Article de référence | Réf : M3620 v1

Historique
Fonderie et moulage de l’acier - Généralités

Auteur(s) : Jean-Marcel MASSON

Date de publication : 10 juin 2003

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RÉSUMÉ

Cet article présente un panorama global du marché et des techniques de fonderie d'acier. L'acier est actuellement le matériau le plus utilisé dans le monde, avec une consommation de près d'un milliard de tonnes par an. L'acier moulé représente environ 10% du marché. Il existe une large gamme d'aciers différents utilisables en fonderie, mais tous laissent une grande souplesse au procédé de fabrication et une bonne adaptabilité. Ainsi des pièces de formes et de dimensions complexes peuvent être réalisées au plus près des cotes finales.

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Auteur(s)

  • Jean-Marcel MASSON : Chef du service métallurgique au Centre technique des industries de la fonderie (CTIF)

INTRODUCTION

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 :

  • Rm : 400 à 1 800 MPa ; Rp : 230 à 1 700 MPa ; Kv : < 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.

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-m3620


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1. Historique

  • Depuis toujours, le fer et l’acier ont participé à l’évolution des technologies et des civilisations et ont rendu possibles les grandes révolutions industrielles qui ont marqué l’histoire de l’humanité. Historiquement, le fer, l’acier ou la fonte ont été fabriqués à partir de minerai de fer extrait des mines, d’un combustible riche en carbone et, enfin, d’air contenant de l’oxygène. Le fer, dont l’origine remonte à plusieurs millénaires, est souvent décrit comme un sous-produit de la métallurgie du bronze ; il a été supplanté par l’acier qui est un alliage à base de fer contenant entre 0,1 et environ 1,5 % de carbone et qui présente l’avantage d’avoir des caractéristiques mécaniques plus élevées grâce à son aptitude à durcir après un chauffage suivi d’un refroidissement rapide. Jusqu’à la fin du Moyen Âge, le fer était obtenu par réduction directe en phase solide du minerai de fer par du charbon de bois, dans des fours chauffés vers 900 oC. C’est à la fin du XIVe siècle qu’apparaissent les premiers fourneaux qui permettent d’élaborer à l’état liquide un composé de fer et de carbone qui est désigné par le terme fonte. C’est donc à cette époque que la fabrication de la fonte est apparue en Lorraine où le minerai de fer, contenant une forte teneur en phosphore, permettait un abaissement important de la température de fusion de la fonte et facilitait les opérations de fabrication. Au XVIIIe siècle, sous l’impulsion de la famille Darby, le charbon de bois fut remplacé par de la houille dans les hauts-fourneaux ce qui permit un développement considérable de la métallurgie du fer et de l’acier. La fonte liquide produite par ce procédé était ensuite affinée en acier dans des foyers sous l’action de forts courants d’air, ou par puddlage, qui oxydaient la partie du carbone excédentaire. Cette technique conduisait souvent à des teneurs en carbone très aléatoires. Néanmoins, de multiples tentatives de production d’acier liquide dans des fours à creuset ont été faites à partir de 1750 et c’est vers 1840 que débuta la production industrielle de fers à cheval en acier moulé chez G. Fischer en Suisse, puis la production de cloches et de canons à Bochum en Allemagne. Les origines de la fonderie d’acier sont donc assez récentes...

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