Cast Iron vs Cast Steel

Castability

La plupart des gens n’ont pas 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 versés dans des moules à des températures encore plus chaudes. Les personnes qui travaillent avec du fer et de 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 de ferronnerie architecturale ou ornementale, comme les clôtures et les bancs.

La coulée de l’acier est beaucoup plus difficile. Il est moins fluide que le fer fondu, 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 une pièce moulée puise en refroidissant.

Les pièces moulées, cependant, ne refroidissent généralement pas uniformément dans l’ensemble de leurs structures internes. Les zones extérieures et les parties plus minces se refroidissent et se rétractent à des vitesses différentes de celles des zones intérieures et des parties plus volumineuses – créant souvent une tension interne, ou stress, 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 d’éventuelles 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 intensive en ressources.

Machinabilité

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.

L’usinabilité est la mesure de la facilité avec laquelle un matériau donné est découpé ou rectifié ; certains matériaux sont plus difficiles à usiner que d’autres. En règle générale, les métaux avec des ajouts d’alliages élevés pour améliorer les performances mécaniques ont une usinabilité plus faible.

La fonte est généralement beaucoup plus facile à usiner que l’acier. La structure graphite de la fonte se casse 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 dont la teneur en carbone est plus élevée, augmentent également l’usure des outils. Un acier plus doux n’est pas nécessairement meilleur, cependant – les aciers à faible teneur en carbone, bien qu’ils soient plus doux, peuvent devenir gommeux et difficiles à travailler.

Amortissement des vibrations

Les propriétés d’amortissement doivent être prises en compte lors de la sélection d’un matériau de coulée, car un manque de capacité d’amortissement peut entraîner un excès de vibrations et de bruit, comme des sonneries ou des grincements. Selon l’endroit où un matériau est utilisé, un amortissement efficace peut se traduire par des performances plus solides et plus fiables.

Les structures en graphite de la fonte, notamment les formations écaillées de la fonte grise, sont particulièrement efficaces pour absorber les vibrations. Cela rend la fonte idéale pour les blocs moteurs, les logements de cylindres et les bancs de machines, ainsi que pour d’autres applications où la robustesse 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 dirigées vers l’arrachement d’un matériau. La résistance à la compression est bénéfique dans les applications mécaniques où la pression et le confinement sont des facteurs. Généralement, la fonte a une meilleure résistance à la compression que l’acier.

Résistance aux impacts

Jusqu’ici, il pourrait sembler qu’il y a plus d’avantages à utiliser la fonte que l’acier, mais l’acier a un avantage significatif : la résistance aux impacts. 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.

La résistance sans ductilité donne un matériau fragile très susceptible de se fracturer – et la fonte est l’enfant-vedette de la résistance 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 quantité de force qu’il peut supporter est très limitée.

Bien que le fer puisse être plus facile à travailler dans la plupart des applications de moulage, l’acier possède un mélange optimal de résistance et de ductilité, ce qui le rend extrêmement résistant. Les qualités de résistance aux chocs et de portance tous azimuts de l’acier le rendent souhaitable pour de nombreuses applications mécaniques et structurelles – c’est pourquoi l’acier est le métal le plus utilisé au monde.

Résistance à la corrosion

Le fer présente une meilleure résistance à la corrosion que l’acier. Les deux métaux s’oxyderont en présence d’humidité, mais le fer développera une patine pour empêcher la corrosion profonde de l’intégrité du métal.

Une autre façon de prévenir la corrosion est la peinture ou le revêtement en poudre. Tout éclat ou fissure qui expose le métal sous-jacent peut entraîner une corrosion, de sorte qu’un entretien régulier est important pour les métaux revêtus.

Si la résistance à la corrosion tout en conservant un aspect de métal brut de couleur argentée 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, en particulier dans les situations d’usure par frottement. La teneur plus élevée en graphite 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.

L’acier s’use plus facilement que le fer, mais peut tout de même être résistant 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 des coûts de matériaux, de l’énergie et de la main-d’œuvre plus faibles nécessaires à la fabrication d’un 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 plus coûteuses à fabriquer peuvent finir par coûter moins cher à long terme.

L’acier est également disponible sous de nombreuses formes préfabriquées – comme des feuilles, des tiges, des barres, des tubes et des 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 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 flocons de graphite pointus, 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 concevoir 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 – des quantités plus élevées donnant des matériaux beaucoup plus durs.

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

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