Manganèse : Désoxydation, Désulfuration et Renforcement
Le manganèse est l'un des éléments d'alliage les plus utilisés dans l'acier car il remplit plusieurs fonctions à la fois : c'est un bon désoxydant et désulfurant, et c'est un renforçateur économique. L'acier contient généralement une certaine quantité de manganèse, qui élimine ou affaiblit la fragilité à chaud provoquée par le soufre et améliore ainsi l'ouvrabilité à chaud.
Le mécanisme est une différence d’affinité chimique. Le manganèse se combine plus facilement au soufre que le fer, formant du sulfure de manganèse plutôt que du sulfure de fer. Les films de sulfure de fer aux joints de grains sont la cause classique du manque de chaleur lors du laminage et du forgeage. Ainsi, le maintien du soufre retenu sous forme de sulfure de manganèse protège le matériau tout au long de la plage de travail à chaud.
Comment le manganèse modifie la structure en acier
La solution solide que forme le manganèse avec le fer augmente la dureté et la résistance de la ferrite et de l'austénite. Le manganèse forme également des carbures et peut pénétrer dans la cémentite, remplaçant certains atomes de fer. Sa présence abaisse les températures critiques de transformation et affine la perlite, ce qui augmente indirectement la résistance de l'acier perlitique. Le manganèse stabilise l'austénite juste après le nickel et augmente fortement la trempabilité, c'est pourquoi de nombreux aciers alliés sont construits autour d'une teneur en manganèse ne dépassant pas 2 % avec d'autres éléments.
Le manganèse est abondant et polyvalent, il apparaît donc presque partout : dans les aciers de construction au carbone ordinaire et dans les aciers à ressorts qui contiennent une teneur en manganèse relativement élevée, comme le type 60Si2Mn spécifié dans la norme GB/T 1222. Dans ces nuances, le manganèse contribue à la fois à la résistance et à la trempabilité nécessaires pour durcir -une section pendant la trempe.
Acier à haute-manganèse résistant à l'usure-
Dans les aciers à haute -carbone et à haute-manganèse résistant à l'usure-la teneur en manganèse peut atteindre 10 % à 14 %. Après traitement en solution, la structure est austénitique et résistante, avec une bonne ductilité. Lorsque la surface est déformée par un impact, la couche déformée -durcit et développe une haute résistance à l'abrasion tandis que l'intérieur reste suffisamment résistant pour absorber d'autres impacts. Les pièces moulées de cette famille sont spécifiées selon la norme ASTM A128, qui couvre les pièces moulées en acier austénitique au manganèse.
Deux précautions s'appliquent partout où le manganèse est utilisé à des niveaux plus élevés. Le manganèse augmente la tendance de l'acier au grossissement des grains et à la fragilité après revenu. Cela rend également l'acier sensible à l'hydrogène : si le refroidissement après la fusion, la coulée ou le forgeage n'est pas correctement contrôlé, des taches blanches ou des flocons peuvent se développer à l'intérieur de l'acier, c'est pourquoi le contrôle du processus autour du refroidissement et de la teneur en hydrogène est aussi important que l'analyse elle-même.
Aluminium : désoxydation, affinage des grains et nitruration
L'aluminium est principalement utilisé pour la désoxydation et le raffinage des grains. Dans les aciers nitrurés, il favorise la formation d'une couche nitrurée dure et résistante à la corrosion. C'est pourquoi les nuances de nitruration à base d'aluminium telles que le 38CrMoAl sont choisies pour les composants qui nécessitent une surface très dure et résistante à l'usure sur un noyau résistant. L'aluminium inhibe également le vieillissement de l'acier à faible teneur en carbone en se combinant avec l'azote et améliore la ténacité à basse température.
À des teneurs plus élevées, l'aluminium améliore la résistance à l'oxydation de l'acier et sa résistance aux attaques dans les acides oxydants et dans les environnements de sulfure d'hydrogène, et il améliore les propriétés électriques et magnétiques de l'acier, notamment dans les aciers électriques à grains orientés. Dans l'acier en général, l'aluminium a un fort effet de renforcement en solution solide et, dans les pièces carburées, il améliore la résistance à l'usure, la résistance à la fatigue et les propriétés mécaniques du noyau.
Dans les alliages-résistants à la chaleur, l'aluminium et le nickel forment des composés intermétalliques qui augmentent la résistance aux températures élevées-. Les alliages de fer-chrome-aluminium qui contiennent de l'aluminium présentent une résistance électrique quasi constante-ainsi qu'une excellente résistance à l'oxydation à haute-température, c'est pourquoi cette famille est utilisée pour les résistances et les éléments chauffants.
Excès d’aluminium et plages de contenu typiques
L'aluminium n'est bénéfique que dans certaines limites, et les limites sont spécifiques au processus-plutôt qu'universelles. Si trop d’aluminium est utilisé lors de la désoxydation, l’acier développe des structures anormales et présente une tendance à la graphitisation. Dans les aciers ferritiques et perlitiques, une teneur élevée en aluminium réduit la résistance et la ténacité aux températures élevées, et entraîne des difficultés pratiques de fusion et de coulée, car les inclusions d'alumine augmentent la viscosité de la fusion et peuvent bloquer les buses.
| Élément et application | Contenu typique | Fonction principale |
|---|---|---|
| Manganèse, acier de construction au carbone | 0.3–1.5% | Désoxydation, désulfuration, renforcement des solutions solides |
| Manganèse, acier allié avec d'autres éléments | jusqu'à 2% | Trempabilité, stabilisation austénite, affinage perlite |
| Manganèse, acier-résistant à l'usure selon ASTM A128 | 10–14% | Résistance à l'usure austénitique à écrouissage-avec noyau dur |
| Aluminium, désoxydation de l'acier tué | 0.02–0.06% | Désoxydation et affinage des grains sous forme de nitrure d'aluminium |
| Aluminium, acier nitruré | 0.7–1.1% | Boîtier nitruré dur et résistant à la corrosion- |
| Aluminium, alliages-Fe-Cr-Al résistants à la chaleur | 4.5–6% | Résistance à l'oxydation avec résistance électrique stable |
Lues collectivement, ces plages montrent pourquoi les deux éléments sont généralement spécifiés ensemble et contrôlés séparément. Le manganèse est ajouté pour la structure et la propreté, l'aluminium pour la désoxydation et les performances de surface, et les limites supérieures des deux sont fixées par les défauts qui apparaissent lorsque l'ajout est poussé trop loin.
En pratique, la vérification repose sur l'analyse chimique de chaque chaleur pour le manganèse, l'aluminium, le soufre et l'azote, le cas échéant, combinée à un examen métallographique pour le type d'inclusion et la taille des grains, ainsi qu'à des mesures de contrôle de l'hydrogène lorsque des teneurs élevées en manganèse-sont produites.
FAQ
Q : Pourquoi du manganèse est-il ajouté à l’acier ?
Il agit comme désoxydant et désulfurant, prévient la fragilité à chaud en formant du sulfure de manganèse au lieu du sulfure de fer et renforce la ferrite et l'austénite par durcissement en solution solide.
Q : Que se passe-t-il si le manganèse est trop faible pour le soufre présent ?
Le soufre reste capable de former du sulfure de fer aux joints de grains, ce qui provoque un manque de chaleur lors du laminage ou du forgeage ; un manganèse adéquat maintient le soufre combiné sous forme de sulfure de manganèse.
Q : Pourquoi l'acier à haute teneur en manganèse-dure-t-il sous l'impact ?
Il conserve une structure austénitique résistante après le traitement en solution, et la déformation de la couche superficielle le durcit, de sorte que la résistance à l'abrasion augmente tandis que l'intérieur reste ductile.
Q : Pourquoi la teneur en aluminium de l’acier est-elle maintenue à un faible niveau ?
L'excès d'aluminium produit des structures anormales et une tendance à la graphitisation, diminue la résistance et la ténacité à haute température-des aciers ferritiques et perlitiques, et génère des inclusions d'alumine qui perturbent la fusion et la coulée.
Q : Pourquoi l’aluminium est-il utilisé dans les aciers nitrurés ?
L'aluminium forme des nitrures durs lors de la nitruration, créant un boîtier dur et résistant à la corrosion-sur un noyau résistant, qui constitue la base des qualités de nitruration contenant de l'aluminium-telles que le 38CrMoAl.
Q : L’aluminium améliore-t-il la résistance à la corrosion ?
À des teneurs plus élevées, il améliore la résistance à l'oxydation et aux attaques dans les acides oxydants et dans les environnements de sulfure d'hydrogène, et il contribue à la résistance à l'oxydation des alliages de résistance au fer-chrome-aluminium.
