Fonderie et moulage de l’acier - Généralités

Actuellement, l’acier est le matériau le plus utilisé dans le monde et sa consommation atteint pratiquement un milliard de tonnes par an. Traditionnellement, on distingue l’acier corroyé et l’acier moulé. L’acier moulé, qui représente environ 10 % de la production totale, est un matériau relativement récent dont l’industrialisation correspond globalement à la révolution industrielle du XIX ^e siècle.

En fonderie d’acier moulé, les pièces sont obtenues directement par solidification du métal liquide dans des empreintes (ou moules) en matériau réfractaire ou métallique qui reproduisent le plus fidèlement possible les formes et les dimensions finales des pièces demandées par les utilisateurs. Cette pratique du « near net shape » est techniquement et économiquement intéressante, car elle élimine les coûteuses opérations d’usinage ultérieur et elle permet de conserver la peau brute de fonderie qui présente en général une microstructure fine favorable à la bonne tenue des pièces en service. Les produits corroyés sont, quant à eux, issus d’acier liquide coulés sous forme d’ébauches en lingotières ou en coulée continue. Ces ébauches sont ensuite mises en forme par laminage ou par forgeage, avant d’être le plus souvent, usinées et assemblées pour obtenir le produit final.

Les aciers moulés sont caractérisés par une très grande diversité de compositions chimiques. Ils sont constitués d’alliages à base de fer, de carbone, de silicium, de manganèse auxquels peuvent être ajoutés d’autres éléments d’alliages comme le chrome, le nickel qui leur confèrent des propriétés particulières, et ils ont des domaines d’application extrêmement variés. La normalisation définit trois grandes familles d’aciers moulés :

• les aciers au carbone (généralement 0,15 à 0,50 % C) ;

• les aciers faiblement alliés dans lesquels, la teneur de chaque élément d’alliage est inférieure à 5 % (Mn, Ni, Cr, Mo, voire V, Cu, Nb...) ;

• les aciers fortement alliés dans lesquels la teneur d’au moins un élément d’alliage dépasse 5 % (Cr, Ni, Mn).

Les alliages moulés à base de nickel et de cobalt sont souvent classés dans la catégorie des aciers moulés car ils sont généralement élaborés dans les fonderies d’aciers.

Une autre caractéristique de l’acier moulé tient à la structure des fonderies et à la diversité des moyens de production qui autorisent une grande souplesse du procédé de fabrication et une bonne adaptabilité permettant de réaliser, à l’unité ou en série, des pièces de formes et de dimensions complexes au plus près des cotes finales.

On retiendra par exemple les caractéristiques suivantes :

• dimensions : quelques centimètres à une dizaine de mètres ;

• poids : quelques grammes à plusieurs centaines de tonnes ;

• design, dans le but d’améliorer l’esthétique (architecture) ;

• progressivité des formes pour diminuer les concentrations de contraintes par rapport aux constructions mécanosoudées (nœuds moulés pour le BTP ou l’offshore, vannes, raccords) ;

• profilage pour améliorer l’écoulement des fluides (pompes, turboréacteurs).

Les pièces en acier moulé sont également aptes aux traitements thermiques qui leur confèrent des caractéristiques mécaniques élevées et ajustables à l’infini aux besoins des utilisateurs. À titre de comparaison, l’acier moulé est de loin le matériau qui présente, en terme de résistance à la rupture, des niveaux supérieurs à tous les autres produits moulés (figure 1). De plus et contrairement aux produits corroyés qui sont affectés d’une anisotropie marquée entre les sens long, travers et travers court, les caractéristiques mécaniques des produits moulés sont parfaitement isotropes dans les trois directions et présentent une excellente tenue aux sollicitations mécaniques multidirectionnelles.

Globalement, les conditions d’utilisation des aciers moulés couvrent les domaines ci-dessous :

• R_m : 400 à 1 800 MPa ; R_p : 230 à 1 700 MPa ; K_v : < 240 J.

• Utilisation entre – 196 ^oC et + 1 200 ^oC ; dureté HB : 120 à 650.

Enfin, contrairement à la plupart des autres matériaux moulés, l’acier moulé présente aussi l’avantage d’être très facilement soudable selon les mêmes procédés que l’acier corroyé. La soudure permet, entre autres, de réaliser des opérations de réparation, des opérations de finition, ainsi que des ensembles complexes, par assemblage :

• de pièces moulées entre elles ;

• de pièces moulées à des pièces forgées, à des tubes.

Le cas des nœuds moulés mis en œuvre dans le BTP ou la construction « off shore » est particulièrement explicite.

Cet article est le premier d’un ensemble consacré à la fonderie et au moulage de l’acier.