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Module Matériaux et matières auxiliaires

Index

Les sujets de formation

Les matériaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

La fabrication de la fonte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3La classification des aciers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5L’utilisation des aciers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

Les désignations normées des aciers selon DIN et EN . . . . . . . . . . . . . . 6La clé des aciers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6La désignation des matériaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

Le fer et les fontes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10Les fours à cubilot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10Les fours à creuset à injection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10Les fours à arc électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10Les types de fonte de première fusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

Les métaux non-ferreux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12La classification des métaux non-ferreux (métaux NF) . . . . . . . . . . . . . . . . 12La désignation des métaux non-ferreux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12Les métaux non-ferreux lourds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13Les métaux non-ferreux légers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

Les matériaux non-métalliques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19La classification des matériaux non-métalliques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19Les matières synthétiques (plastiques) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19La classification des matières synthétiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

Questions d’examen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

14e édition – juin 2009 © by SWISSMECHANICVersion pour apprenants, n° art. 2108f Version pour instructeurs et

maîtres d’apprentissage n° d’art. 2608f

La fonte de première fusion est tirée du minerai de fer par réduction de l’oxygène dans un haut-fourneau. 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 fonteblanche, qui contient du manganèse, est destinée à la production d’acier et la fonte grise, quicontient du silicium, est destinée à la production de fer brut.

Les matériaux

La fabrication de la fonte

Vous serez informés de manière plus complète à un moment ultérieur par votre école de formationprofessionnelle sur la fabrication des matériaux ferreux. Pour cette raison, nous nous limitons iciaux informations essentielles pour des cours inter-entreprises.

gueulard, levé pour charger

gueulard, baissépour enfourner

zone dedessication

zone deréduction

zone decarburation

zone defusion

trou de couléedu laitier

trou de coulée defonte de premièrefusion

Le haut-fourneau

lit de fusioncoke

refroidissement à l’eau

conduit en anneau


34e édition – juin 2009 © by SWISSMECHANIC

Les composantes indésirables (soufre, phosphore, silicium, manganèse) sont éliminées dansdes convertisseurs ou des fours à arc électrique. La teneur en carbone, qui est à l’origined’environ 4%, peut être réduite jusqu’à 0.02%. Ce procédé est appelé l’affinage. Durant ceprocédé, il est aussi possible d’ajouter des métaux d’alliage tels du tungstène, du cobalt, duchrome, du molybdène ou d’autres. De cette manière, on obtient des aciers avec des proprié-tés définies avec précision concernant l’usinabilité, la dureté, la résistance à la traction et lechamp d’application.


© by SWISSMECHANIC 4e édition – juin 20094

Par des procédés d’affinage ultérieurs tels le traitement sous vide, le balayage à l’argon ou larefonte (refusion), on produit des types d’acier définis avec précision.

Une coulée d’un four électrique

Un four à arc électrique

filtre

éléments d’addition :de la mitraille et duriblon

acier

cuve d’acier

courant du transformateur

électrodes de charbon

couvercle amovible

enveloppe du four

cuve à laitier

laitier

Les aciers pour des usages particuliers :

– Pour la fabrication et le transport de gaz liquides dans des tuyaux, les réservoirs dans larecherche spatiale où des températures de moins 50 ° C sont atteintes, on utilise des acierstenaces aux basses températures.

Exemple :

matériau n° 1.4311DIN = X 2 Cr Ni N 18-10EN = X 2 Cr Ni N 18-10

– Pour des turbines à vapeur, des conduits de centrales thermiqueset des chaudières, on utilise des aciers résistant à la chaleur(températures jusqu’à 350°).

Exemple :

matériau n° 1.2343DIN = X 37 Cr Mo V 5-1EN = X 38 Cr Mo V 5-1

– Pour les turbines pour l’aviation (aubes de turbines et turbinesprimaires) et les moteurs pour véhicules (soupapes d’échappe-ment). Les températures approchent parfois le 700 °C et présen-tent donc des exigences particulières aux aciers. Les aciersréfractaires (résistants à chaud) remplissent largement cesconditions.

Exemple :

matériau n° 1.2709DIN = X 3 Ni Co Mo Ti 18-9-5EN = X 3 Ni Co Mo Ti 18-9-5

– Les aciers utilisés dans la chimie, la navigation maritime et dansl’horlogerie doivent satisfaire à des exigences particulières derésistance à la corrosion par l’humidité, l’eau, les acides et lesbases. Les aciers résistants à la corrosion peuvent satisfairepresque toutes ces exigences pour ces applications.

Exemple :

matériau n° 1.4435DIN = X 2 Cr Ni Mo 18-14-3EN = X 2 Cr Ni Mo 18-14-3



boulons de connexion en allia-ge Co-Ni pour Ariane 5

rotor de turbine en acier résis-tant à la chaleur

acier plat profilé

Les fers et les fontes

Les matériaux de base sortant des hauts-fourneaux pour la fabrication de divers produits de fontesont : 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 desalliages 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 cubilotCes fours ont une structure en puits avec un habillage interne ignifuge. Par les buses placées endessous, l’air de combustion chaud est soufflé dans le four rempli de coke, de mitraille, de fer brutet 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 facilementpar le siphon.

Les fours à creuset à injectionIls 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 élec-trique alternatif qui fait fondre la charge du fourneau. Ce champ magnétique produit aussi unesorte de brassage qui répartit bien les différents éléments de l’alliage.

Les fours à arc électriqueNous les avons déjà rencontrés au chapitre de la fabrication de l’acier. Dans ces fours, des alliagestrès 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 plusancien des matériaux. La fonte grise est utilisée depuis le 14e siècle et reste un des plus impor-tants matériaux toutes catégories confondues. De nombreux produits « high-tech » ne pour-raient pas être fabriqués sans elle.



air d’échappementchargé de poussière

enfournement

cheminée, filtragede la poussière

habillage ignifuge

air

foyer métal fondu

fermeture en siphonlaitier

four à cubilot

Les métaux non-ferreux lourds

Les métaux non-ferreux lourds les plus utilisés dans la construction de machines et dans l’électro-technique sont le cuivre, le nickel, le zinc, le plomb, l’étain et leurs alliages. A cela s’ajoute lesmétaux d’alliage tels le chrome et le tungstène et les métaux précieux tels l’or, l’argent et le pla-tine.

Le cuivre (Cu) :

La propriété la plus remarquable du cuivre est sa conductibilité élevée de la chaleur et de l’élec-tricité qui n’est surpassée que par l’or et l’argent. Le cuivre est aussi insensible aux influencesatmosphériques. Exposé à l’air, il se forme à sa surface une patine d’oxyde, une fine couche deprotection 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 longscopeaux 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 0,01mm 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 conducti-bilité élevée de la chaleur, on l’utilise aussi pour les serpentins de chauffage ou de réfrigération. Ilest également utilisé pour la fabrication de fers à souder, de conduites d’eau, de couvertures demaisons 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 bonneaptitude au polissage, les alliages cuivre-zinc (le laiton) conviennent à des applications tech-niques comme décoratives.

Par l’addition d’aluminium, de fer, de manganèse, d’étain et desilicium, les alliages cuivre-zinc sont, selon leur composition, trèsrésistants à la traction et à l’usure ainsi qu’à la corrosion.

Les alliages cuivre-zinc sont utilisés dans la mécanique fine, l’hor-logerie 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.



• Certains métaux lourds sont toxiques et mettent en danger la santé de l’être humain commecelle de l’animal. Les métaux lourds comme le plomb, le cadmium et le mercure ne doiventpas pouvoir se répandre dans l’air, le sol ou les eaux usées.



Le nickel (Ni) et ses alliages :

– Le nickel peut être poli facilement, possède une grande solidité et un bon coefficient de dila-tation. 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

– 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 solutionssalines. Même avec de l’eau, il peut y avoir une corrosion.

Exemple :

GD-Zn AI 4 Cu 1

– alliages coulés sous pression

• Le zinc est toxique pour l’être humain comme pour l’animal. Les aliments ne doiventde ce fait jamais être conservés dans des récipients zingués.

moulin colloïdal en alliage Cr-Ni

Le magnésium (Mg) et ses alliages :

– Le magnésium est hautement réactif. Pour cette raison, des mesures de protection particu-lières 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 2Mg AI 3 Zn

– industrie de l’automobile, boîtiers

Le titane (Ti) et ses alliages :

– Le titane possède une grande solidité, une dureté élevée ainsi qu’une résistance importante àla chaleur et une durabilité élevée. C’est un métal très commun : exposé à l’air, il se couvred’une couche de protection grise qui le rend plus résistant aux substances chimiques agres-sives.

Exemple :

TAN (Titan, Alu, Niob)

– techniques médicales



• Les copeaux de magnésium brûlants ne doivent être éteints qu’à l’aide de copeaux de fontegrise secs, de sable sec ou d’un extincteur de la classe D. Ne jamais chercher à les éteindreavec de l’eau.

couvre-culasses en Mg

• Les poussières et les copeaux de titane sont très inflammables. Les mêmes précautions quepour le magnésium s’imposent.

La résine polyuréthane (PUR) :– Selon le type, le PUR est entre dur-élastique à tenace-élastique, présente une bonne adhérence, est expansible(mousse), résistant aux acides et bases faibles, les solutionssalines et les dissolvants.

PUR dur : coussinets, roues dentées, rouleauxPUR semi-dur : courroies dentées, butoirs, amortisseursPUR tendre : joints, habillages de câbles,

tuyaux pneumatiques

– Le PUR est aussi utilisé comme laque (laque DD) et comme résine decoulage 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 leshabillages des tableaux de bord.



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



1. Les aciers sont classifiés en deux catégories. Lesquelles ?

aciers non-alliésaciers alliés

2. Dans quel matériau le graphite se trouve en forme de lamelles ?

fer de fonte EN-GJL-100fer 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 surpasséesque 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 dutroisième groupe aux côtés des thermoplastiques et les plastics thermodurcis-sables (duroplastes) ?

les élastomères

8. Seul un des trois groupes de matières synthétiques peut être soudé. Lequel ?

les thermoplastiques

correctionsQuestions d’examen

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