L'histoire de l'acier, Partie 3 - Le création des aciers soudables

Nous avons déjà parcouru un long chemin dans l’histoire de l’acier, depuis la formation du fer à partir des étoiles que nous voyons dans le ciel nocturne, jusqu’à son dépôt sur la Terre sous forme d’oxyde de fer et enfin à la fabrication de l’acier.

Dans la deuxième partie de notre histoire (La création de l’acier), nous avons vu que l’acier peut être fabriqué de plusieurs façons.

• Par la voie traditionnelle de « l’aciérie intégrée », qui utilise des hauts fourneaux pour la réduction du minerai de fer, puis la conversion de la fonte brute en acier au moyen du convertisseur basique à oxygène. Cette méthode produit d’importantes émissions et les pays s’en détournent pour ces raisons.
• Four à arc électrique (EAF). En utilisant de la ferraille d’acier, qui est 100 % recyclable.
• Méthodes de réduction directe du minerai de fer (DRI) puis de l’acier par EAF.
• D’autres méthodes de réduction du minerai, par exemple le remplacement du coke par de l’hydrogène dans les procédés utilisés en Europe pour produire du fer, puis des fours à arc électrique pour la production d’acier.

Quelle que soit la manière dont l’acier est fabriqué avant qu’il soit coulé, il répondra à une certaine norme, par exemple à une spécification CSA ou ASTM. Cette spécification contient des exigences de base telles que la composition chimique et la résistance mécanique.

Avec plus de 3 500 nuances différentes et une production d’environ deux milliards de tonnes par an, l’acier est de loin le métal le plus utilisé au monde. C’est également l’un des matériaux de construction les plus durables. C’est le métal le plus recyclé au monde et, chaque année, on recycle en Amérique du Nord plus d’acier que de papier, de plastique, d’aluminium et de verre réunis. Au vu de tous ces éléments, nous pouvons affirmer sans hésitation que l’acier est vraiment un matériau formidable.

Comme nous avons montré dans l’article précédent qu’il faut réduire la teneur en carbone de la fonte brute au cours de la fabrication de l’acier, nous savons maintenant que la teneur finale en carbone est d’une grande importance.

Nous classons généralement les aciers comme des alliages de fer contenant moins de 1,7 % de carbone et tout ce qui est supérieur à 1,7 % est considéré comme de la fonte. Toutefois, les aciers à forte teneur en carbone ne sont pas soudables au sens traditionnel du terme. Le Tableau 1 présente quelques aciers avec une teneur croissante en carbone et leurs applications.

Les aciers soudables, ceux que vous utilisez quotidiennement, contiennent généralement des niveaux de carbone relativement faibles. Les aciers au carbone contenant de 0,15 à 0,30 % de carbone sont facilement soudables, tandis que ceux contenant moins de 0,2 % de carbone sont considérés comme idéaux. Au fur et à mesure que la teneur en carbone augmente, la « soudabilité » de l’acier diminue.

La soudabilité est une propriété importante à laquelle nous sommes confrontés tous les jours dans le secteur de la fabrication. L’American Welding Society (AWS) définit la soudabilité comme « la facilité relative avec laquelle un matériau peut être soudé pour répondre à une norme applicable ».

Examinons les composants chimiques que contient un simple acier au carbone. Le fer est l’élément de base, et les autres éléments sont ajoutés pour conférer certaines propriétés. Les quatre éléments suivants peuvent être énumérés, auxquels s’ajoutent deux éléments considérés comme des impuretés, soit six éléments au total.

• Le fer (Fe) est le métal de base de l’acier. Il se combine à d’autres éléments d’alliage pour former tous les types d’acier. Le fer, à l’état pur, est relativement mou et de faible résistance.
• Le carbone (C) est l’élément le plus important dans la majorité des aciers, car il influe considérablement sur la dureté et la résistance. La résistance augmente, mais la soudabilité et la ductilité diminuent avec l’augmentation de la teneur en carbone. La soudabilité relative des aciers en fonction de la teneur en carbone et/ou en équivalent carbone est indiquée dans le Tableau 2. Le carbone équivalent (CE) est un indicateur qui peut aider à prédire la soudabilité du métal de base et prend en compte d’autres éléments qui s’ajoutent à l’effet du carbone seul.
• Le manganèse (Mn) contribue à la fois à la résistance et à la dureté.
• Silicium (Si). Cet élément est un des principaux désoxydants de l’acier.
• Le minerai contient du soufre (S) et du phosphore (P). Ils sont considérés comme des impuretés et sont normalement maintenus à des niveaux faibles car ils augmentent la sensibilité à la fissuration des soudures.

En plus de cet acier de base, il existe d’autres éléments que nous pouvons ajouter en quantités relativement faibles pour modifier ou améliorer les propriétés de l’acier. Il est alors question des aciers dits « alliés » ou « microalliés ». L’ajout de ces éléments est comparable à l’ajout d’ingrédients dans une omelette pour en améliorer le goût. Dans notre cas, nous ajoutons des éléments pour améliorer certaines propriétés de notre acier. Voici quelquesuns des éléments d’alliage les plus importantes :

• Le chrome (Cr) augmente la capacité de l’acier à durcir (définie par la trempabilité) et améliore sa résistance à l’usure et à l’abrasion.
• Le nickel (Ni) augmente la trempabilité, la résistance à la traction et la ténacité (résistance à la fissuration) de l’acier.
• Le molybdène (Mo) est ajouté aux aciers pour en améliorer la résistance et la dureté.
• Le niobium (Nb) permet de contrôler la taille des grains de l’acier et augmente ainsi la ténacité, la résistance et la formabilité de l’acier.
• Les additions de zirconium (Zr) peuvent contrôler la taille des grains, entre autres propriétés des aciers microalliés.

En outre, nous pouvons aller beaucoup plus loin et ajouter des quantités plus importantes de certains éléments pour produire, par exemple, des aciers au chrome/molybdène résistants à la chaleur et des aciers inoxydables. Les aciers inoxydables ont comme additions certaines quantités de chrome, de nickel et/ou de molybdène pour leur conférer des propriétés « inoxydables » et d’autres propriétés avancées.

Comme on peut le constater, il existe de nombreux éléments, dont certains ne figurent pas dans la liste ci-dessus, qui peuvent être ajoutés au fer de base et qui, en fin de compte, permettent d’obtenir un acier doté de certaines propriétés.

Lorsque l’on assemble des métaux par soudage, le joint réalisé doit, dans la plupart des cas, avoir une composition chimique proche de celle du métal de base et présenter des propriétés mécaniques similaires à celles de l’acier de base qui sera assemblé.

Dans la quatrième partie de l'Histoire de l'acier, nous examinerons quelques spécifications d'acier et la manière dont nous les soudons, en tenant compte des différences de chacune d'entre elles. Nous examinerons un acier allié de base, un acier faiblement allié aux propriétés uniques et un acier inoxydable.

Ces alliages sont tous très différents et nécessitent des approches de soudage différentes. Cependant, ce sont tous des aciers qui ont commencé leur existence de la même manière : le fer s'est formé dans une étoile qui a explosé, connue sous le nom de « géante rouge », et qui a « bien explosé » ........ dans l'espace !

Mick J Pates IWE
Le président PPC et Associéss

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