plus largement utilisé dans le monde.

Résistance à la corrosion

Le fer a une meilleure résistance à la corrosion que l'acier. Les deux métaux s'oxydent en présence d'humidité, mais le fer développe une patine pour empêcher une corrosion profonde de l'intégrité du métal.

Une autre façon de prévenir la corrosion consiste à utiliser de la peinture ou un revêtement en poudre, ou IronArmor pour une protection supplémentaire. Tout éclat ou fissure qui expose le métal sous-jacent peut entraîner de la corrosion, un entretien régulier est donc important pour les métaux revêtus.

Si la résistance à la corrosion tout en conservant un aspect de métal brut argenté est un facteur important, les aciers alliés sont probablement une meilleure option, en particulier les aciers inoxydables, qui contiennent du chrome et d'autres alliages ajoutés pour empêcher l'oxydation.

Résistance à l'usure

La fonte a généralement une meilleure résistance à l'usure mécanique que l'acier, en particulier dans les situations d'usure par friction. Une certaine teneur en graphite dans la matrice en fonte crée un lubrifiant sec graphitique qui permet aux surfaces solides de glisser les unes contre les autres sans détériorer la qualité de la surface, ce qui la rend plus difficile à porter.

L'acier s'use plus facilement que le fer, mais peut tout de même résister à certains types d'abrasion. Certains ajouts d'alliage peuvent également améliorer les qualités d'abrasion de l'acier.

Coût

La fonte est souvent moins chère que l'acier moulé en raison des coûts de matériaux, d'énergie et de main-d'œuvre moins élevés nécessaires pour fabriquer un produit final. L'acier brut est plus coûteux à l'achat et sa coulée nécessite plus de temps et d'attention. Lors de la conception de produits coulés, il convient toutefois de tenir compte de l'utilisation à long terme et des coûts de remplacement. Les pièces qui sont plus chères à fabriquer peuvent finir par coûter moins cher à long terme.

L'acier est également disponible sous de nombreuses formes préfabriquées, telles que des tôles, des tiges, des barres, des tubes et des poutres, et peut souvent être usiné ou assemblé pour répondre à une application particulière. Selon le produit et la quantité requise, la fabrication de produits en acier existants peut être une option rentable.

Différents types de fonte et d'acier moulé

Nous avons comparé les qualités des formes les plus élémentaires de fonte (fonte grise) et d'acier moulé (acier doux ou au carbone), mais la composition spécifique et la structure de phase du fer et de l'acier peuvent grandement affecter les propriétés mécaniques. Par exemple, le carbone dans une fonte grise standard prend la forme de flocons de graphite tranchants, tandis que la fonte ductile présente des structures de graphite plus sphéroïdales. Le graphite en flocons est ce qui rend la fonte grise cassante, tandis que les particules de graphite rondes dans la fonte ductile améliorent la ténacité, ce qui la rend plus adaptée aux applications de résistance aux chocs.

Des alliages peuvent être ajoutés au fer et à l'acier pour créer les propriétés souhaitées. Le manganèse, par exemple, augmente la ténacité, tandis que le chrome améliore la résistance à la corrosion. La variation de la teneur en carbone est également ce qui distingue les aciers à faible, standard et à haute teneur en carbone, des quantités plus élevées donnant des matériaux beaucoup plus durs.

En fin de compte, le choix entre la fonte et l'acier moulé dépendra du type et de l'application de l'installation finale.

Pour plus d'informations sur le fer ou l'acier, ou pour demander un devis pour un projet personnalisé, veuillez nous contacter.

Sources

• Société américaine de fonderie. "Usinage de composants en fonte". afsinc.org
• Société américaine de fonderie. "Comprendre les spécifications des matériaux pour les pièces moulées en acier". afsinc.org
• Conception de machines. "Fonte". machinedesign.com
• Institut du nickel. "Fontes et alliages coulés". nickelinstitute.org
• Hosford, William F. Fer et acier. La presse de l'Universite de Cambridge. 2012.
• Woodford, Chris. "Fer et acier". expliquecetruc.com