Mangalloy - Mangalloy

Étiquette sur un cadre de vélo indiquant le mangalloy

Le mangalloy , également appelé acier au manganèse ou acier Hadfield , est un acier allié contenant en moyenne environ 13 % de manganèse . Mangalloy est connu pour sa haute résistance aux chocs et sa résistance à l'abrasion une fois à l'état écroui.

Propriétés matérielles

Mangalloy est fabriqué par alliage d' acier, contenant 0,8 à 1,25% de carbone, avec 11 à 15% de manganèse . Mangalloy est un acier non magnétique unique avec des propriétés anti-usure extrêmes. Le matériau est très résistant à l' abrasion et atteindra jusqu'à trois fois sa dureté de surface dans des conditions d' impact , sans aucune augmentation de la fragilité qui est généralement associée à la dureté. Cela permet au mangaloy de conserver sa ténacité .

La plupart des aciers contiennent 0,15 à 0,8% de manganèse. Les alliages à haute résistance contiennent souvent de 1 à 1,8 % de manganèse. A une teneur en manganèse d'environ 1,5%, l'acier devient cassant, et ce trait augmente jusqu'à atteindre une teneur en manganèse d'environ 4 à 5%. À ce stade, l'acier se pulvérisera sous le coup d'un marteau. Une augmentation supplémentaire de la teneur en manganèse augmentera à la fois la dureté et la ductilité . À environ 10 % de manganèse, l'acier restera sous sa forme austénite à température ambiante s'il est correctement refroidi. La dureté et la ductilité atteignent leurs points les plus élevés autour de 12%, en fonction des autres agents d'alliage. Le principal de ces agents d'alliage est le carbone, car l'ajout de manganèse à l'acier à faible teneur en carbone a peu d'effet, mais augmente considérablement avec l'augmentation de la teneur en carbone. L'acier Hadfield d'origine contenait environ 1,0 % de carbone. D'autres agents d'alliage peuvent inclure des métaux comme le nickel et le chrome ; ajouté le plus souvent aux aciers austénitiques comme stabilisateur d'austénite ; molybdène et vanadium ; utilisé dans les aciers non austénitiques comme stabilisateur de ferrite ; ou encore des éléments non métalliques tels que le silicium .

Le Mangalloy a une limite d'élasticité passable mais une résistance à la traction très élevée , généralement comprise entre 350 et 900 mégapascals (MPa), qui augmente rapidement à mesure qu'il durcit. Contrairement à d'autres formes d'acier, lorsqu'il est étiré jusqu'au point de rupture, le matériau ne se « rétrécit pas » (devient plus petit au point le plus faible), puis se déchire. Au lieu de cela, le métal se rétrécit et se durcit, augmentant la résistance à la traction à des niveaux très élevés, parfois jusqu'à 2000 MPa. Cela provoque le rétrécissement du matériau adjacent, son durcissement, et cela continue jusqu'à ce que la pièce entière soit beaucoup plus longue et plus mince. L'allongement typique peut aller de 18 à 65 %, en fonction à la fois de la composition exacte de l'alliage et des traitements thermiques antérieurs. Les alliages avec des teneurs en manganèse allant de 12 à 30 % sont capables de résister aux effets cassants du froid, parfois à des températures de l'ordre de −196 °F (−127 °C).

Mangalloy est traitable thermiquement , mais le manganèse abaisse la température à laquelle l'austénite se transforme en ferrite . Contrairement à l'acier au carbone , le mangalloy se ramollit plutôt que de durcir lorsqu'il est rapidement refroidi, rétablissant la ductilité à partir d'un état écroui. La plupart des nuances sont prêtes à l'emploi après recuit puis trempe à partir d'une chaleur jaune, sans autre besoin de revenu , et ont généralement une dureté Brinell normale d'environ 200 HB (à peu près la même que l'acier inoxydable 304), mais, en raison de sa propriétés uniques, la dureté d'indentation a très peu d'effet sur la détermination de la dureté aux rayures (la résistance à l'abrasion et aux chocs du métal). Une autre source indique que la dureté Brinell de base de l'acier au manganèse selon la spécification Hadfield d'origine est de 220, mais qu'avec l'usure par impact, la dureté de surface passera à plus de 550.

De nombreuses utilisations du Mangalloy sont souvent limitées par sa difficulté d' usinage ; parfois décrit comme ayant « l'usinabilité nulle ». Le métal ne peut pas être ramolli par recuit et durcit rapidement sous les outils de coupe et de meulage, nécessitant généralement un outillage spécial pour l'usinage. Le matériau peut être percé avec une extrême difficulté au diamant ou au carbure. Bien qu'il puisse être forgé à partir d'une chaleur jaune, il peut s'effriter s'il est martelé lorsqu'il est chauffé à blanc et est beaucoup plus résistant que l'acier au carbone lorsqu'il est chauffé. Il peut être coupé avec un chalumeau oxyacétylénique , mais la découpe plasma ou laser est la méthode préférée. Malgré son extrême dureté et sa résistance à la traction, le matériau peut ne pas toujours être rigide. Il peut être formé par laminage à froid ou pliage à froid.

Histoire

Casque Brodie de la Première Guerre mondiale , en acier Hadfield

Mangalloy a été créé par Robert Hadfield en 1882, devenant le premier acier allié à la fois à devenir un succès commercial et à présenter un comportement radicalement différent de l'acier au carbone . Ainsi, il est généralement considéré comme marquant la naissance des aciers alliés.

Benjamin Huntsman a été l'un des premiers à commencer à ajouter d'autres métaux à l'acier. Son procédé de fabrication d' acier au creuset , inventé en 1740, était la première fois que l'acier pouvait être entièrement fondu dans un creuset. Huntsman avait déjà utilisé divers flux pour aider à éliminer les impuretés de l'acier et a rapidement commencé à ajouter une fonte riche en manganèse appelée Spiegeleisen , qui a considérablement réduit la présence d'impuretés dans son acier. En 1816, un chercheur allemand Carl JB Karsten a noté que l'ajout de quantités assez importantes de manganèse au fer augmenterait sa dureté sans affecter sa malléabilité et sa ténacité, mais le mélange n'était pas homogène et les résultats de l'expérience n'étaient pas considérés comme fiables. " et personne n'a compris que la vraie raison pour laquelle le fer extrait à Noricum produisait un acier si superbe résidait dans le fait qu'il contenait une petite quantité de manganèse non contaminé par le phosphore, l'arsenic ou le soufre, de même que la matière première de l'acier au manganèse. " En 1860, Sir Henry Bessemer , essayant de perfectionner son procédé Bessemer de fabrication de l'acier, a découvert que l'ajout de spiegeleisen à l'acier après son soufflage aidait à éliminer l'excès de soufre et d' oxygène . Le soufre se combine avec le fer pour former un sulfure qui a un point de fusion inférieur à celui de l'acier, provoquant des points faibles qui empêchaient le laminage à chaud . Le manganèse est généralement ajouté à la plupart des aciers modernes en petites quantités en raison de sa puissante capacité à éliminer les impuretés.

Hadfield était à la recherche d'un acier qui pourrait être utilisé pour le moulage de roues de tramway qui présenterait à la fois une dureté et une ténacité, car les aciers au carbone ordinaires ne combinent pas ces propriétés. L'acier peut être durci par un refroidissement rapide, mais perd de sa ténacité et devient cassant. Les pièces moulées en acier ne peuvent généralement pas être refroidies rapidement, car les formes irrégulières peuvent se déformer ou se fissurer. Mangalloy s'est avéré extrêmement approprié pour la coulée, car il ne formait pas de poches de gaz appelées « soufflages » et ne présentait pas l'extrême fragilité des autres pièces coulées.

Hadfield avait étudié les résultats d'autres qui ont expérimenté le mélange de divers éléments avec de l'acier, tels que Benjamin Huntsman et AH Allen. À l'époque, la fabrication de l'acier était un art plutôt qu'une science, produit par des artisans qualifiés et souvent très secrets. Ainsi, aucune donnée métallurgique sur l'acier n'existait avant 1860, de sorte que les informations sur les divers alliages étaient sporadiques et souvent peu fiables. Hadfield s'est intéressé à l'ajout de manganèse et de silicium. La société Terre Noire avait créé un alliage appelé « ferro-manganèse », contenant jusqu'à 80 % de manganèse. Hadfield a commencé par mélanger du ferro-manganèse avec de l'acier au creuset et du silicium, produisant un alliage de 7,45 % de manganèse, mais le matériau n'était pas satisfaisant pour ses besoins. Lors de sa tentative suivante, il a laissé de côté le silicium et a ajouté plus de ferro-manganèse au mélange, réalisant un alliage avec 1,35% de carbone et 13,76% de manganèse. Lors de la création du mangalloy, Hadfield a testé le matériau, pensant que les résultats devaient être erronés. Il avait l'air terne et doux, avec un éclat submétallique semblable en apparence au plomb , mais a arraché les dents de sa lime. Il ne tiendrait pas un bord comme outil de coupe, mais ne pourrait pas être coupé avec des scies ni usiné sur un tour . Il n'était pas magnétique malgré sa teneur en fer à plus de 80 % et sa résistance électrique était très élevée . Les tentatives de meulage ont simplement émaillé et poli la surface. Le plus frappant, lorsqu'il est chauffé et trempé , il s'est comporté presque à l'opposé de l'acier au carbone ordinaire. Après avoir effectué plusieurs centaines de tests, il s'est rendu compte qu'ils devaient être précis, bien que la raison de la combinaison de la dureté et de la ténacité défiait toute explication à l'époque. Hadfield a écrit : « Y a-t-il un cas semblable à celui-ci parmi d'autres alliages de fer, si le terme alliage peut être utilisé ? Aucun traité métallurgique n'y fait référence... Peut-être que lorsque la nature des lois régissant les alliages sera mieux comprise, ce sera n'est qu'un cas parmi d'autres...".

L'invention de Hadfield a été le premier alliage d'acier à démontrer des différences considérables de propriétés par rapport à l'acier au carbone. À l'époque moderne, il est connu que le manganèse inhibe la transformation de la phase austénite malléable en martensite dure et cassante qui a lieu pour les aciers normaux lorsqu'ils sont trempés dans la procédure de durcissement. L'austénite des aciers Hadfield est thermodynamiquement instable et se transformera en martensite lorsqu'elle est soumise à un impact mécanique formant ainsi la couche de surface dure.

Hadfield a breveté son acier en 1883, mais a passé les cinq années suivantes à perfectionner le mélange, il ne l'a donc présenté au public qu'en 1887. Il a finalement opté pour un alliage contenant 12 à 14% de manganèse et 1,0% de carbone, qui était suffisamment ductile pour être en retrait mais si dur qu'il ne pouvait pas être coupé. Il est devenu le premier acier allié à devenir commercialement viable. Hadfield a initialement commercialisé son acier pour une utilisation dans les chemins de fer et les tramways, mais a rapidement commencé à le produire pour tout, des plaques de scie aux coffres-forts.

Utiliser

Mangalloy a été utilisé dans l' industrie minière , les bétonnières , les concasseurs de roches , les aiguillages et passages à niveau, les chenilles pour tracteurs et autres environnements à impact élevé et abrasifs. Il est également utilisé dans des environnements à fort impact comme à l'intérieur d'une machine de grenaillage. Ces alliages trouvent de nouvelles utilisations comme aciers cryogéniques , en raison de leur haute résistance à très basse température.

Voir également

  • Ferromanganèse , un ferroalliage avec une teneur en manganèse beaucoup plus élevée (généralement autour de 80%), pas un acier mais plutôt un ingrédient utilisé dans la fabrication des aciers

Les références