Matériaux et techniques, cours no 8
Cours no 8
Matériaux et techniques Métaux ferreux
Un matériau métallique est dit ferreux quand le fer est le principal constituant.
Fonte
La fonte est un alliage de fer, de silicium et de plus de 2 % de carbone. Le pourcentage élevé de carbone dépasse la limite de solubilité dans le fer.
La fonte est utilisée essentiellement pour la réalisation de pièces moulées.
Types de fontes
On obtient différents types de fontes selon le pourcentage de carbone, la structure de celui-ci et le traitement thermique de l’ensemble. Les deux principales fontes utilisées sont la fonte grise et la fonte GS.
La fonte grise
La fonte grise a une résistance à la compression de trois à cinq fois plus élevée que sa résistance à la traction. C’est une matière qui subit peu de retrait après le moulage au sable. Elle est utilisée pour les blocs-moteurs et les bâtit de machine de toutes les dimensions. La corrosion en surface de la fonte crée une couche protectrice. Ainsi, même si c’est un matériau qui prend rapidement un aspect rouillé, la fonte grise résiste bien à la corrosion.
La fonte GS (fonte ductile)
La fonte GS (à graphite sphéroïdal appelé aussi ductile) à une ductilité considérablement améliorée. Elle est utilisée pour les vilebrequins, les engrenages ainsi que les pièces soumises à des chocs. Comme pour la fonte grise, c’est un matériau facile à mouler et résistant à la corrosion. C’est cependant un maté- riau plus cher que la fonte grise. Consultez le site de « Sorel- metal » (www.sorelmetal.com) pour plus d’information sur ce type de fonte en particulier et sur les autres types de fonte en général.
Autres types de fonte
Il existe d’autres types de fonte dont :
La fonte blanche, une fonte très dure, mais aussi très fragile ;
La fonte malléable qui s’obtient à partir d’un traitement thermique est un matériau concurrent à la fonte GS.
Comparaison avec l’acier
Par rapport à l’acier, la fonte est un matériau économique, mais il peut uniquement être mis en forme par fonderie (et usinage de finition) parce qu’il ne peut pas subir de déforma- tion plastique. La fonte résiste bien à la corrosion (mieux que l’acier), car les surfaces oxydées forment une couche protec- trice. La fonte est moins ductile que l’acier mais elle résiste mieux à l’usure.
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Acier
Essentiellement, l’acier est un alliage de fer et de carbone qui contient généralement (en plus des impuretés) certains autres éléments. La teneur en carbone d’un acier est toujours inférieure à ,5 %.
Les aciers sont classés selon leurs usages ou en fonction de leurs compositions chimiques à partir de normes nationales (ACNOR, ASTM, SAE, AISI, AFNOR, DIN etc.)
Par exemple, l’acier SAE 00 contient 0,0 % de carbone alors que le SAE 045 en contient 0,45 %. Généralement, c’est ce type de spécification (par composition) que l’on utilisera dans notre domaine d’application. Pour la construction on utilisera la spécification de l’ACNOR (type G pour usage général et type W pour soudure) qui se rapporte à la fonc- tion. Ce type de spécification sera plus rarement utilisé dans notre domaine sauf si vous réalisez des projets s’apparentant au domaine du bâtiment.
Consultez le site « Pro Meto inc. » (www.heth.com/cgi-bin/
index.cgi) pour plus d’information sur les aciers et certains autres métaux en général, dont la fonte.
Types d’aciers
Aciers d’usage général
Ils représentent environ 85 % de la consommation des aciers.
Ils sont constitués d’impuretés et d’éléments d’addition comme le manganèse, le silicium, le soufre et le phosphore.
Aciers de traitement thermique
Leurs compositions chimiques sont suffisamment contrôlées pour permettre des changements de propriétés selon les trempes. La trempe agit essentiellement au niveau de la cristallisation. Elle permet de contrôler approximativement le type de structure et la taille des grains. Un grain est en fait un cristal et plus le refroidissement sera rapide moins la matière aura la possibilité d’orienter à grande échelle les atomes com- posants le cristal.
Reproduit à partir de photos provenant
du dossier pédagogique de l’exposition « Métallomanie »
(2002 - 2003), École Nationale Supérieure des Mines, Saint-Étienne.
radiocristallographie d’un grain de métal grains dans
un métal
Les structures cristallines (cubiques à faces centrées, hexago- nales et cubiques centrées) des aciers sont influencées par divers facteurs comme : la chaleur avant la trempe, la compo- sition, la vitesse de refroidissement, etc.
Matériaux et techniques, cours no 8 2 Observez une lime, vous constaterez que le manche est
d’une couleur différente du corps de la lime proprement dite. Pour être dure, une lime est chauffée à haute tempéra- ture et refroidit très rapidement (trempé dans de l’eau ou de l’huile). Mais chaque matériau a les défauts de ses qualités.
Un matériau dur est aussi un matériau cassant. C’est pour- quoi le manche est chauffé à nouveau puis refroidit à l’air.
Il devient alors moins dur, mais aussi plus ductile. Comme cela, on obtient le meilleur des deux mondes.
Aciers à outils
Ce sont des aciers spéciaux adaptés à leurs fonctions d’outil.
Par exemple, l’acier outil A-2 sera utilisé pour le découpage (matrices et poinçons) alors que l’acier outil P-20 servira à la réalisation de moule à injection.
Aciers inoxydables
La principale propriété de l’acier inoxydable est sa résistance générale à la corrosion. Cette qualité provient du chrome qui forme une couche protectrice d’oxyde de chrome en surface.
Les quantités de chrome doivent cependant être impor- tantes, 2 % au minimum 30 % au maximum. C’est pour cela que l’acier inoxydable est un matériau cher (dans lequel on retrouve souvent du nickel en quantité appréciable, jusqu’à 36 %). On doit utiliser ce métal uniquement après avoir analysé correctement le rapport cout-bénéfice.
Corrosion
La corrosion des métaux en milieu aqueux est un phénomène de nature électrochimique.
H+ H+ e e
Procédé de fabrication
Nous avons vu au cours no 4 les trois familles de procédés (mise en forme, enlèvement de matière et assemblage).
Les principaux procédés classés par famille sont donnés dans la liste suivante.
Enlèvement de matière Usinage par machines-outils :
Tour ;
Perceuse sensitive ; Fraiseuse ;
Brocheuse.
Outils de découpage : Scie à ruban ;
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Presse à poinçonner ;
Outil progressif (progressive die).
Mise en forme Emboutissage ; Moulage au sable ; Pliage sous presse ; Forgeage ;
Frittage ;
Outil progressif (aussi dans outils de découpage).
Assemblage
Soudage par points ; Soudure à l’arc ; Brasage ; Rivetage ; Vissage ; Boulonnage.
Moulage au sable
C’est un procédé qui permet de mouler presque tous les métaux. C’est un procédé bien adapté pour les petites produc- tions, mais il est aussi utilisé pour des productions plus im- portantes. À cause du sable, les détails des pièces demeurent relativement grossiers.
Le procédé de moulage au sable ne comporte pas que des avantages. Par exemple, cette poignée en aluminium, qui sert à tourner la vis d’une trappe de foyer, a cédé sous la simple force exercée par une main quand la vis était coincée. Cette faiblesse est due entre autres à la forme des
« grains » et surtout à la présence de bulle de gaz qui donne une porosité au métal. Une pièce réalisée par forgeage n’aurait jamais cédé dans une telle situation.
La flèche montre, logée à un très mauvais endroit, une grosse bulle de gaz.
Avant d’exécuter le moulage, des empreintes dans le sable doivent être réalisées.
Les modèles servant à réaliser ces empreintes doivent être dotés de dépouilles afin d’être retirés facilement. Si possible on s’assure que les épaisseurs des parois du produit fini seront
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Matériaux et techniques, cours no 8 3 uniformes afin de permettre un refroidissement constant. Gé-
néralement on évite les coins vifs pour faciliter le démoulage et surtout pour éviter les concentrations de contraintes.
Moulage au sable, Représentation schématique Représentation sans les dépouilles, les congés et les arrondis.
Partie du modèle
Plaque de moulage Modèle
Produit
Fabrication du moule
Noyau de trou de coulée Sable
Châssis supérieur Oreille Noyau d’évent
Sable Châssis inférieur
Tige d’alignement
Moule prêt pour la coulée
Noyau Empreinte
Exercice
En équipe de quatre personnes, adaptez le produit représenté ci-dessous au procédé de moulage au sable. Essayez aussi de déterminer la forme des modèles de fonderie. Le travail est à présenter au groupe au début du prochain cours.
150 mm
Ø 50 mm
150 mm
100 mm
