De quoi est composé l'acier?

L’Association mondiale de l’acier indique qu’en 2019, 1869,9 millions de tonnes d’acier ont été fabriquées. Cela représente une hausse de 3,4 % de la production par rapport à 2018, et c’est plus de deux fois la quantité fabriquée en 1999.

Le monde a besoin de plus en plus d’acier chaque année. Il est utilisé dans la construction, dans l’industrie et dans la fabrication d’objets. Il est idéal pour tous les types de fabrication, car il est solide et bon marché.

De quoi est composé l’acier?

Le fer est l’un des éléments les plus courants de la croûte terrestre. C’est la partie principale de l’acier. Tous les alliages d’acier sont composés principalement de fer et de 0,002% à 2% en poids de carbone. Dans cette fourchette, le carbone se lie au fer pour former une structure moléculaire solide. La microstructure en réseau qui en résulte permet à l’acier d’avoir des propriétés importantes comme la résistance et la dureté.

Même si tous les aciers sont composés de fer et de carbone, les quantités de chaque élément dans chaque type d’acier sont différentes. L’acier peut également contenir d’autres éléments, comme le nickel, le molybdène, le manganèse, le titane, le bore, le cobalt ou le vanadium.

Les propriétés d’un alliage d’acier changent lorsque différents éléments sont ajoutés à sa « recette » La façon dont l’acier est fabriqué et traité rend également ces capacités encore meilleures. Le chrome est présent dans un groupe important d’alliages d’acier. Tous ces métaux sont appelés « acier inoxydable » par la plupart des gens.

Comment fabriquer l’acier?

À la base, l’acier est fabriqué en mélangeant du carbone et du fer à des températures supérieures à 2600°F.

Dans la première étape de la fabrication de l’acier, on utilise de la « fonte brute ». La fonte brute est obtenue en faisant fondre du minerai de fer. Elle contient plus de carbone que ce qui est nécessaire pour l’acier. Un système est utilisé par le sidérurgiste pour faire barboter de l’oxygène dans la fonte brute en fusion.

Grâce à ce processus, tout le métal en fusion subit le même degré d’oxydation. L’oxydation permet d’éliminer le carbone supplémentaire. Elle transforme également les impuretés constituées de silicium, de phosphore et de manganèse en vapeur ou les lie entre elles.

L’acier secondaire est fabriqué dans la poche de coulée. C’est un moyen de rendre l’acier meilleur et plus résistant. On peut faire fondre de la ferraille pour commencer à fabriquer de l’acier secondaire, ou poursuivre un processus primaire.

On peut fabriquer un certain alliage en ajoutant certains éléments. Le sidérurgiste peut également se débarrasser des saletés à la surface (décrassage). La poche de coulée est chauffée et refroidie aux bonnes températures pour les processus chimiques qui doivent se produire.

Dans une fonderie, l’acier est mis en forme en étant coulé au sable ou à la cire perdue. Dans une aciérie, une coulée continue transforme l’acier en matériaux de construction bruts. Les machines de coulée continue fabriquent des formes standard à partir d’acier brut, et non des pièces qui sont presque finies. L’acier brut sera transformé en produits finis en étant usiné ou travaillé.

Les aciéries fabriquent souvent des feuilles, des billettes, des barres, des blooms, des tuyaux, des lingots et des fils en coulant et en façonnant l’acier. L’acier peut également être laminé à chaud ou à froid dans une aciérie. Ces étapes permettent d’obtenir différentes formes et finitions.

Avant de quitter le laminoir, l’acier peut être coupé, enroulé sur une bobine ou mis en paquet. L’acier peut être chauffé dans une fonderie ou un laminoir. Les étapes finales telles que la trempe, le revenu, la normalisation et le recuit peuvent modifier le comportement de l’alliage dans une application.

L’invention de l’acier

Les archéologues ont trouvé le premier acier sur un site en Turquie construit il y a 4 000 ans. Dès le 4e siècle avant J.-C., les gens fabriquaient des aciers en creuset comme le célèbre acier Wootz d’Inde du Sud. Mais jusqu’au milieu des années 1800, la fabrication de l’acier était très difficile. L’acier fond autour de 2700°F. Les anciens fours qui fabriquaient l’acier en creuset avaient du mal à maintenir cette chaleur élevée.

De plus, les alliages d’acier, qui sont composés d’éléments comme le silicium et le manganèse, contiennent des impuretés. Il est toujours difficile de les éliminer. Dans le passé, la fabrication de l’acier était un processus long et compliqué. Les fondateurs passaient une longue journée à chauffer, remuer, décrasser et réchauffer leurs alliages.

Une fois l’acier coulé, il était envoyé aux forgerons pour être travaillé. Les formes finales étaient réalisées en martelant le métal sur l’enclume. Cela permettait également de répartir les différences de carbone, les pores ou les inclusions et de les rendre moins visibles.

En 1856, Henry Bessemer a demandé un brevet pour une nouvelle méthode de fabrication de l’acier. Au lieu d’utiliser des récipients de fusion traditionnels, le sidérurgiste pouvait faire barboter de l’air dans le métal en fusion en utilisant un convertisseur Bessemer. Les impuretés réagissaient avec l’air et s’oxydaient, dégageant des gaz. L’oxydation permet également de produire et de maintenir la chaleur élevée nécessaire à la fabrication de l’acier.

Autrefois, la fabrication de 5 tonnes d’acier nécessitait une journée entière dans la fonderie et davantage de temps dans la forge. Aujourd’hui, cela ne prend que 20 minutes. L’acier de Bessemer était également plus solide et de meilleure qualité que ce que la plupart des sidérurgistes pouvaient espérer. Cette nouvelle idée a contribué à la révolution industrielle.

L’acier est-il magnétique ?

L’acier est généralement magnétique, mais pas toujours. Le fer est le principal ingrédient de l’acier, et le fer est magnétique. Le ferromagnétisme a été découvert pour la première fois dans les « lodestones », des roches composées de magnétite, un oxyde de fer. D’autres éléments, comme le cobalt et le nickel, sont également ferromagnétiques. Certains de ces éléments peuvent également être trouvés dans l’acier.

Les aciers inoxydables sont connus pour ne pas être magnétiques, même s’ils contiennent tous du fer et beaucoup de nickel. En réalité, seuls certains types d’acier inoxydable ne sont pas magnétiques. La plupart du temps, l’acier inoxydable austénitique à base de nickel n’est pas magnétique (bien qu’il puisse devenir très légèrement magnétique lorsqu’il est travaillé.) Certains, comme les alliages ferritiques ou martensitiques, sont magnétiques et inoxydables.

Propriétés de l’acier

L’acier est si souvent utilisé en raison de ses propriétés spécifiques et du fait qu’il est relativement bon marché. Comparé à de nombreux autres matériaux utilisés pour la construction et la fabrication d’outils, comme le bois, la pierre, le béton ou la fonte, les alliages d’acier :

La dureté est le degré de résistance à l’indentation lorsqu’une pression croissante est appliquée.
La ténacité est une mesure de la distance à laquelle un matériau peut se plier avant de se briser.
La limite d’élasticité est le degré de résistance au changement de forme lorsqu’il est tiré avec une force progressivement croissante.
La résistance à la traction est la mesure dans laquelle un matériau peut être tiré avant de se rompre.
La malléabilité est la capacité à être façonné sans se briser lorsqu’il est martelé ou pressé.
La ductilité est la capacité à être façonné sans perdre sa résistance. Le travail du métal le rend souvent plus fragile, mais les matériaux ductiles ne deviennent pas plus fragiles aussi rapidement.

Ces propriétés varient selon les alliages, mais l’acier dans son ensemble est plus dur et plus résistant (moins fragile) que de nombreux autres matériaux.

Les différents types d’acier

Les aciers au carbone, les aciers à outils, les aciers alliés et les aciers inoxydables sont les quatre principaux types d’alliages d’acier.

Acier au carbone : Les aciers doux, moyens et hauts en carbone se distinguent principalement par leur dureté et la facilité avec laquelle ils peuvent être pliés. Les aciers doux ou à faible teneur en carbone sont généralement plus flexibles que les autres aciers, mais ils ne sont pas aussi durs. En revanche, les aciers à haute teneur en carbone sont plus durs que les aciers à faible teneur en carbone. Mais l’acier à forte teneur en carbone est généralement moins flexible.

Acier à outils : Les aciers à outils sont fabriqués à partir d’un acier à haute teneur en carbone auquel on a ajouté du tungstène, du vanadium ou du molybdène, qui est ensuite chauffé et refroidi pour le rendre très dur.

Acier allié : Cette famille d’aciers désigne généralement les aciers qui ont été mélangés à certains éléments pour leur conférer des propriétés que l’on ne trouve généralement pas dans les autres familles. Tous les aciers sont des alliages, et la plupart d’entre eux contiennent plus d’un élément. Les aciers alliés, quant à eux, ne sont pas comme les autres aciers. Ils sont fabriqués pour un usage spécifique et peuvent aller des formules de valeur aux alliages exotiques utilisés dans les moteurs à réaction.

Acier inoxydable : Du chrome est ajouté à ces aciers pour les rendre résistants à la rouille. Ce procédé est appelé passivation.

Est-ce que l’acier est recyclable?

L’un des aspects les plus intéressants de l’acier et des autres métaux est qu’ils peuvent être fabriqués à partir de vieux rebuts pour produire un métal neuf de haute qualité. Lorsque l’on fabrique de l’acier secondaire, on obtient des alliages qui sont tout aussi bons que ceux fabriqués à partir de la fonte brute. Les métaux peuvent s’user avec le temps, mais lorsque vous les faites fondre et que vous les mélangez à d’autres métaux, vous pouvez fabriquer quelque chose de totalement nouveau.

Ainsi, la croissance de la production d’acier ne doit pas nécessairement s’accompagner d’une croissance de la fonte de nouveaux minerais (bien que la production de fonte brute reste un élément essentiel de la chaîne d’approvisionnement en acier) En collectant et en traitant la ferraille, un panneau de voiture d’hier peut devenir une poutre en I de demain.

L’acier est l’un des produits les plus recyclables au monde, car 98 % d’entre eux peuvent être réutilisés. Il n’en demeure pas moins qu’il pose des problèmes environnementaux. Le coke, qui est un type de charbon, est généralement utilisé pour ajouter du carbone à l’acier. De plus, la fonte ou la fusion nécessite beaucoup d’énergie, et l’oxydation et d’autres processus de production produisent des produits chimiques et du dioxyde de carbone.

Dans l’industrie de l’acier, de nombreuses recherches sont menées pour trouver des moyens de résoudre les problèmes de production. Certaines d’entre elles impliquent de réintégrer le dioxyde de carbone dans l’acier comme source de carbone, ce qui réduirait le besoin d’autres sources comme le coke. La sidérurgie restera l’une des industries les plus importantes à l’avenir si ces technologies sont améliorées et utilisées. Notre économie repose sur elle, en est le moteur et la base.