Matériaux 101: Métaux Ferreux et Non Ferreux

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Caractéristiques du métal et composition pour la conception de coulée

Un ferronnier vêtu d'un équipement de protection verse de l'acier ferreux fondu dans des moulages de sable
Une liste de métaux ferreux contenant du fer et ses alliages, y compris tous les aciers.

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

Les métaux et les méthodes de moulage s’influencent mutuellement: le meilleur choix de moulage pour un produit est influencé par la façon dont son métal se comportera dans les états fondus, de refroidissement et solides. 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 que celle qui produit des pièces de moteur de haute qualité.

L’une des distinctions majeures dans la 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 n’importe quel métal qui contient du fer; les métaux non ferreux n’en contiennent pas. La métallurgie ferreuse représente environ 90% de la production mondiale de métal. Le fer gris est le métal le plus répandu dans les fonderies. En dehors de la fonderie, l’acier est l’alliage ferreux le plus utilisé dans l’industrie, dans la construction et dans le transport.

Les métaux ferreux sont définis comme ces métaux contenant du fer. Les métaux non ferreux n’en contiennent pas.

Les fonderies qui se spécialisent dans les méthodes de moulage courantes, comme le moulage au sable, travaillent généralement dans des métaux choisis pour des propriétés spécifiques telles que la facilité de fonte et de coulée, la capture de détail dans le moule, le comportement prévisible pendant le refroidissement ainsi que la préparation à l’usinage ou à la finition.

Les métaux ferreux et leurs propriétés

Les caractéristiques uniques du fer sont sa densité, sa solidité lorsqu’il est mélangé au carbone, son abondance et sa facilité de raffinage, sa forte propension à la corrosion et son magnétisme. L’alliage du fer avec d’autres éléments dans des proportions différentes peut diminuer ou éliminer un ou plusieurs de ces facteurs.

Des centaines d’alliages ferreux sont bien connus. Ils sont définis par les proportions de chaque élément dans leur composition, ainsi que les directions sur leur fonte et leur finition. Les alliages ferreux contenant 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 pourraient être intéressés par leur limite de force, de ténacité, de ductilité, de soudabilité, d’élasticité, de cisaillement, et de dilatation thermique, qui décrit comment un matériau se comportera sous des facteurs de stress spécifiques.

Ces aspects distinctifs du fer peuvent être modifiés dans les alliages, qui mélangent le fer avec d’autres éléments. L’acier inoxydable est un bon exemple car certains alliages d’acier inoxydable sont à la fois non magnétiques et non corrosifs. Une manière courante de dire si un métal est en acier est de poser un aimant contre lui, puisque le fer dans l’alliage fera coller l’aimant; Cependant, les gens qui ont essayé de coller des aimants à 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 peut modifier suffisamment la microstructure de l’acier pour empêcher une réaction magnétique. De plus, l’acier inoxydable ne se corrode pas comme les autres alliages de fer grâce à l’ajout de chrome. Le chrome protège contre la rouille en utilisant un processus appelé passivation, dans lequel les molécules supérieures du métal s’oxydent mais restent fortement liées au métal en dessous, créant une structure impénétrable.

Dans les métaux ferreux, le fer et l’acier sont les matériaux de moulage les plus communs.

Fer

La fonte est une catégorie d’alliages de fer dont la teneur en carbone est supérieure à 2%. Elle est relativement peu coûteuse et dense. Lorsqu’elle est chauffée et coulée, elle a une fluidité beaucoup plus élevée à des températures plus basses que l’acier, ce qui signifie qu’elle peut couler et remplir des parties d’un moule complexe avec une plus grande efficacité. La fonte rétrécie aussi à la moitié de la vitesse de l’acier lors du refroidissement.

La fonte de base possède de bonnes propriétés de compression, mais elle est fragile: elle se brisera avant de se plier ou de se déformer. Cette vulnérabilité peut signifier que des catégories plus fragiles de fonte ne seront pas utilisées pour des conceptions avec de l’extrusion ou des détails élaborés, ou avec des rebords tranchants car ces particularités peuvent s’écailler.

Les moules de roue de fonte de sable verts sont remplis d'acier fondu
Les propriétés mécaniques des métaux ferreux comme l’acier concevoir de fortes roues porteuses.

Le Fer Gris est le type de fonte le plus couramment produit, se retrouvant dans tout ce qui concerne les couvercles de bouches d’égout jusqu’aux freins à disque sur les voitures. Il tire son nom de la couleur qu’il prend lors de la fracturation, qui est grise en raison de la présence de graphite servant d’additif de carbone. Le fer gris est de 2,5 à 4% de carbone en poids, et contient en plus de 1 à 3% de silicium, ce qui assure la stabilité du graphite. Il possède beaucoup d’attributs de la fonte de base, car il est peu coûteux et possède une fluidité élevée par rapport à l’acier lorsqu’il est fondu mais est avantagé par la présence du graphite qui permet au fer d’être un peu moins fragile, facilitant son usinage. Le fer gris est reste tout de même inflexible: il se plie très peu avant de se briser.

Le Fer Ductile est une forme de fonte dans laquelle le carbone ajouté est un graphite sphérique (nodulaire). Le fer ductile contient généralement de 3,2 à 3,6% de carbone en poids ainsi que du silicium et d’autres éléments. Son niveau de ferrite plus élevé signifie qu’une accumulation se retrouve sur les outils de coupe pendant l’usinage. Il est donc souvent utilisé dans les fabrications principalement en fonte, où une fluidité très élevée en fait un excellent choix pour un travail qui demande plus de détails. La forme sphéroïdale du graphite qui confère au fer ductile une résistance aux chocs et à la traction plus importante que celle du fer coulé ou du fer gris, rend possible la réalisation de conceptions détaillées ou à rebords. Le fer ductile est un nouveau venu dans la famille des fers car il a été découvert en 1943.

Acier

Des aciers de toutes sortes sont aussi parfois coulés. En général, l’acier possède une teneur en carbone inférieure à 2,14% en poids et est souvent allié à d’autres éléments. L’acier possède des propriétés mécaniques plus fortes que celles de la fonte mais ce qui est gagné en ténacité est perdu en fluidité. L’acier fondu doit être beaucoup plus chaud que le fer fondu afin de couler dans des moules détaillés, et les températures élevées requises pour travailler avec l’acier sont difficiles à gérer et peuvent nuire la conception et la finition de l’objet sortant du moule. Comme pour toutes les pièces coulées, certaines parties d’un objet peuvent refroidir à différentes vitesses, et ce différentiel provoque des contraintes dans le produit: l’acier se rétractant beaucoup plus rapidement et largement que la fonte, ces contraintes requiert une plus grande gestion en acier moulé.

Ces défis signifient que l’acier exige un travail beaucoup plus intensif pour bien couler. Il nécessite une attention experte à tous les stades de sa production. Pourtant, la haute résistance mécanique du produit final peut faire d’un alliage d’acier le meilleur choix pour certaines applications grâce à son usinage fournissant des finitions de fin d’étape.

Autre alliages de fer

D’autres alliages de fer existent en dehors de ces types communs et sont utilisés dans des applications spécifiques où leurs comportements mécaniques s’avèrent utiles. Par exemple, l’elinvar est un alliage de nickel et de fer qui ne se dilate pas et ne se contracte pas sous la chaleur et qui est utilisé dans de très petites pièces comme dans les horloges et autres dispositifs de précision.

Un métallurgiste non ferreux laisse des lingots d'argent et des pépites d'or à côté des creusets et des moules
La définition des métaux non ferreux sont ceux qui ne contiennent pas de fer—comme ces purs métaux précieux.

Les métaux non ferreux et leurs utilisations

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

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

Avec un tel éventail de matériaux dans ce groupe, beaucoup de propriétés mécaniques recommandant le fer peuvent être découvertes dans les métaux non ferreux. Par exemple, des alliages d’aluminium ou de titane pourraient remplacer l’acier dans de nombreuses occasions, si le prix n’était pas aussi exorbitant. Les capacités magnétiques du fer pourraient être imitées avec du nickel, du cobalt ou des éléments de terres rares alliés à d’autres métaux.

Toutefois, parce que les métaux non ferreux coûtent souvent plus cher, ils ont tendance à être choisis pour leurs attributs uniques, plutôt que pour les façons dont ils peuvent se comporter comme l’acier. Un poids plus léger, une meilleure conductivité, une meilleure résistance à la corrosion, des propriétés non magnétiques, la tradition et une valeur décorative sont quelques-unes des raisons qui justifient le choix d’un métal non ferreux. Certains métaux sont très recherchés étant donné leur rareté: avant que la fabrication de l’aluminium ne soit largement répandue, l’aluminium était un métal de luxe utilisé dans la vaisselle haut de gamme.

Toutes sortes de matériaux spécialisés sont coulés. Toutefois, dans les fonderies traditionnelles de moulage au sable, il existe trois métaux de coulée non ferreux remarquables.

Le bronze et le cuivre

Le bronze et le laiton ont été les premiers métaux coulés par l’humanité à l’Âge de Bronze et ces alliages de cuivre sont encore coulés au sable de nos jours. Ils sont fondus à des températures beaucoup moins élevées que les matériaux ferreux et ils moulent bien les détails, de sorte qu’ils sont souvent utilisés dans des applications décoratives comme la statuaire. Le bronze et le laiton sont plus doux que l’acier mais restent tout de même résistants à la corrosion même en présence de sel, de sorte que ces métaux sont utilisés dans des applications marines standards comme les raccords sur les bateaux. Le laiton est également résistant aux «irritants», qui sont l’usure du métal contre lui-même. Pour cette raison, le laiton est parfois moulé pour les pièces mécaniques, comme les hélices marines, ou usiné pour les roulements à billes et les fermetures éclair. Les deux alliages sont assez dispendieux car ils dépendent du cuivre, un métal également en demande pour ses propriétés électriques.

Aluminium

L’aluminium est un métal avec une densité beaucoup plus faible que le fer, ce qui en fait un matériau essentiel dans les applications qui ont besoin de force sans être trop lourdes, comme l’industrie aérospatiale. Il résiste à la corrosion car l’aluminium, comme l’acier inoxydable, réagit à l’oxydation en créant une couche 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 et nécessitant donc moins de surveillance pour les formes complexes. Par contre, le plus grand désavantage de l’aluminium reste son 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 une tâche satisfera à la fois les exigences esthétiques et mécaniques de l’application, et cela influera sur les méthodes de production requises pour mener un prototype vers le produit final.

Les métaux ferreux sont le choix le plus commun pour les pièces coulées, fréquemment choisies pour leur rentabilité et leurs propriétés mécaniques. Parfois, ce n’est pas la force d’un métal qui dicte le choix, mais des propriétés telles que le poids, la résistance à la corrosion ou le non-magnétisme. Les alliages non ferreux comme le bronze et le laiton peuvent également être choisis pour la tradition ou pour leur éclat.

La consultation avec un ingénieur peut aider un concepteur à trouver l’équilibre entre les différents aspects de son projet, en choisissant le métal idéal afin d’honorer l’application ainsi que le budget.