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

Ou sont-ils la même chose ?

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. « Acier à faible teneur en carbone » est un autre nom pour l'acier doux. Il existe d'autres aciers au carbone, avec différentes teneurs en carbone. Lequel est 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 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 se situe dans la plage de 0 à 2 %. Ce carbone affecte la microstructure de l'acier, lui conférant sa résistance et sa ténacité légendaires. Ces alliages contiennent également de petites quantités de manganèse, de silicium et de cuivre. L'acier doux est un terme commercial pour l'acier à faible teneur en carbone, où la teneur en carbone se situe dans la plage de 0,04 à 0,3 %.

L acier au carbone est-il meilleur que l acier doux ? Clarification des différences

Catégories d'acier au carbone

L'acier au carbone peut être catégorisé selon la composition chimique et les caractéristiques du produit. L'acier doux relève également de la catégorie des aciers 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 le grade le plus courant d'acier au carbone. 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 automobile, les tôles et les produits en fil. Au haut de la plage de faible teneur en carbone, et avec l'ajout de manganèse jusqu'à 1,5 %, les propriétés mécaniques conviennent aux estampages, forgages, tubes sans soudure et tôles de chaudière.

2. Acier à teneur moyenne en carbone

L'acier à teneur moyenne en carbone 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. Applications populaires : arbres, essieux, engrenages, rails et roues ferroviaires.

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 adaptés pour les ressorts et les fils à haute résistance. Ces produits ne peuvent pas être soudés à moins qu'un programme détaillé de traitement thermique ne soit 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 teneur ultra-élevée en carbone

L'acier à teneur ultra-élevée en carbone a une plage de carbone de 1,25 à 2 %, et est connu comme un alliage expérimental. Le revenu peut produire un acier avec un niveau de dureté élevé, utile pour des applications comme les couteaux, les essieux ou les poinçons.

Fabrication de l'acier au carbone

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

Première fusion (Primary steelmaking)
Affination secondaire (Secondary steelmaking)
Coulée (Casting)

Ces étapes sont suivies de diverses techniques de finition qui ont un effet direct sur les caractéristiques du produit final.

1. Première fusion

L'acier peut être fabriqué soit à partir de 100 % de matériau recyclé, soit d'une combinaison de matériau recyclé 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 fourneau, qui fonctionne à 3000 °F (environ 1650 °C). 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 en fusion. Les impuretés sont absorbées par la chaux dans une scorie en surface, qui peut être écumée de l'acier liquide. Le produit à ce stade contient environ 4 % de carbone et a encore quelques impuretés. L'acier vierge en fusion est transféré au convertisseur à oxygène basique (BOF), qui contient déjà de la ferraille d'acier recyclé. De l'oxygène pur est soufflé à travers l'acier liquide pour oxyder l'excès de carbone, formant un produit fini avec 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. Des arcs électriques de haute puissance font fondre le métal à des températures allant jusqu'à 3000 °F. Au fur et à mesure que la ferraille fond, d'autres lots peuvent être ajoutés jusqu'à la capacité du fourneau. Une fois un bain plat d'acier fondu atteint, l'oxygène est soufflé de la même manière que dans le BOF. Dans les deux cas, l'acier fondu est extrait du fourneau dans des poches ou des bains d'acier pour un traitement ultérieur, tandis que la scorie de surface contenant les impuretés est éliminée.

2. Affinage secondaire

Les demandes du marché pour des produits en acier de meilleure qualité et des propriétés constantes ont alimenté le développement des processus d'affinage secondaire.

Four à arc électrique

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

Agitation
Des champs électromagnétiques induisent des courants turbulents dans la poche. Cette méthode sépare facilement les inclusions non métalliques, qui remontent à la surface, tout en assurant un mélange et une composition homogènes de l'acier.
Four à 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 au fond du bain d'acier. En se réchauffant et en remontant à travers l'acier en fusion, un effet d'agitation est obtenu.
Dégazage
Élimine l'hydrogène, l'oxygène et l'azote, tout en réduisant la teneur en soufre. Diverses techniques sont utilisées pour dégazer l'acier en fusion, notamment le vide, l'injection de gaz inerte et le contrôle de la température.
Ajustement de composition (CAS-OB)
L'agitation est réalisée en injectant du gaz argon dans le bain d'acier scellé. Un arrangement de tuba empêche la scorie d'être perturbée tandis que la teneur en hydrogène est réduite et les inclusions d'oxydes flottent en surface. L'oxygène est alimenté dans le bain par une lance et l'aluminium est ajouté par le tuba, donnant un niveau accru de contrôle de la température et une composition finale précise.

Désoxydation de l'acier

Un aspect critique de l'affinage secondaire est l'élimination de l'oxygène. La présence d'oxygène dans l'acier en fusion au début de la solidification entraîne une réaction avec le carbone pour libérer du gaz monoxyde de carbone. Contrôler la désoxydation peut être utilisé pour modifier les caractéristiques du produit fini et donc l'adéquation de l'acier pour différentes applications.

Aciers effervescents
Les aciers effervescents sont des aciers non désoxydés ou partiellement désoxydés. Des niveaux élevés de monoxyde de carbone sont produits pendant la solidification, résultant en une bonne qualité de surface mais avec la présence de nombreux trous de soufflure.
Aciers capés
Les aciers capés suivent le même schéma que les aciers effervescents initialement, mais après environ une minute, le moule est capé pour supprimer la formation de monoxyde de carbone.
Aciers semi-tués
Les aciers semi-tués ont été partiellement désoxydés avant la coulée dans le moule et ont généralement une teneur en carbone de 0,15 à 0,3 %.
Aciers tués
Les aciers tués 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 de trous de soufflure. De l'aluminium est ajouté dans la poche ou le moule comme désoxydant principal pour « tuer » la formation de monoxyde de carbone ; cependant, il existe des applications où l'ajout d'aluminium au produit fini est indésirable. Les alternatives à l'aluminium sont les ferroalliages de manganèse et de silicium ou le silicure de calcium.

3. Coulée

Les méthodes de coulée traditionnelles impliquent le levage de la poche par grue pour que l'acier en fusion puisse être versé dans des moules individuels montés sur wagons. Les moules à lingots sont légèrement coniques pour faciliter le retrait des lingots après solidification. Les lingots sont transférés dans des fosses de trempe où ils sont réchauffés pour le laminage à chaud.

Les machines de coulée permettent la coulée continue d'acier en fusion en formes plus adaptées au traitement en aval. Les poches sont soulevées vers une plateforme surélevée où elles déchargent l'acier en fusion dans une lingotière, qui alimente la machine de coulée. L'acier en fusion est alimenté depuis la lingotière dans un moule refroidi par 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 en fusion d'entrer dans le moule. L'acier est formé 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 au bout de la machine. Ce processus peut durer des jours ou des semaines sans interruption.

Finition de l'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.

Laminage des produits

Les lingots coulés solides doivent être laminés en formes et tailles plus utiles comme celles produites par la coulée continue. L'acier est comprimé et tiré par des cylindres rotatifs. Les cylindres tournent à une vitesse plus rapide que l'acier en entrant dans la machine, le propulsant donc vers l'avant et le comprimant.

Formage à chaud

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

Formage à froid

Le formage à froid est effectué en dessous de la température de recristallisation. Ce processus augmente la résistance par 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 : blooms, billettes ou 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 brame est un produit plus fin et plus large.

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

PRODUITS DE FORMAGE À FROID ET APPLICATIONS
PRODUITS	APPLICATIONS
Blooms	Applications structurelles
Garde-corps	Gardes-corps, mains courantes, garde-corps personnalisés
Barres laminées	Construction mécanique, construction
Tôles (épaisseur > 1/4 pouce)	Fabrication lourde, chaudières, ponts, vessels industriels, réservoirs, navires
Feuilles (épaisseur < 1/4 pouce)	Carrosseries, appareils ménagers, équipement de bureau, canettes de boisson
Barres rondes/carrées	Structures de construction, entretoises, 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 (55 °C) au-dessus de la température critique supérieure. La température est maintenue jusqu'à ce que le produit entier soit uniformément chauffé, après quoi il est refroidi à l'air. C'est la forme la plus courante de traitement thermique et donne à l'acier une haute résistance et dureté.

Recuit

La température de l'acier est portée à l'état de solution solide pendant une heure avant un refroidissement à un taux de 70 °F (21 °C) par heure. On obtient un acier doux et ductile sans contraintes internes.

Trempe

Processus similaire à la normalisation, mais le refroidissement est accéléré en trempant l'acier dans l'eau, la saumure ou l'huile. Le produit résultant est très dur — jusqu'à quatre fois plus dur que l'acier normalisé — mais très cassant, le rendant susceptible à la rupture et aux fissures. Pour cette raison, la trempe à une température prédéterminée est normalement suivie d'un refroidissement contrôlé jusqu'à la température ambiante dans un processus appelé revenu ou décontrainte. En concevant les paramètres de température et de taux 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 la peinture.

Galvanisation à chaud

La galvanisation est un processus d'application d'un revêtement de surface en 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 par des couteaux à gaz. Pour empêcher le revêtement de zinc de se fissurer, une petite quantité d'aluminium est ajoutée à la solution de zinc.

Galvanisation électrolytique

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

Traitement secondaire en aval

Les entreprises en aval transforment davantage leurs matières premières en acier en produits finis. Différentes techniques de traitement sont utilisées telles que l'usinage, qui implique l'enlèvement uniforme du métal de surface avec des outils machine. 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 incluent la ferraille des aciéries, des fabricants secondaires et des produits en acier en fin 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 de l'acier a activement participé à la promotion et à l'établissement de réseaux de recyclage pour faciliter le recyclage des produits en fin de vie.

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