Différence entre fonte et acier?

Le moulage offre une capacité exceptionnelle pour les détails de conception, éliminant souvent le besoin de fabrication et d’assemblage supplémentaires. De nombreux matériaux peuvent être coulés, y compris plusieurs types de métaux et de matières synthétiques, mais le fer et l’acier en particulier présentent d’excellentes propriétés mécaniques pour un large éventail d’applications.

Si la fonte et l’acier peuvent sembler similaires à première vue, ils présentent chacun des avantages et des inconvénients distincts selon la production et l’application. Comprendre ces avantages et inconvénients et faire un choix approprié peut faire la différence entre une résistance et une durabilité impitoyables et des pièces fracturées ou déformées qui perdront rapidement leur éclat.

La teneur en carbone est la principale différence

Le fer et l’acier sont tous deux des métaux ferreux composés principalement d’atomes de fer. Dans la fabrication, cependant, ce n’est pas aussi simple : il existe de nombreux alliages et qualités différents utilisés dans la production. Pour les comprendre, il est important de faire la distinction entre le fer utilisé dans les produits quotidiens et l’élément scientifique qu’est le fer (Fe). Le fer élémentaire est celui que l’on trouve dans la nature, généralement sous une forme oxydée dont l’extraction nécessite un traitement intensif appelé fusion.

Le fer élémentaire pur est trop mou pour être utile dans la plupart des applications. Il devient plus dur, et donc plus utile, lorsqu’il est allié, ou mélangé, à du carbone. En fait, la composition en carbone est la principale distinction entre la fonte et l’acier. La fonte contient généralement plus de 2 % de carbone, tandis que l’acier moulé en contient souvent entre 0,1 et 0,5 %.

Coulabilité

La plupart des gens n’ont jamais rencontré le fer ou l’acier à l’état fondu – ce qui est compréhensible, puisque le fer fond à environ 2300˚F et l’acier à 2600˚F, et que les deux sont coulés dans des moules à des températures encore plus élevées. Les personnes qui travaillent avec la fonte et l’acier liquides découvrent rapidement qu’ils diffèrent considérablement en termes de coulabilité et de taux de retrait.

La fonte est relativement facile à couler, car elle se déverse facilement et ne se rétracte pas autant que l’acier. Cela signifie qu’elle remplit facilement les vides complexes d’un moule et qu’elle nécessite moins de matière fondue pour le faire. Cette fluidité fait de la fonte un métal idéal pour les structures architecturales ou ornementales en fer forgé, comme les clôtures et les bancs.

La coulée de l’acier est beaucoup plus difficile. Il est moins fluide que la fonte en fusion, et plus réactif aux matériaux de moulage. Il se rétracte également davantage lorsqu’il refroidit, ce qui signifie qu’il faut verser davantage de matériau fondu – généralement dans un réservoir excédentaire, appelé colonne montante, dans lequel la pièce coulée puise lorsqu’elle refroidit.

Cependant, les pièces moulées ne refroidissent généralement pas de manière uniforme dans leurs structures internes. Les zones extérieures et les parties les plus minces se refroidissent et se rétractent à des vitesses différentes de celles des zones intérieures et des parties les plus volumineuses, créant souvent une tension interne, ou contrainte, qui ne peut être atténuée que par un traitement thermique. L’acier est beaucoup plus sensible que le fer aux contraintes de retrait, et dans certaines situations, ces tensions peuvent entraîner des vides internes et/ou externes importants, et éventuellement des fractures.

Pour ces raisons, l’acier moulé nécessite plus d’attention et d’inspection tout au long du processus de moulage, ce qui rend la production plus gourmande en ressources.

Usinabilité

Selon l’application finale, les pièces moulées peuvent devoir être usinées pour atteindre des tolérances spécifiques ou pour créer une finition souhaitée. Au minimum, les objets tels que les portes et les glissières doivent être découpés et rectifiés.

La force sans la ductilité signifie qu’un matériau sera très fragile et susceptible de se briser

L’usinabilité est la mesure de la facilité avec laquelle un matériau donné peut être coupé ou meulé ; certains matériaux sont plus difficiles à usiner que d’autres. En règle générale, les métaux fortement alliés pour améliorer leurs performances mécaniques sont moins faciles à usiner.

La fonte est généralement beaucoup plus facile à usiner que l’acier. La structure graphite de la fonte se détache plus facilement et de manière plus uniforme. Les fers plus durs, comme le fer blanc, sont beaucoup plus difficiles à usiner en raison de leur fragilité.

L’acier n’est pas aussi facile à couper avec la même régularité, et il provoque une plus grande usure des outils, ce qui entraîne des coûts de production plus élevés. Les aciers trempés, ou ceux à forte teneur en carbone, augmentent également l’usure des outils. Un acier plus tendre n’est pas nécessairement meilleur : les aciers à faible teneur en carbone, bien qu’ils soient plus tendres, peuvent devenir gommeux et difficiles à travailler.

Amortissement des vibrations

Les propriétés d’amortissement doivent être prises en compte lors du choix d’un matériau de coulée, car un manque de capacité d’amortissement peut entraîner des vibrations et des bruits excessifs, tels que des sonneries ou des grincements. Selon l’endroit où le matériau est utilisé, un amortissement efficace peut se traduire par des performances plus solides et plus fiables.

Les structures en graphite de la fonte, en particulier les formations en écailles de la fonte grise, sont particulièrement efficaces pour absorber les vibrations. La fonte est donc idéale pour les blocs-moteurs, les logements de cylindres, les bancs de machines et d’autres applications où la solidité et la précision sont importantes. La réduction des vibrations peut minimiser le stress et prévenir l’usure des pièces mobiles.

Résistance à la compression

La résistance à la compression est la capacité d’un matériau à résister à des forces qui réduiraient la taille de l’objet. Elle est opposée aux forces visant à déchirer un matériau. La résistance à la compression est bénéfique dans les applications mécaniques où la pression et le confinement sont des facteurs. En général, la fonte a une meilleure résistance à la compression que l’acier.

Résistance à l’impact

Jusqu’à présent, il peut sembler que la fonte présente plus d’avantages que l’acier, mais ce dernier a un avantage important : la résistance aux chocs. L’acier est excellent pour supporter des impacts soudains sans se plier, se déformer ou se casser. Cela est dû à sa ténacité : sa capacité à résister à des forces de contrainte et de déformation élevées.

Une force sans ductilité se traduit par un matériau fragile, très susceptible de se briser – et la fonte est l’exemple même de la force sans ductilité. En raison de sa fragilité, la fonte a un champ d’application limité.

Dans le même temps, une ductilité élevée, ou la capacité de se déformer sans défaillance, n’est pas d’une grande utilité sans la résistance nécessaire pour supporter un impact important. Un élastique, par exemple, peut subir une déformation importante sans se rompre, mais la force qu’il peut supporter est très limitée.

Si le fer est plus facile à travailler dans la plupart des applications de moulage, l’acier offre un mélange optimal de résistance et de ductilité pour de nombreuses applications, et l’acier moulé est extrêmement résistant. Les qualités de résistance aux chocs et la capacité de charge globale de l’acier le rendent souhaitable pour de nombreuses applications mécaniques et structurelles – c’est pourquoi l’acier est le métal le plus utilisé dans le monde.

Résistance à la corrosion

Le fer a une meilleure résistance à la corrosion que l’acier. Les deux métaux s’oxydent en présence d’humidité, mais le fer développe une patine qui empêche la corrosion profonde de l’intégrité du métal.

Une autre façon d’empêcher la corrosion est d’utiliser de la peinture ou un revêtement en poudre, ou IronArmor pour une protection supplémentaire. Tout éclat ou fissure qui expose le métal sous-jacent peut entraîner de la corrosion, c’est pourquoi un entretien régulier est important pour les métaux revêtus.

Si la résistance à la corrosion tout en conservant l’aspect argenté du métal brut est un facteur important, les aciers alliés sont probablement une meilleure option – en particulier les aciers inoxydables, auxquels on ajoute du chrome et d’autres alliages pour empêcher l’oxydation.

Résistance à l’usure

La fonte présente généralement une meilleure résistance à l’usure mécanique que l’acier, notamment dans les situations d’usure par frottement. Une certaine quantité de graphite dans la matrice de la fonte crée un lubrifiant sec graphitique qui permet aux surfaces solides de glisser les unes contre les autres sans détériorer la qualité de la surface, ce qui rend l’usure plus difficile.

L’acier s’use plus facilement que le fer mais peut encore résister à certains types d’abrasion. Certains ajouts d’alliages peuvent également améliorer les qualités d’abrasion de l’acier.

Coût

La fonte est souvent moins chère que l’acier moulé en raison du coût inférieur des matériaux, de l’énergie et de la main-d’œuvre nécessaires à la fabrication du produit final. L’acier brut est plus coûteux à l’achat, et il faut plus de temps et d’attention pour le couler. Lors de la conception de produits moulés, il convient toutefois de tenir compte de l’utilisation à long terme et des coûts de remplacement. Les pièces qui sont plus chères à fabriquer peuvent finir par coûter moins cher à long terme.

L’acier est également disponible sous de nombreuses formes préfabriquées (feuilles, tiges, barres, tubes et poutres) et peut souvent être usiné ou assemblé pour répondre à une application particulière. Selon le produit et la quantité requise, la fabrication de produits en acier existants peut être une option rentable.

Différents types de fonte et d’acier moulé

Nous avons comparé les qualités des formes les plus basiques de fonte (fonte grise) et d’acier moulé (acier doux ou acier au carbone), mais la composition spécifique et la structure de phase du fer et de l’acier peuvent grandement affecter les propriétés mécaniques. Par exemple, le carbone d’une fonte grise standard prend la forme de paillettes de graphite pointues, tandis que la fonte ductile présente des structures de graphite plus sphéroïdales. Le graphite en flocons est ce qui rend la fonte grise fragile, tandis que les particules de graphite rondes de la fonte ductile améliorent la ténacité, ce qui la rend plus adaptée aux applications de résistance aux chocs.

Des alliages peuvent être ajoutés au fer et à l’acier pour obtenir les propriétés souhaitées. Le manganèse, par exemple, augmente la ténacité, tandis que le chrome améliore la résistance à la corrosion. La variation de la teneur en carbone est également ce qui distingue les aciers à faible teneur en carbone, les aciers standard et les aciers à haute teneur en carbone, les quantités plus élevées donnant des matériaux beaucoup plus durs.

En définitive, le choix entre la fonte et l’acier moulé dépendra du type et de l’application de l’installation finale.