Elaboration Au Four À Induction

omaine qui a connu un fort développement au cours de ces dernières années notamment avec la mesure des teneurs directement dans le four de fusion, ce qui a ouvert des nouvelles voies pour optimiser la compacité et les performances des matériaux. En ce qui concerne l’élaboration au four à induction, les technologies récentes de brassage pneumatique ont permis de réaliser certaines opérations métallurgiques qui étaient jusqu’alors réservées aux seuls fours à arcs. Des progrès importants ont aussi été constatés dans le cadre de l’élaboration des aciers inoxydables et des alliages spéciaux par la mise en œuvre de procédés métallurgiques performants intégrant largement la technologie du vide ou les principes de la dilution gazeuse à l’aide de gaz neutres ou actifs.

1. Maîtrise des teneurs en gaz et métallurgie

1.1 Méthodes de dosage

1.2 Expertise de pièces défectueuses

Dans la fabrication des pièces en acier moulé, la maîtrise des teneurs en gaz dissous dans le métal est un challenge permanent dans la recherche de la qualité. En général, le fondeur s’intéresse tout particulièrement aux effets nocifs engendrés par des teneurs excessives en gaz (H, O, N) qui provoquent la formation de défauts volumiques susceptibles de conduire au rebut des pièces. Les défauts volumiques rédhibitoires, qui sont le plus souvent rencontrés, sont les porosités internes ou les discontinuités linéaires qui apparaissent à la surface des pièces. La présence incontrôlée de gaz en excès a également des répercussions sur les caractéristiques mécaniques comme la ductilité, la ténacité ou la résistance à la fatigue et elle peut réduire de manière significative la durée de vie des pièces concernées.

À côté de cette action néfaste, l’addition contrôlée de gaz dans les aciers se révèle extrêmement efficace pour affiner la taille des grains, pour améliorer les caractéristiques mécaniques et les performances des pièces en acier moulé, à un point tel que, pour certaines nuances d’acier inoxydable, l’introduction d’azote est devenue une pratique quasi-systématique.

La maîtrise des teneurs en gaz dans les aciers moulés est un paramètre essentiel dans la recherche de la qualité des produits. Elle est largement facilitée par la mise en œuvre des méthodes modernes de dosages qui ont été développées au Centre technique des industries de la fonderie CTIF et qui sont rappelées ci‐après.

1.1 Méthodes de dosage

Les teneurs en gaz contenues dans les aciers peuvent être mesurées soit dans le métal à l’état liquide, soit dans le métal à l’état solide.

▪ Dosage à l’état liquide (H, N)

Les analyseurs de gaz de type « Hydris et Nitris » ont été conçus pour respectivement réaliser des mesures directes des teneurs en hydrogène et en azote contenues dans le métal liquide en fonderie d’acier.

Leur principe de fonctionnement est précisé sur les figures 1 et 2.

Rappelons que, contrairement aux sondes de mesure par immersion utilisées pour prendre la température ou pour doser l’activité de l’oxygène, les systèmes mis en œuvre fonctionnent par une circulation de gaz et mesurent une pression partielle au lieu d’une force électromotrice.

La pression partielle du gaz à l’équilibre qui est déterminée par un détecteur de conductibilité thermique est convertie en teneur en gaz selon les principes thermodynamiques définis par la loi de Sieverts.

Hormis la pression partielle à l’équilibre, la loi tient compte également de la température et de la composition chimique du bain au moment de la mesure pour calculer la teneur en gaz.

Ces appareils présentent de nombreux avantages, comme la disponibilité, la facilité de transport et de mise en œuvre en atelier, la rapidité de l’exécution de la mesure ou la possibilité de corriger l’état du bain en ligne avant la coulée.

▪ Dosage à l’état solide (O, N)

CTIF dispose également de moyens spécifiques destinées aux dosages de l’oxygène et de l’azote contenus dans les aciers à l’état solide (figure 3).

En quelques mots, le dosage est réalisé selon le principe de la fusion réductrice sous courant de gaz neutre.

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Figure 1 - Schéma de principe de la mesure d’hydrogène dissous dans l’acier liquide

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Figure 2 - Schéma de principe de la mesure d’azote dissous dans l’acier liquide

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Figure 3 - Schéma de principe du dosage par fusion et mesure de conductivité thermique (O, N)

Il comporte les étapes suivantes :

• prélèvement et préparation de l’échantillon d’acier solide ;

• introduction de l’échantillon dans un creuset en graphite ;

• fusion à haute température de l’échantillon sous flux de gaz neutre ;

• combinaison de l’oxygène et du carbone en monoxyde de carbone dosé par absorption infrarouge ;

• extraction de l’azote sous forme moléculaire dosé ensuite sur un catharomètre à conductibilité thermique.

Dans ce cas, c’est la teneur totale en gaz qui est mesurée. Par exemple, l’oxygène total, correspond à la teneur en oxygène dissous, augmentée de la teneur en oxygène combinée sous forme d’oxyde (SiO2 , Al2O3 ,...) et l’azote total correspond à l’azote dissous dans la matrice augmenté de l’azote présent sous forme de nitrure.

Ces deux méthodes de dosages sont tout à fait complémentaires. La première (métal liquide) est davantage réservée aux mesures faites en atelier sur les sites de production alors que la seconde (métal solide) est plus pratiquée pour réaliser des expertises au laboratoire.

1.2 Expertise de pièces défectueuses

La mesure de la teneur en azote total sur un échantillon solide par la méthode traditionnelle, par conductibilité thermique après fusion réductrice, voire par spectromètre à émission optique, est plus appropriée pour l’expertise de défauts gazeux. Lorsqu’elle est associée à des examens métallographiques complémentaires ciblés, l’analyse des teneurs en gaz facilite la détermination de l’origine des porosités présentes sur pièces moulées et permet de proposer ensuite des actions correctives.

Il existe maintenant des matériels performants et fiables destinés au dosage des gaz (H, N, O) contenus dans les aciers élaborés dans les fours électriques à arcs ou dans les fours à induction. Au fil du temps, ils sont devenus des outils indispensables pour régler les paramètres de fusion, les paramètres de désoxydation ou de coulée, pour expertiser les pièces présentant des défauts d’origine gazeuse et plus globalement pour optimiser la qualité et les performances des produits en acier moulé.

2. Élaboration des aciers inoxydables à basse teneur en carbone

2.1 Procédés d’élaboration

2.2 Addition contrôlée d’azote

2.1 Procédés d’élaboration

Au cours de ces dernières années, les procédés d’élaboration de l’acier inoxydable ont bénéficié de nombreuses améliorations. Actuellement, les fours électriques à arcs et les fours électriques à induction à creuset sont systématiquement utilisés pour la fusion et le préaffinage des aciers moulés et ont définitivement supplantés tous les autres procédés. Pour obtenir de manière économique les basses teneurs en carbone et en éléments résiduels ainsi qu’une excellente propreté micrographique, certaines entreprises se sont équipées d’installations de métallurgie secondaire qui permettent de réaliser des affinages très poussés.

Les fours électriques à induction à creuset sont assez souvent utilisés pour la production d’aciers inoxydables. Compte tenu de leur conception, les opérations d’affinage classiques sont difficilement réalisables dans ce type de fours. Ils sont considérés comme de simples engins de fusion où la composition ainsi que la propreté micrographique dépendent essentiellement des matières premières enfournées. Celles‐ci sont sélectionnées avec soin par les fondeurs qui selon le degré de pureté retenu peuvent approvisionner des matières premières et des ferroalliages neufs, des ferrailles inoxydables en provenance de la sidérurgie ou encore lorsque les circonstances l’exigent, des alliages mères spécifiques qui sont élaborés dans des fours sous vide.

Les fours à arcs sont mis en œuvre pour la fusion et le préaffinage ainsi que pour l’élaboration des aciers inoxydables (voir détail au § 4.1.4[pic]) mais compte tenu des équilibres thermodynamiques [1][pic] chrome-carbone-oxygène, l’obtention de basses teneurs en carbone est assez délicate et dans tous les cas onéreuse. Aussi pour les productions de masse, le four à