L'acier est essentiellement allié au fer et au carbone avec certains éléments supplémentaires. Le processus d' alliage est utilisé pour modifier la composition chimique de l'acier et améliorer ses propriétés sur l'acier au carbone ou les ajuster pour répondre aux exigences d'une application particulière.
Avantages des agents d'alliage d'acier:
Différents éléments d'alliage ont chacun leur propre effet sur les propriétés de l'acier. Certaines des propriétés qui peuvent être améliorées grâce à l'alliage comprennent:
- Stabilisation de l'austénite : Des éléments tels que le nickel , le manganèse , le cobalt et le cuivre augmentent la plage de températures dans laquelle l'austénite existe.
- Stabilisation de la ferrite : le chrome , le tungstène , le molybdène , le vanadium, l' aluminium et le silicium peuvent avoir pour effet d'abaisser la solubilité du carbone dans l'austénite. Ceci entraîne une augmentation de la quantité de carbures dans l'acier et diminue la plage de température dans laquelle l'austénite existe.
- Formation de carbure : De nombreux métaux mineurs, y compris le chrome , le tungstène, le molybdène, le titane , le niobium, le tantale et le zirconium, forment des carbures forts qui - dans l'acier - augmentent la dureté et la résistance. De tels aciers sont souvent utilisés pour fabriquer de l'acier à haute vitesse et de l'acier à outils chaud.
- Graphitisation : Le silicium, le nickel, le cobalt et l'aluminium peuvent diminuer la stabilité des carbures dans l'acier, favorisant leur dégradation et la formation de graphite libre.
- Diminution de la concentration en eutectoïdes : le titane, le molybdène, le tungstène, le silicium, le chrome et le nickel réduisent la concentration en eutectoïde du carbone.
- Augmente la résistance à la corrosion : l'aluminium, le silicium et le chrome forment des couches d'oxyde protectrices sur la surface de l'acier, protégeant ainsi le métal d'une détérioration supplémentaire dans certains environnements.
Agents d'alliage d'acier communs:
Voici une liste des éléments d'alliage couramment utilisés et leur effet sur l'acier (contenu standard entre parenthèses):
- Aluminium (0,95-1,30%): Un désoxydant. Utilisé pour limiter la croissance des grains d'austénite.
- Bore (0,001-0,003%): agent de trempabilité qui améliore la déformabilité et l'usinabilité. Le bore est ajouté à l'acier complètement détruit et doit seulement être ajouté en très petites quantités pour avoir un effet de durcissement. Les ajouts de bore sont plus efficaces dans les aciers à faible teneur en carbone.
- Chrome (0,5-18%): Un composant clé des aciers inoxydables. À plus de 12% de contenu, le chrome améliore considérablement la résistance à la corrosion. Le métal améliore également la trempabilité, la résistance, la réponse au traitement thermique et la résistance à l'usure.
- Cobalt : Améliore la résistance à hautes températures et la perméabilité magnétique.
- Cuivre (0,1-0,4%): Le cuivre est généralement ajouté comme agent résiduel dans les aciers pour produire des propriétés de durcissement par précipitation et augmenter la résistance à la corrosion.
- Plomb : Bien que pratiquement insoluble dans l'acier liquide ou solide, le plomb est parfois ajouté aux aciers au carbone par dispersion mécanique pendant la coulée afin d'améliorer l'usinabilité.
- Manganèse (0,25-13%): Augmente la résistance à haute température en éliminant la formation de sulfures de fer. Le manganèse améliore également la trempabilité, la ductilité et la résistance à l'usure. Comme le nickel, le manganèse est un élément de formation d'austénite et peut être utilisé dans les aciers inoxydables austénitiques de la série AISI 200 comme substitut du nickel.
- Molybdène (0,2-5,0%): Trouvé en petites quantités dans les aciers inoxydables, le molybdène augmente la trempabilité et la résistance, en particulier à des températures élevées. Souvent utilisé dans les aciers austénitiques au chrome-nickel, le molybdène protège contre la corrosion par piqûres causée par les chlorures et les produits chimiques du soufre.
- Nickel (2-20%): Un autre élément d'alliage critique pour les aciers inoxydables, le nickel est ajouté à plus de 8% de teneur en acier inoxydable à haute teneur en chrome. Le nickel augmente la résistance, la résistance au choc et la ténacité, tout en améliorant la résistance à l'oxydation et à la corrosion. Il augmente également la ténacité à basse température lorsqu'il est ajouté en petites quantités.
- Niobium : A l'avantage de stabiliser le carbone en formant des carbures durs et, ainsi, se trouve souvent dans les aciers à haute température. En petites quantités, le niobium peut augmenter significativement la limite d'élasticité et, dans une moindre mesure, la résistance à la traction des aciers ainsi qu'une précipitation modérée renforçant l'effet.
- Azote : Augmente la stabilité austénitique des aciers inoxydables et améliore la limite d'élasticité de ces aciers.
- Phosphore: Le phosphore est souvent ajouté au soufre pour améliorer l'usinabilité des aciers faiblement alliés. Il ajoute également de la résistance et augmente la résistance à la corrosion.
- Sélénium : Augmente l'usinabilité.
- Silicium (0,2-2,0%): Ce métalloïde améliore la résistance, l'élasticité, la résistance aux acides et donne des granulométries plus grandes, ce qui conduit à une plus grande perméabilité magnétique. Parce que le silicium est utilisé dans un agent de désoxydation dans la production d'acier , il est presque toujours trouvé dans un certain pourcentage dans toutes les qualités d'acier.
- Soufre (0,08-0,15%): ajouté en petites quantités, le soufre améliore l'usinabilité sans entraîner de courtesse chaude. Avec l'addition de manganèse, la brièveté à chaud est encore réduite du fait que le sulfure de manganèse a un point de fusion plus élevé que le sulfure de fer.
- Titane : Améliore la résistance et la résistance à la corrosion tout en limitant la taille des grains d'austénite. Avec une teneur en titane de 0,25 à 0,60 pour cent, le carbone se combine avec le titane, ce qui permet au chrome de rester à la limite des grains et de résister à l'oxydation.
- Tungstène : Produit des carbures stables et affine la taille des grains de manière à augmenter la dureté, en particulier à haute température.
- Vanadium (0,15%): Comme le titane et le niobium, le vanadium peut produire des carbures stables qui augmentent la résistance à des températures élevées. En favorisant une structure à grains fins, la ductilité peut être conservée.
- Zirconium (0,1%): Augmente la résistance et limite les tailles de grains. La résistance peut être notablement augmentée à très basse température (en dessous de zéro). Les aciers qui contiennent du zirconium jusqu'à une teneur d'environ 0,1% auront des tailles de grains plus petites et résisteront à la rupture.
Sources: SubsTech. Substances et technologie. Effet des éléments d'alliage sur les propriétés de l'acier. (www.substech.com) Chase Alloys. Effets des éléments d'alliage dans l'acier. (www.chasealloys.co.uk)
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