Acier et fontes

Les aciers sont des matériaux contenant en masse plus de fer que tout autre élément et dont la teneur en carbone est inférieure à 2 % (ou 2,1 %), limite courante les séparant des fontes. La normalisation (NF EN 10020) retient trois familles principales d'aciers : les aciers non alliés (aucun élément d'alliage ne dépasse 0,6 % ; sauf 1,65 % pour Mn), les aciers inoxydables (10,5 % de chrome minimum et 1,2 % de carbone maxi) et les autres aciers alliés.

De prix compétitif, mieux adaptées au moulage que les aciers, du fait d'une plus grande fluidité à chaud et de températures de fusion inférieures (≈ 1200° C contre 1500° C), les fontes sont régulièrement utilisées. L'ordre des paragraphes prend en compte la désignation des matériaux.

I - Aciers non alliés (« Aciers au carbone »)

1. Aciers non alliés d'usage général (S, E, etc.) 

Caractérisés par une faible teneur en carbone, ce sont les plus utilisés. Ils existent dans des qualités diverses (JR, JO, J2, K2...) et des variantes réservées à des usages particuliers (moulage, soudage...). Propriétés spécifiées : ténacité, formabilité, grosseur de grain...

La plupart sont disponibles sous forme de laminés marchands (profilés, poutrelles, barres, tôles...) aux dimensions normalisées. Certains sont proposés en semi-fini : prélaqués, galvanisés, nervures, ondulés, etc. Normes : NFEN 10027 ; A02-005-3, etc.

1. Laminés marchands.

Applications (construction soudée, formage à froid ou à chaud, emboutissage, étirage, laminage, pliage...) : carrosseries, fers et profilés pour le bâtiment, construction navale, plate-forme pétrolière, trains, chaudronnerie, ameublement, électroménager, biens de consommation...

a) Désignation normalisée

Lettre (S, E, etc.) suivie de la limite élastique à la traction R_e en MPa ou N/mm². S'il s'agit d'un acier moulé la désignation est précédée de la lettre G. Exemples : GE 335, GS235.

b) Principales nuances normalisées

Remarques : les valeurs de R_r, R_e, A% et KV indiquées varient d'une qualité à l'autre, dépendent des procédés de fabrication, des traitements, des épaisseurs d'un produit à l'autre.

; Autres familles (fig. 2) : D formage à froid ; Y pour béton précontraint ; R pour rail ; T fers.

2. Désignations des aciers au carbone.

3. Exemple d'objets utilisant des aciers au carbone.	(Entre parenthèses : ancienne désignation).

  2. Aciers spéciaux, non alliés, de type C

Destinés aux traitements thermiques (trempe, cémentation) des pièces petites ou moyennes, ils sont caractérisés par un ajustement précis de leur composition, une plus grande pureté et des éléments d'addition en très faible quantité (Mn < 1 % ; Cr + Ni + Mo < 0,63 %).

a) Désignation

Lettre C suivie du pourcentage de carbone multiplié par 100 plus au besoin des indications complémentaires (E = teneur en souffre, C = formage à froid, S = ressort, D = Tréfilage...).

Exemple :

GC 35 E (0,35 % de carbone, G = acier moulé, E = teneur maxi en souffre).

b) Principales nuances normalisées

Les caractéristiques mécaniques varient selon les traitements et les dimensions (voir tableau précédent).

Aciers à faible teneur en carbone (< 0,3 %) :

ils sont réservés à la cémentation et aux traitements de surface (catégorie des aciers " doux ").

Aciers à teneur moyenne en carbone (0,3 à 0,5 %) :

ils sont utilisés pour les trempes et les revenus, dans le cas d'applications exigeant une plus grande résistance et une certaine tenue à l'usure (catégorie des aciers " mi-dur "). Applications : pièces moulées et forgées, arbres, axes, engrenages, visserie...

Aciers à haute teneur en carbone (> 0,5 %) :

ils sont employés pour des applications exigeant : grandes duretés, hautes résistances, tenue à l'usure. Ils ont tendance au gauchissement et aux déformations après trempe. Ils perdent leurs propriétés aux hautes températures. Ne durcissant pas en profondeur ils sont surtout utilisés pour des pièces « petites » en volume, ou minces.

Exemples de nuances : C55 (XC 55) ; C 60 ; C 65 ; C 70 ; C 80 (XC 80).

Applications : pièces forgées, ressorts, lames, rasoirs, forets, matrices...

II - Aciers faiblement alliés, pour haute résistance

Pour ces aciers, aucun élément d'addition ne dépasse 5 % en masse (Mn s= 1 %). Ils sont choisis chaque fois qu'une haute résistance est exigée. Ils sont utilisés en l'état ou avec traitement.

1. Désignation normalisée

Pourcentage de carbone multiplié par 100, suivi des symboles chimiques des principaux éléments d'addition classés en ordre décroissant. Puis, dans le même ordre, les pourcentages de ces mêmes éléments multipliés par 4, 10, 100 ou 1000 (voir détails figure 4), plus au besoin des indications complémentaires.

Exemple : G 35 NiCrMo 16 (0,35 % de carbone ; 4 % de nickel et des traces < 1% de chrome et de molybdène, G = acier moulé).

4. Désignation des aciers faiblement alliés.

2. Aciers de cémentation (% C < 0,2 %)

En plus de la cémentation, ils peuvent recevoir une trempe dans la masse : trempabilité fonction de la composition (Voir cémentation, chapitre 19 : traitements de surface).

Classement, par résistances « sous-couche » croissantes : 10NiCr6, (20NiCrMo2- 13NiCrl4), (20NiCrMo7-20NiCrMo2), (16NiCrMol3-25MnCr5-20NiCr6). 10NiCr6 est un acier doux comparable à la nuance C22 mais en plus résilient.

3. Aciers pour trempe dans la masse

Ils permettent la trempe en profondeur des pièces massives, et sont beaucoup plus performants que les aciers C.

Classement par résistances croissantes possibles :

28Mn6, (20MnCr5-38Cr2-46Cr2-20NiCr6-20CrMo4), (41Cr4-30NiCrll-34CrMo4-41CrAlMo7)-(55Si7-45SiCrMo6), (42CrMo4-51 CrV4-50CrMo4), (34CrNiMo6-31 CrMo 12-30CrNiMo8-36NiCrMo 16).

Remarques :

20Mn5 est un acier mi-doux semblable au C25 en plus trempant. L'acier pour roulements 100Cr6 existe dans les variantes 100CrMn6,100CrMo7.2,100CrMnMo8, etc.

III. Aciers fortement alliés

Ils sont destinés à des usages particuliers (inoxydable...). Pour ces aciers au moins un élément d'addition dépasse la teneur de 5 % en masse.

1. Désignation

Lettre X, symbolisant la famille, suivie des mêmes indications que pour les aciers faiblement alliés. Seule différence : pas de coefficient multiplicateur pour le pourcentage des éléments d'addition (ni 10, ni 4, ...).

Exemple : G X6CrNiTi 18-11 (0,06 % C ; 18 % de chrome ; 11 % de nickel et des traces de titane (< 1%), G pour acier moulé).

5. Désignation des aciers fortement alliés.

2. Aciers inoxydables

 Famille très importante, caractérisée par une grande résistance à la corrosion, à l'oxydation à chaud, au fluage et subdivisée suivant la teneur en nickel (2,5 %). Liste : NF EN 10088-1.

a) Aciers inoxydables austénitiques [Cr+Ni]

Ces aciers, les plus utilisés, sont les plus résistants à la corrosion (Ni ≥ 7 %).

Leurs caractéristiques sont : tenue aux températures élevées et à l'écaillage ; ductilité (A% élevé) ; résilience ; faciles à forger et à souder ; usinabilité médiocre. Ils peuvent être durcis par corroyage (écrouissage) mais pas par trempe. Leur degré de dilatation est élevé et leur conductibilité thermique assez basse. Nombreuses nuances.

Applications

(chimie, alimentaire, transports, nucléaire...) : pièces embouties, chaudronnées, cuves, réservoirs, armatures, conduites, vannes, visserie,...

b) Aciers inoxydables ferritiques [au Cr]

Ils sont toujours ductiles, ne durcissent ni par trempe (C < 0,08 %) ni par écrouissage ; ils sont faciles à étirer, former, plier, forger, rouler (Ni < 1 %) ; les moins résistants à la corrosion. Propriétés : les plus économiques, usinabilité médiocre, soudabilité moyenne ; peu résilients et faible résistance à la rupture (R₁) sous températures élevées.

Applications :

équipements ménagers, décoration intérieure, automobiles, mobiliers...

c) Aciers inoxydables martensitiques (0,08 ≤ C ≤ 1 %)

Résistent aux chocs, durcissent par trempe, sont soudables à chaud, faciles à forger, ont une bonne usinabilité et de bonnes caractéristiques mécaniques à température élevée (Ni < 7 %), et résistent moins à la corrosion que les précédents.

X30Q-13 existe en X12O13, X20Q13, X39Q13, X46Crl3 et X12CrS13.

Applications :

composants divers (toutes industries), couteaux, ressorts...

d) Aciers inoxydables à durcissement par précipitation

Comme les martensitiques en plus résistants à la corrosion et mécaniquement (après trempe).

3. Autres familles

-Aciers moulés (EN 10340) : GS200, GS240, G15Mn5, G20Mn5, G24Mn6 (non alliés) ; G10MnMoV6-3, G18NiMoCr3-6, CX4CrNiMo 16-5-1, GX2CrNiMol9-ll-2 (alliés)...

- Aciers réfractaires (pour températures 650° < t °C < 1 150°) : X12CrNi23-13,X8CrNi25-21, X8CrNiTil8-10, X15CNiSi20-12 (austénitiques) ; X10CrAlSil3, X16Q17 (ferritiques).

- Aciers à outils : alliés pour travail à froid ou à chaud (usure, chocs, températures) ; aciers rapides (au Cr+W+Mo+V) : HS6-5-3 (surcarburé - 1,2 % C), HS18-0-2-9 (au Co- 9 %)...

- Aciers Maraging : hautes résistances en aéronautique ; Rr = 2 000 MPa ; X2NiCoMol8...

- Aciers Hadfields (au Mn) : grande résistance à l'usure, dureté ≈ 500 HB ; X120Mnl2...

-Aciers pour roulements, pour appareils à pression, pour ressorts...

IV-Fontes

Leur grande coulabilité permet d'obtenir des pièces de fonderie aux formes complexes.

À cause du pourcentage élevé de carbone qu'elles contiennent, entre 2 et 4 %, elles sont en général assez fragiles, peu ductiles (inadaptées aux déformations à froid : forgeage, laminage ... ) et difficilement soudables.

6. Désignation des fontes NF EN 1560.

1. Fontes à graphite lameDaire EN-GJL (ex « FGL »)

Les plus économiques, les plus utilisées, ce sont les fontes de moulage par excellence. Le carbone se présente sous forme de fines lamelles de graphite qui lui donne une couleur « grise ». Propriétés : bonne coulabilité ; bonne usinabilité ; grande résistance en compression et grandes capacités d'amortissement des vibrations. Norme NF EN 1561.

Applications : bâtis de machine, supports, carters, blocs-moteur...

2. Fontes à graphite sphéroïdal EN-GJS (ex « F6S »)

Ce sont les plus utilisées après les fontes à graphite lamellaire, obtenues par addition de petites quantités de magnésium juste avant moulage ; le graphite s'agglomère pendant le traitement sous forme de nodules ou sphères. Norme NF EN 1563.

Propriétés : ductilité, résilience et usinabilité.

Applications : vilebrequins, arbres de transmission, pièces de voirie, tuyauteries...

3. Fontes malléables EN-GJMW et GJMB (ex « FMB et FMN »)

Elles sont obtenues par malléabilisation de la fonte blanche (paragraphe 4) - sorte de recuit -et ont des propriétés mécaniques voisines de celles de l'acier. Elles peuvent être moulées en faibles épaisseurs et sont facilement usinables. Applications : carters, boîtiers... NF EN 1562.

7. Microstructures des fontes usuelles.

4. Autres familles

Fontes blanches (FB) :

à base de perlite et de cémentite (carbures Fe₃C, elles sont très dures, fragiles, résistantes aux frottements, à l'abrasion et aux températures élevées. Difficiles à usiner, les applications sont limitées.

Fontes alliées :

elles peuvent être à graphite lamellaire, sphéroïdal ou blanches (EN-GJN) et sont destinées à des usages particuliers. Principaux éléments d'addition : nickel, cuivre, chrome, molybdène et vanadium.

Ces éléments contrôlent plus ou moins la formation du graphite et développent des propriétés particulières.

8. Exemple d'objets utilisant des aciers faiblement et fortement alliés ainsi que des fontes alliées.