Module Matériaux et matières auxiliaires

Module Matériaux et matières auxiliaires
Index
Les sujets de formation
Les matériaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
La fabrication de la fonte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
La classification des aciers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
L’utilisation des aciers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
Les désignations normées des aciers selon DIN et EN . . . . . . . . . . . . . . 6
La clé des aciers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
La désignation des matériaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
Le fer et les fontes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
Les fours à cubilot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10
Les fours à creuset à injection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
Les fours à arc électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
Les types de fonte de première fusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
Les métaux non-ferreux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
La classification des métaux non-ferreux (métaux NF) . . . . . . . . . . . . . . . . 12
La désignation des métaux non-ferreux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
Les métaux non-ferreux lourds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
Les métaux non-ferreux légers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
Les matériaux non-métalliques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
La classification des matériaux non-métalliques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
Les matières synthétiques (plastiques) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
La classification des matières synthétiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
Questions d’examen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
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Version pour apprenants, n° art. 2108f
Version pour instructeurs et
maîtres d’apprentissage n° d’art. 2608f
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Les matériaux
La fabrication de la fonte
Vous serez informés de manière plus complète à un moment ultérieur par votre école de formation
professionnelle sur la fabrication des matériaux ferreux. Pour cette raison, nous nous limitons ici
aux informations essentielles pour des cours inter-entreprises.
gueulard, levé
pour charger
gueulard, baissé
pour enfourner
lit de fusion
coke
zone de
dessication
zone de
réduction
refroidissement à l’eau
zone de
carburation
conduit en anneau
zone de
fusion
trou de coulée
du laitier
trou de coulée de
fonte de première
fusion
Le haut-fourneau
La fonte de première fusion est tirée du minerai de fer par réduction de l’oxygène dans un hautfourneau. Cette fonte n’est qu’un produit précurseur qui demande un traitement supplémentaire.
Selon sa composition, elle est séparée pour être transformée en fer brut ou en acier. La fonte
blanche, qui contient du manganèse, est destinée à la production d’acier et la fonte grise, qui
contient du silicium, est destinée à la production de fer brut.
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Les composantes indésirables (soufre, phosphore, silicium, manganèse) sont éliminées dans
des convertisseurs ou des fours à arc électrique. La teneur en carbone, qui est à l’origine
d’environ 4%, peut être réduite jusqu’à 0.02%. Ce procédé est appelé l’affinage. Durant ce
procédé, il est aussi possible d’ajouter des métaux d’alliage tels du tungstène, du cobalt, du
chrome, du molybdène ou d’autres. De cette manière, on obtient des aciers avec des propriétés définies avec précision concernant l’usinabilité, la dureté, la résistance à la traction et le
champ d’application.
Une coulée d’un four électrique
filtre
courant du transformateur
électrodes de charbon
couvercle amovible
éléments d’addition :
de la mitraille et du
riblon
enveloppe du four
laitier
acier
cuve à laitier
cuve d’acier
Un four à arc électrique
Par des procédés d’affinage ultérieurs tels le traitement sous vide, le balayage à l’argon ou la
refonte (refusion), on produit des types d’acier définis avec précision.
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Les aciers pour des usages particuliers :
– Pour la fabrication et le transport de gaz liquides dans des tuyaux, les réservoirs dans la
recherche spatiale où des températures de moins 50 ° C sont atteintes, on utilise des aciers
tenaces aux basses températures.
Exemple :
matériau n° 1.4311
DIN = X 2 Cr Ni N 18-10
EN = X 2 Cr Ni N 18-10
– Pour des turbines à vapeur, des conduits de centrales thermiques
et des chaudières, on utilise des aciers résistant à la chaleur
(températures jusqu’à 350°).
boulons de connexion en alliage Co-Ni pour Ariane 5
Exemple :
matériau n° 1.2343
DIN = X 37 Cr Mo V 5-1
EN = X 38 Cr Mo V 5-1
– Pour les turbines pour l’aviation (aubes de turbines et turbines
primaires) et les moteurs pour véhicules (soupapes d’échappement). Les températures approchent parfois le 700 °C et présentent donc des exigences particulières aux aciers. Les aciers
réfractaires (résistants à chaud) remplissent largement ces
conditions.
Exemple :
rotor de turbine en acier résistant à la chaleur
matériau n° 1.2709
DIN = X 3 Ni Co Mo Ti 18-9-5
EN = X 3 Ni Co Mo Ti 18-9-5
– Les aciers utilisés dans la chimie, la navigation maritime et dans
l’horlogerie doivent satisfaire à des exigences particulières de
résistance à la corrosion par l’humidité, l’eau, les acides et les
bases. Les aciers résistants à la corrosion peuvent satisfaire
presque toutes ces exigences pour ces applications.
Exemple :
matériau n° 1.4435
DIN = X 2 Cr Ni Mo 18-14-3
EN = X 2 Cr Ni Mo 18-14-3
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acier plat profilé
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Les fers et les fontes
Les matériaux de base sortant des hauts-fourneaux pour la fabrication de divers produits de fonte
sont : des fontes grises riches en silicium, la grenaille, la mitraille et les matériaux de circulation
(avant-corps, masselotte, matériel de rebut). A cela s’ajoute aussi des éléments pour produire des
alliages ferriques (alliages de fer avec des proportions importantes de métaux d’alliage).
La fusion de tous ces matériaux est en général produite dans trois types de fours :
Les fours à cubilot
Ces fours ont une structure en puits avec un habillage interne ignifuge. Par les buses placées en
dessous, l’air de combustion chaud est soufflé dans le four rempli de coke, de mitraille, de fer brut
et d’additifs. Le coke se consume et la chaleur montante fait fondre l’empilement qui descend.
Parce que le laitier est plus léger que le métal, il nage sur le fer et peut ainsi être évacué facilement
par le siphon.
cheminée, filtrage
de la poussière
air d’échappement
chargé de poussière
enfournement
habillage
ignifuge
air
foyer
métal fondu
laitier
fermeture en siphon
four à cubilot
Les fours à creuset à injection
Ils sont utilisés pour fondre le métal et pour garder la fonte au chaud. Autour du creuset ignifuge,
un tuyau en cuivre, refroidi à l’eau, transporte un courant alternatif et induit ainsi un champ électrique alternatif qui fait fondre la charge du fourneau. Ce champ magnétique produit aussi une
sorte de brassage qui répartit bien les différents éléments de l’alliage.
Les fours à arc électrique
Nous les avons déjà rencontrés au chapitre de la fabrication de l’acier. Dans ces fours, des alliages
très équilibrés peuvent être produits avec une grande précision.
Les types de fonte de première fusion
– La fonte blanche ou grise à graphite lamellaire, code EN-GJL-100 ou EN-GJL-350, est le plus
ancien des matériaux. La fonte grise est utilisée depuis le 14e siècle et reste un des plus importants matériaux toutes catégories confondues. De nombreux produits « high-tech » ne pourraient pas être fabriqués sans elle.
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Les métaux non-ferreux lourds
Les métaux non-ferreux lourds les plus utilisés dans la construction de machines et dans l’électrotechnique sont le cuivre, le nickel, le zinc, le plomb, l’étain et leurs alliages. A cela s’ajoute les
métaux d’alliage tels le chrome et le tungstène et les métaux précieux tels l’or, l’argent et le platine.
• Certains métaux lourds sont toxiques et mettent en danger la santé de l’être humain comme
celle de l’animal. Les métaux lourds comme le plomb, le cadmium et le mercure ne doivent
pas pouvoir se répandre dans l’air, le sol ou les eaux usées.
Le cuivre (Cu) :
La propriété la plus remarquable du cuivre est sa conductibilité élevée de la chaleur et de l’électricité qui n’est surpassée que par l’or et l’argent. Le cuivre est aussi insensible aux influences
atmosphériques. Exposé à l’air, il se forme à sa surface une patine d’oxyde, une fine couche de
protection verdâtre de carbonate de cuivre. Le cuivre pur est tendre et facilement étirable.
Lors de l’enlèvement de copeaux, le cuivre tend à former des refoulements de matière et de longs
copeaux hélicoïdaux.
Pour des pièces à souder, il est nécessaire d’utiliser des types de cuivre sans oxygène.
Le formage à froid permet de laminer des tôles pour faire des feuilles jusqu’à une épaisseur de 0,01
mm et de tirer des fils jusqu’à un diamètre de 0,02 mm.
Dans l’électronique, le cuivre est le matériau conducteur le plus utilisé. En raison de sa conductibilité élevée de la chaleur, on l’utilise aussi pour les serpentins de chauffage ou de réfrigération. Il
est également utilisé pour la fabrication de fers à souder, de conduites d’eau, de couvertures de
maisons et, avant tout, comme métal d’alliage.
Les alliages de cuivre :
En raison de leur excellent résistance à la corrosion, leur couleur métallique jaune et leur bonne
aptitude au polissage, les alliages cuivre-zinc (le laiton) conviennent à des applications techniques comme décoratives.
Par l’addition d’aluminium, de fer, de manganèse, d’étain et de
silicium, les alliages cuivre-zinc sont, selon leur composition, très
résistants à la traction et à l’usure ainsi qu’à la corrosion.
Les alliages cuivre-zinc sont utilisés dans la mécanique fine, l’horlogerie et l’industrie électrique, par exemple pour des armatures,
des bassines, des coussinets et même des bijoux.
Les alliages cuivre-zinc sont les plus utilisés des alliages non-ferreux lourds.
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Le nickel (Ni) et ses alliages :
– Le nickel peut être poli facilement, possède une grande solidité et un bon coefficient de dilatation. Il résiste à la corrosion face à de nombreux produits chimiques agressifs.
– Le nickel est ferromagnétique jusqu’à env. 365 ° C .
Exemple :
Ni Cu 30 Fe
– aviation
– industrie chimique
moulin colloïdal en alliage Cr-Ni
– Les alliages de nickel avec 5% de Mg, Al et Be conviennent pour les thermo-éléments.
– Les aciers chrome-nickel-molybdène sont hautement résistants à la chaleur et à la
corrosion.
Le zinc (Zn) et ses alliages :
– Le zinc pur n’est pas très résistant à la corrosion face à des acides et des solutions
salines. Même avec de l’eau, il peut y avoir une corrosion.
• Le zinc est toxique pour l’être humain comme pour l’animal. Les aliments ne doivent
de ce fait jamais être conservés dans des récipients zingués.
Exemple :
GD-Zn AI 4 Cu 1
– alliages coulés sous pression
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Le magnésium (Mg) et ses alliages :
– Le magnésium est hautement réactif. Pour cette raison, des mesures de protection particulières contre la combustion spontanée sont nécessaires lors de la manipulation de ce métal.
Le magnésium est le métal le plus léger de ceux utilisés dans l’industrie.
Exemple :
Mg Mn 2
Mg AI 3 Zn
– industrie de l’automobile, boîtiers
• Les copeaux de magnésium brûlants ne doivent être éteints qu’à l’aide de copeaux de fonte
grise secs, de sable sec ou d’un extincteur de la classe D. Ne jamais chercher à les éteindre
avec de l’eau.
couvre-culasses en Mg
Le titane (Ti) et ses alliages :
– Le titane possède une grande solidité, une dureté élevée ainsi qu’une résistance importante à
la chaleur et une durabilité élevée. C’est un métal très commun : exposé à l’air, il se couvre
d’une couche de protection grise qui le rend plus résistant aux substances chimiques agressives.
Exemple :
TAN (Titan, Alu, Niob)
– techniques médicales
• Les poussières et les copeaux de titane sont très inflammables. Les mêmes précautions que
pour le magnésium s’imposent.
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La résine d’époxyde (EP) :
– Elle est dure et élastique,
résistante aux chocs, colle
bien sur les métaux, est facile
à couler.
– véhicules solaires
– construction de véhicules
La résine polyuréthane (PUR) :
– Selon le type, le PUR est entre dur-élastique à tenaceélastique, présente une bonne adhérence, est expansible
(mousse), résistant aux acides et bases faibles, les solutions
salines et les dissolvants.
PUR dur :
PUR semi-dur :
PUR tendre :
coussinets, roues dentées, rouleaux
courroies dentées, butoirs, amortisseurs
joints, habillages de câbles,
tuyaux pneumatiques
– Le PUR est aussi utilisé comme laque (laque DD) et comme résine de
coulage ou de colle.
– En raison de son aspect de cuir, la mousse intégrale PUR,
est aussi utilisée p. ex. dans l’industrie de l’automobile pour les
habillages des tableaux de bord.
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Questions d’examen
1.
corrections
Les aciers sont classifiés en deux catégories. Lesquelles ?
aciers non-alliés
aciers alliés
2.
Dans quel matériau le graphite se trouve en forme de lamelles ?
fer de fonte EN-GJL-100
fer de fonte EN-GJL-350
3.
Les alliages non-ferreux sont classifiés en alliage de coulée et
alliage forgeable
4.
Quelles sont les propriétés particulières du cuivre (Cu), qui ne sont surpassées
que par l’argent et l’or ?
bon conducteur de la chaleur et de l’électricité
5.
Quel type d’alliage est le laiton ?
Cu–Zn / cuivre–zinc
6.
Quel est le métal le plus léger utilisé dans l’industrie ?
le magnésium
7.
Les matières synthétiques sont classées en trois groupes. Quel est le nom du
troisième groupe aux côtés des thermoplastiques et les plastics thermodurcissables (duroplastes) ?
les élastomères
8.
Seul un des trois groupes de matières synthétiques peut être soudé. Lequel ?
les thermoplastiques
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