La fonte et l'acier sont tous deux des métaux ferreux composés principalement d'atomes de fer (étiquetés Fe dans le tableau périodique). Le fer élémentaire est abondant sur Terre, mais il existe généralement sous une forme oxydée et nécessite un traitement intensif, appelé fusion, pour être extrait.
Le fer pur, avec ses propriétés magnétiques élevées, est souvent utilisé dans la fabrication des noyaux des équipements électromagnétiques. Cependant, sa texture douce et sa tendance à se déformer limitent son utilisation directe dans la fabrication industrielle. Par conséquent, il est généralement allié à d’autres éléments, notamment au carbone, pour améliorer ses propriétés. La fonte et l’acier, par exemple, sont des matériaux métalliques largement utilisés dérivés de cet alliage de fer amélioré.
Bien que la fonte et l'acier aient une apparence similaire, chacun possède des propriétés distinctes qui sont cruciales pour des applications spécifiques. Cet article propose une comparaison approfondie de ces deux métaux pour vous aider à choisir le bon métal pour votre projet.
Qu'est-ce que la fonte ?
La fonte est un type d'alliage fer-carbone, avec une teneur en carbone relativement élevée entre 2 % et 4 %. Il est fabriqué en fondant d'abord du minerai de fer dans un haut fourneau pour produire de la fonte brute. Ensuite, la fonte est fondue avec des quantités de ferraille, et le métal en fusion est versé dans des moules pour se solidifier. Le nom « fonte » vient de ce procédé de coulée utilisé pour la façonner.
En plus de sa teneur en carbone, il contient généralement 1 à 3 % de silicium, ainsi que des traces de manganèse, de phosphore et de soufre. Le carbone et le silicium sont des éléments clés qui influencent la structure et les propriétés de la fonte. La forme et la répartition du graphite, qui provient de la teneur en carbone, sont cruciales pour déterminer le type et les caractéristiques de la fonte. En fonction de la forme du carbone et de la microstructure, la fonte peut être classée en :
Fonte grise : le graphite apparaît sous forme de flocons, offrant de bonnes propriétés de coulabilité et d'amortissement des vibrations, mais il est assez cassant.
Fonte blanche : Le carbone est présent sous forme de carbure de fer (Fe3C), ce qui le rend dur et cassant avec une résistance élevée à l'usure.
Fonte ductile (nodulaire) : Le graphite se présente sous la forme de nodules sphériques, ce qui lui confère une résistance et une ténacité élevées.
Fonte malléable : Grâce au recuit, le carbone est présent sous forme de graphite aggloméré, ce qui offre une bonne ténacité et une bonne usinabilité.
Qu’est-ce que l’acier ?
L'acier est un alliage de fer, avec une teneur en carbone qui varie mais comprend généralement moins de 2 %. L'acier est fabriqué en affinant la fonte fondue dans un four à oxygène basique (BOF) ou un four à arc électrique (EAF) pour réduire la teneur en carbone et éliminer les impuretés, puis en la versant dans des moules et en la refroidissant pour former de l'acier solide.
Des éléments supplémentaires sont ajoutés et la teneur en carbone est ajustée au cours du processus pour produire différentes qualités d'acier aux propriétés spécifiques. Par exemple, l’acier est généralement sujet à la corrosion et à la rouille, mais l’acier inoxydable devient une exception, présentant une résistance remarquable à la corrosion et à la rouille en raison de sa faible teneur en carbone et d’un minimum de 10,5 % de chrome.
Selon les différences de compositions et d’utilisations, l’acier peut être divisé en plusieurs types. Voici quelques types d’acier courants :
Acier au carbone :A type of steel containing carbon as the main alloying element, which can be further divided into low carbon steel, medium carbon steel and high carbon steel.
Acier allié :Besides iron and carbon, it also contains other alloying elements, such as chromium, nickel, molybdenum, vanadium. Common alloy steels are stainless steel, tool steel, etc.
Les différences entre la fonte et l'acier
Pour différencier les deux métaux, commençons par examiner le tableau ci-dessous pour faire une comparaison préliminaire.
Articles
Fonte
Acier
Teneur en carbone
2% ~ 4%
Moins de 2%
Point de fusion
2102 ~ 2372 degrés Fahrenheit
2 500 ~ 2 750 degrés Fahrenheit
Castabilité
Facile à couler grâce à un faible retrait et une bonne fluidité
Moins facile à couler en raison d'une faible fluidité et d'un retrait plus important
Force
Plus de résistance à la compression
Plus de résistance à la traction ; résistance aux chocs supérieure
Résistance à l'usure
Bien
Pas aussi résistant que la fonte
Résistance à la corrosion
Plus résistant à la corrosion, mais souvent limité à la résistance à la rouille de surface
Mauvais pour l'acier au carbone, mais l'acier inoxydable offre une résistance supérieure à la rouille
Usinabilité
Plus facile à usiner
Plus long et exigeant en outillage
Soudabilité
Difficile à souder
Meilleure soudabilité, allant de mauvaise à très bonne
Coût
Souvent moins cher en raison des coûts inférieurs des matériaux, de l'énergie et de la main-d'œuvre nécessaires à la production de l'acier ferreux
Plus coûteux à l'achat et nécessite plus de temps et d'attention pour le moulage
Le tableau ci-dessus fournit une comparaison générale entre la fonte et l’acier. Vous pouvez prêter attention aux principaux éléments répertoriés dans la première colonne. Nous allons maintenant vous amener à les comprendre en profondeur un par un.
Teneur en carbone et composition chimique
La principale différence entre les deux métaux réside dans leur teneur en carbone. La fonte contient généralement plus de 2 % de carbone, tandis que l'acier en contient moins de 2 %. Généralement, une teneur plus élevée en carbone entraîne une plus grande dureté et fragilité.
De plus, la teneur en silicium de la fonte influence considérablement ses propriétés, offrant une meilleure fluidité et un retrait réduit lors de la coulée. En revanche, l’acier contient souvent d’autres éléments d’alliage tels que le chrome, le nickel et le molybdène, qui améliorent sa résistance, sa ténacité et sa résistance à la corrosion.
Point de fusion
Le point de fusion de la fonte se situe généralement entre 1 150 °C et 1 300 °C (2 100 °F à 2 370 °F), tandis que le point de fusion de l'acier se situe généralement entre 1 370 °C et 1 510 °C (2 500 °F à 2 800 °F). ).
Le point de fusion plus bas de la fonte lui permet d'avoir une meilleure fluidité à l'état fondu, ce qui facilite le remplissage de formes de moules complexes et la formation de pièces moulées denses. De plus, son point de fusion plus bas entraîne une vitesse de refroidissement relativement plus lente, ce qui donne plus de temps au métal liquide présent dans la pièce moulée pour remplir les vides résultant du retrait. Par conséquent, cela minimise la formation de pores et de fissures pendant le processus de coulée, ce qui donne lieu à une coulée avec une densité accrue. À l’inverse, le point de fusion plus élevé de l’acier lui permet de conserver sa résistance et sa ténacité lors du traitement mécanique et du traitement thermique à haute température.
Castabilité
Comme mentionné ci-dessus, la fonte a un point de fusion plus bas et contient un certain silicium ; il présente une excellente fluidité et moins de retrait lors du refroidissement, car le graphite précipite lors de la solidification, compensant partiellement la contraction du volume. Par conséquent, comparée à l’acier, la fonte possède une coulabilité supérieure.
En revanche, l’acier est moins fluide, plus réactif aux matériaux du moule, rétrécit davantage lors du refroidissement et nécessite plus d’attention et d’inspection tout au long du processus de coulée.
Force
La fonte et l'acier sont très appréciés pour leur durabilité, mais ils diffèrent considérablement par leurs différents aspects de résistance. Explorons les différences entre leurs résistances à la traction, à la compression et aux chocs.
Résistance à la traction : La fonte possède une résistance à la traction relativement faible. Cela est dû aux flocons de graphite ou au graphite nodulaire présents dans sa structure, qui ont tendance à devenir des points de concentration de contraintes, le rendant susceptible de se fracturer sous l'effet des forces de traction. À l’inverse, la microstructure de l’acier est plus uniforme et sa résistance à la traction peut être considérablement améliorée grâce à l’alliage et au traitement thermique.
Résistance à la compression : De manière générale, la fonte possède une résistance à la compression supérieure à celle de l'acier. Sous contrainte de compression, la structure graphite de la fonte ne contribue pas à la concentration des contraintes, mais aide plutôt à disperser les contraintes, produisant ainsi une résistance à la compression élevée. À l’inverse, l’acier présente des performances comparables en termes de résistance à la compression et à la traction, avec une gamme plus large de résistances à la compression.
Résistance aux chocs : Les deux présentent une bonne résistance aux chocs, mais l'acier surpasse généralement la fonte, en particulier dans sa capacité à résister aux chocs soudains et aux charges dynamiques. Ceci est attribué à la ductilité de l'acier et à sa microstructure uniforme, lui permettant d'absorber une quantité importante d'énergie sans se fracturer sous des charges d'impact. De plus, l’acier subit un écrouissage lors du chargement par impact, ce qui améliore encore sa résistance. D’un autre côté, la fragilité de la fonte la rend sujette à la fracture sous l’impact. Cependant, la fonte ductile, une variante de la fonte, possède une résistance aux chocs plus élevée qui surpasse largement la fonte grise. Même ainsi, la fonte ductile ne peut pas égaler la résistance aux chocs de l’acier.
Résistance à l'usure
La fonte présente généralement une meilleure résistance à l'usure mécanique que l'acier (acier au carbone). Cela est dû à sa dureté et à sa structure unique en graphite, qui agit comme un lubrifiant naturel. Cependant, la fragilité de la fonte limite son application dans des environnements d'usure dynamique. En conséquence, il est particulièrement adapté à la fabrication de composants statiques et résistants à l'usure à faible impact, tels que des cadres de lit mécaniques, des paliers lisses et des garnitures de friction.
L'acier, avec sa ténacité élevée, conserve une bonne résistance à l'usure dans des environnements d'usure dynamique et résiste à la fracturation. Il convient à la fabrication de composants dynamiques et résistants à l'usure, tels que des engrenages, des outils de coupe et des pièces à forte usure.
Résistance à la corrosion
Les deux métaux restent sensibles à la corrosion ou à la rouille lorsqu’ils sont exposés à l’oxygène et à l’humidité. Cependant, le fer développe une patine qui aide à prévenir une corrosion profonde, préservant ainsi l’intégrité du métal.
Pour prévenir la corrosion, une approche consiste à appliquer de la peinture ou un revêtement en poudre pour une protection supplémentaire. Alternativement, des éléments d'alliage tels que le chrome, le nickel et le molybdène peuvent être incorporés à l'acier pour améliorer la résistance à la corrosion de l'acier et l'adapter à différents environnements corrosifs.
Usinabilité
La fonte possède une bonne usinabilité. La présence de graphite sert de lubrifiant naturel, réduisant l'usure des outils et prolongeant leur durée de vie. De plus, la fragilité de la fonte (en particulier de la fonte grise) permet aux copeaux de se briser facilement en petits morceaux lors de l'usinage. Cela les empêche d'adhérer à l'outil de coupe, ce qui entraîne un processus d'usinage plus fluide.
En revanche, l’usinabilité de l’acier varie considérablement en fonction de sa composition. L'acier trempé ou l'acier à haute teneur en carbone posent des problèmes car ils sont plus résistants à l'usinage et peuvent accélérer l'usure des outils. D’un autre côté, l’acier à faible teneur en carbone, bien que plus tendre, peut devenir adhésif lors de l’usinage, ce qui rend sa manipulation difficile. Par conséquent, un examen attentif des techniques d’usinage et de la sélection des outils est impératif pour un usinage réussi de l’acier.
Soudabilité
L'acier présente une soudabilité nettement meilleure que la fonte. En raison de sa teneur élevée en carbone et de sa fragilité, la fonte est sujette aux fissures lors du soudage. De plus, la fonte fondue absorbe facilement l’azote et l’oxygène de l’air, entraînant la formation de pores.
La faible teneur en carbone de l'acier facilite le contrôle pendant le processus de soudage et convient à une variété de méthodes de soudage, notamment le soudage à l'arc (SMAW), le soudage sous protection gazeuse (GMAW, TIG), le soudage au laser, etc.
Coût
La fonte a tendance à être moins chère que l'acier, principalement parce que ses matières premières, comme le minerai de fer, sont plus facilement disponibles et moins chères que le fer et les alliages de qualité supérieure utilisés dans la production d'acier. De plus, le processus de production de la fonte est plus simple et moins gourmand en énergie que celui de l’acier.
Fonte ou acier : lequel choisir ?
Sur la base de l’introduction détaillée et de la comparaison ci-dessus, vous devriez maintenant avoir une compréhension complète des différences entre ces deux métaux. Pour vous aider à choisir le métal le mieux adapté à vos besoins, vous pouvez rapidement consulter le tableau ci-dessous pour connaître ses avantages uniques, ses limites et ses principales applications.
Avantages
Limites
Applications
CastingFer
▪ Cheaper and easier to cast than steel ▪ High compressive strength ▪ Excellent wear resistance ▪ Good machinability, especially softer cast irons like gray iron ▪ Offers high hardness ▪ Good properties for a low cost ▪ Good anti-vibration property
▪ Low tensile strength ▪ High brittleness
▪ Pipes and fittings in water and sewage systems ▪ Automotive components like engine blocks, cylinder heads, brake discs, etc ▪ Manhole covers, street furniture, residential fence gates, decorative light posts, fireplace elements, and other furnishings in construction ▪ Cast iron frying pans and other cookware ▪ Bases and frames for heavy machinery
▪ More expensive ▪ Prone to corrosion and rust, especially low carbon steel
▪ Structural beams, rebar, and building frameworks ▪ Automotive body panels, chassis components, and safety components ▪ Rail car wheels, frames, and bolsters ▪ Mining machinery, construction equipment, and heavy trucks ▪ Heavy duty pumps, valves, and fittings ▪ Turbines and other components in power station assemblies
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