Aciers couramment utilisés pour la fabrication des voitures de compétition

Comme indiqué dans le dossier sur les alliages d'aluminium employés pour la fabrication des voitures de compétition nous disposons d’une base de données  qui regroupe 29 000 documents relatifs aux matériaux,  parmi lesquels environ 800 aciers .

Les aciers sont des matériaux très utilisés dans les industries mécaniques. L’acier, c’est beaucoup de fer et très peu de carbone qui en modifie assez fortement les caractéristiques mécaniques et parfois d’autres métaux qui servent à améliorer une ou plusieurs caractéristiques du matériau ainsi obtenu.

Le choix des aciers utilisés pour la fabrication des voitures de course est généralement un compromis entre différentes qualités disponibles.  Nous ne définirons pas ici la terminologie applicable qui est supposée acquise, par les mécaniciens, par exemple la limite élastique, la limite à la rupture par extension, la résilience, la soudabilité métallurgique ou la trempabilité. Les lecteurs néophytes trouveront facilement sur Internet les définitions de ces termes.

Le but de ce petit article est de décrire certains aciers que nous recommandons pour la fabrication des pièces d’une auto de course, notamment les plus sollicitées. Evidemment nous ne présentons ici que quelques matériaux sur les 800 que nous connaissons.  Nos choix seront la plupart du temps orientés vers les nuances les plus facilement disponibles afin que chacun puisse s’en procurer, mais nous présentons aussi quelques-uns des meilleurs matériaux disponibles sur le marché.

Nous avons classé les aciers, non pas en fonction de leur composition, mais en fonction de leur usage dans les autos de course.

Aciers à haute limite élastique pour applications soudées

Ce sont typiquement ceux qu’on peut utiliser pour fabriquer des éléments de suspension ou de structure fortement sollicités. La plupart du temps, les aciers qui offrent de hautes limites élastiques ne sont pas soudables du point de vue métallurgique ou ne le sont qu’avec d’infinies précautions qui ne sont pas à la portée d’un amateur, même averti.

On supposera dans ce qui suit que l’utilisateur assemble les matériaux par soudure TIG, sans préchauffage ni post-chauffage. De grosses écuries pouvant faire appel, par exemple au soudage par faisceau d’électrons qui permet d’utiliser d’autres matériaux en prenant cependant beaucoup de précautions.

Il reste deux matériaux assez exceptionnels que l’amateur (éclairé…) peut utiliser pour ce genre d’application : le 25CD4S et le 15CDV6.

25CD4S ou 25CrMo4Si

Il s’agit d’un acier allié au chrome-molybdène. Le chrome (C) et le molybdène (D) lui confèrent une bonne limite élastique et une bonne résistance à la rupture par extension. Le Silicium (S) qui a un coefficient de dilatation négatif évite la fissuration des cordons soudés pendant leur refroidissement.

On le trouve très facilement sous différentes formes, notamment tubes étirés sans soudure ce qui en fait un matériau de choix pour réaliser des triangles de suspension, par exemple.

Pour les ronds pleins, attention à bien verifier qu'on a affaire a un acier non resulfuré. Le risque n'existe normalement pas pour les tubes puisqu'on usine rarement les tubes. La designation Si est univoque. Il s'agit bien de silicium. Alors que le S seul peut bien désigner du soufre. Exigez un certificat matière. C'est le seul moyen d'être sûr. 

Le 25CD4S est environ trois fois plus cher au kilo que l’acier non allié lorsqu’il est livré sous la même forme.

Généralement, il est livré à l’état pré-traité (trempé et revenu) ce qui lui confère d’excellentes caractéristiques mécaniques mais autorise sa mise en forme (par exemple à la cintreuse hydraulique) car il conserve de bonnes propriétés d’allongement.

Rm  =  750/900 MPa   ;    Rp0,2 ≥  500 MPa ;    A% : 25

Ce matériau est auto-trempant au niveau de la zone fondue. Le cordon de soudure aura donc pratiquement les mêmes caractéristiques mécaniques que le métal livré à l’état trempé et revenu. Par contre, dans la zone thermiquement affectée (ZAT) par le soudage, l’élévation de température va conduire à un revenu sans trempe ce qui va faire chuter les caractéristiques mécaniques. Comme généralement l’amateur n’est pas en mesure de réaliser un traitement thermique post-opératoire la ZAT restera un point faible.

Pour des applications en fatigue, il est conseillé de choisir un matériau à haute propreté inclusionnaire (teneur en soufre et phosphore réduite). C’est évidemment plus cher. A la commande spécifier :    «  Propreté inclusionnaire :  classe 2 aéronautique, selon norme AIR 0819. 

15CDV6 ou 15 CrMoV6

C’est un acier au chrome-molybdène et vanadium qui surpasse le 25CD4S en termes de caractéristiques mécaniques à l’état trempé et revenu. C’est généralement dans cet état qu’il est livré.

Rm = 1000/1200 MPa ; Rp_0,2 ≥   790 MPa ; A% ≥ 12.

Il s’allonge moins que le 25CD4S à l’état traité. Il est donc plus difficile à cintrer (ou à ovaliser pour faire des triangles.)

Il est aussi nettement moins sensible au revenu en ZAT donc globalement supérieur au 25CD4S. Sa tenue en fatigue est aussi bien meilleure que celle du 25CD4S. En contrepartie il est environ trois fois plus cher, soit près de dix fois plus cher qu’un acier non-allié. A cause de son prix, il est beaucoup moins employé et par conséquent beaucoup plus difficile à se procurer. Les choix de sections sont nettement plus réduits que dans le cas du 25CD4S. C’est l’acier des professionnels par excellence, utilisé par exemple pour les pièces de suspension des prototypes des 24 Heures du Mans.

Pour des applications en fatigue, il est conseillé de choisir un matériau à haute propreté inclusionnaire (teneur en soufre et phosphore réduite). C’est évidemment plus cher. A la commande spécifier :    «Propreté inclusionnaire :  classe 2 aéronautique, selon norme AIR 0819

Vu le prix élevé de ce matériau, mieux vaut l’acheter chez un aciériste réputé pour être certain de ne pas se faire avoir sur la propreté inclusionnaire. Demande un certificat-matière (que tous les aciéristes sérieux fournissent systématiquement.)

Aciers pré-traités à résistance mécanique élevée

Le principal avantage d’acheter un acier pré-traité est de n’avoir pas besoin de gérer un traitement thermique après usinage, c’est connu. Mais ce à quoi on pense moins c’est que le traitement post-usinage génère des distorsions de pièce qu’on ne risque pas d’avoir en usinant de la matière déjà traitée.

42CD4 ou 42CrMo4

Acier très courant, souvent vendu à l’état pré-traité (42CD4T) ce qui évite d’avoir à gérer des traitements thermiques que l’amateur a du mal à réaliser correctement. Cet acier ne se soude pas, mais s’usine même à l’état traité. De préférence avec des outils de bonne qualité. Idéal pour réaliser de la visserie à haute résistance, des axes d’articulation, des pièces assez sollicitées.

Rm = 1000/1200 MPa ; Rp_0,2 ≥ 750 MPa ; A% ≥ 11 pour les diamètres de barres inférieurs à 40 mm.

Rm = 900/1100 MPa ; Rp_0,2 ≥ 760 MPa ; A% ≥ 11 pour les diamètres de barres entre 40 et 100 mm.

Il faut savoir que  la résistance mécanique des barres pré-traitées est très supérieure en surface à celle obtenue à l’âme. Cela s’explique par une cinétique de refroidissement de l’âme nettement plus faible que celle obtenue en surface. Par conséquent on a tout intérêt a utiliser l’ébauche du plus petit diamètre disponible. Usiner un petit diamètre dans une barre de gros diamètre donnera une résistance mécanique plus faible, ceci jusqu’à concurrence de la résistance à l’état recuit qui peut être deux fois plus faible.

Attention également au 42CD4T resulfuré. Souvent vendu 

 sans precision pour du 42CD4T normal. Il en a la majorité des caractetistiques mecaniques, mais sa renue en fatigue est tres mauvaise. Pour toute application en fatigue demandez un certificat matiere. 

Le 35CD4 est un cousin du 42CD4 un peu moins résistant que nous ne conseillons pas parce qu’il n’a pas de réel avantage sur le premier à part une usinabilité légèrement meilleure. C’était l’acier utilisé pour les bielles d’origine des Simca Rallye 3.

On présente souvent le 40CMD8 pré-traité comme une bonne alternative au 42CD4 car il a des caractéristiques mécaniques voisines, mais s’usine nettement mieux. C’est à la fois vrai et faux…  L’usinabilité du 40CMD8 resulfuré est effectivement nettement meilleure que celle du 42CD4 avec des caractéristiques mécaniques très voisines, mais les nuances resulfurées ont une piètre tenue en fatigue puisqu’elles ont (c’est voulu pour faciliter l’usinabilité) une très mauvaise propreté inclusionnaire. À éviter absolument pour les pièces très sollicitées, comme les éléments de suspension, les pièces de moteurs ou de transmission. Souvent proposé par les usineurs et à notre avis juste bon à conseiller au pilote que vous détestez au point de souhaiter qu’ils se casse la figure….

55NCDV7

Voilà un acier très performant qu’on peut trouver à l’état pré-traité. C’est en quelque sorte un « super 42CD4 » Il est beaucoup moins connu du grand public que le 42CD4 parce que c’est un acier surtout utilisé par les outilleurs. C’est d’ailleurs l’un des « secrets » jalousement gardés par de nombreux préparateurs.  Cet acier se comporte nettement mieux que le 42CD4 à chaud parce qu’il est moins sensible au revenu.

Rm = 1350 MPa (voire plus) ; Rp_0,2 ≥ 1200 MPa

S’usine mais nécessite de l’outillage de très bonne qualité acier rapide à 8-10 % de Cobalt au minimum, le carbure de tungstène micrograin étant préférable. Evidemment cet acier n’est pas soudable.

Même remarque que pour le 42CD4 en ce qui concerne l’adéquation du  diamètre des ébauches avec celui des pièces finies.

Utilisation : pièces très chargées devant être usinées sans nécessité de pratiquer un traitement thermique post-usinage.

Les aciers 35CD4, 42CD4 et 55NCDV7 s’ils doivent être utilisés en fatigue dans des contions extrêmes (par exemple pour réaliser des bielles) devraient être achetés avec une garantie de haute propreté inclusionnaire.

Aciers à hautes caractéristiques mécaniques pour traitement thermique

Il s’agit la plupart du temps d’aciers dont les caractéristiques mécaniques à l’état traité sont supérieures à celles des aciers pré-traités, mais qui une fois traités ne sont plus, ou très difficilement usinables. Pour l’amateur, ces aciers sont bien plus délicats à mettre en œuvre pour deux raisons principales : leur traitement ne sera optimal que s’il est réalisé par un spécialiste (qui en général facture sa prestation très cher aux clients occasionnels) et il faudra prévoir des surépaisseurs de finition pour compenser les déformations dues aux traitements. L’évaluation de ces surépaisseurs est délicate parce qu’elle dépend de très nombreux paramètres que l’usineur ne maîtrise pas tous (notamment les paramètres de traitement thermique, comme la position de la pièce dans le four.) De plus l’enlèvement de la surépaisseur une fois la pièce traitée peut nécessiter des procédés dont peu d’amateurs disposent (rectification, électro-érosion, usinage electrochimique, etc.)

35NCD16 ou 35NiCrMo16

Voici un très bon acier, très facile à se procurer, pour réaliser des bielles par exemple. À l’état traité, il pourra avoir les caractéristiques mécaniques suivantes :

Rm = 1850 MPa ; Rp_0,2 ≥ 1400 MPa chauffé à 875 °C et trempé à l’air  avec un revenu à 200 °C

Lorsqu’il est sollicité en fatigue, on aura tout intérêt à choisir une nuance refondue sous vide qui offre l’avantage d’avoir une excellente propreté inclusionnaire. Le 819 AW de chez Aubert et Duval par exemple. Il est évidemment plus cher qu’un 35NCD16 courant, mais lorsque la fiabilité est en jeu il ne faut pas hésiter.

On peut également utiliser du 30NCD16 (un peu moins courant que le 35NCD16) qui est un matériau de choix pour réaliser des vis de bielles ou toutes pièces travaillant sous sollicitations alternées (vis de culasse, vilebrequins, engrenages par exemple.)

Rm = 1750 MPa ; Rp_0,2 ≥ 1250 MPa chauffé à 825-850 °C et trempé à l’air avec un revenu à 200 °C

Ces deux matériaux ont l’avantage d’être auto-trempants, c’est-à-dire qu’une trempe à l’air suffit à les durcir. On évite ainsi les grosses déformations qui sont liées aux trempes à l’huile et à l’eau. C’est pour cette raison que nous les recommandons.

100C6 ou 100Cr6

Le 100C6 est  à l’opposé du 35NCD16 dans la catégorie des aciers à hautes caractéristiques mécaniques. C’est un acier qui se déforme beaucoup à la trempe. Il doit quasiment toujours être  repris après traitement. Très fragile, il n’aime pas les chocs une fois traité. De plus il est sensible aux tapures de trempe.  En contrepartie, c’est un acier qui permet d’obtenir facilement de très grandes duretés superficielles. Acier à roulements par excellence, nous, motoristes, l’utilisons pour réaliser des arbres à cames de très bonne qualité. Ils doivent être systématiquement redressés après traitement et avant la rectification des cames à cause des déformations qui sont inévitables.

Trempé à 835 °C et refroidi dans l’huile, on peut en espérer environ 800 Hv, ce qui correspond, au moins en surface à Rm >> 2200 MPa. Attention, en raison de sa forte teneur en chrome, cet acier est assez mauvais conducteur ce qui fait que sa trempabilité est assez faible. En d’autres termes, la profondeur durcie reste assez faible ce qui a deux conséquences :

1)      La résistance mécanique est beaucoup plus faible à cœur qu’en surface ;

2)      Les distorsions de trempe sont très grandes et la finition engendre de fortes déformations lorsque l’épaisseur de la couche enlevée en finition varie d’une face à l’autre, ce qui est inévitablement le cas lorsque la pièce  s’est fortement déformée à la trempe.  En résumé, plus c’est tordu, plus ça se tord… Voilà pourquoi il est recommandé de redresser avant la rectification. Encore un petit secret de préparateur…

Aciers de cémentation

Lorsqu’une pièce doit être durcie en surface tout en conservant une bonne résilience à cœur on a tout intérêt à choisir un acier contenant peu de carbone et à le cémenter puis tremper et revenir.  Grâce au gradient de composition entre surface et cœur de la pièce, les pièces cémentées bénéficient en général d’une précontrainte de compression en surface plus importantes que les pièces trempées dans la masse.  Le traitement par cémentation est un procédé qui doit être mis en œuvre par un professionnel. Il sera suivi d’une trempe, parfois d’un traitement par cryogénie et toujours par un revenu. Le traitement complet est toujours générateur de déformations. Elles peuvent être limitées lorsque la pièce est axisymétrique à condition de prendre des précautions (cémentation homogène, chauffage homogène, refroidissement homogène-idéalement trempe gazeuse-.) Mais la plupart du temps les déformations sont très mal maîtrisées et ne sont pas reproductibles parce que le procédé n’est pas reproductible. Il suffit de changer la position de la pièce dans le four de traitement thermique pour que les déformations ne soient plus les mêmes. On devra donc prévoir une profondeur de cémentation  plus importante que nécessaire puisqu’une partie de la couche cémentée sera retirée lors de l’opération de finition après le traitement thermique.

On doit également tenir compte du fait que la martensite obtenue après le traitement occupe plus de volume que l’austénite présente avant le traitement. La pièce « gonfle » au traitement. Les diamètres cémentés trempés seront plus gros après traitement d’environ 1/10 à 2/10 de millimètre.

La cémentation est un procédé de durcissement de surface qu’on peut qualifier de « rapide » par rapport à la nitruration. Il faut environ 1 heure de traitement par 1/10 d’épaisseur de couche cémentée, alors que dans le même temps, on n’obtient qu’un centième de millimètre de couche durcie par nitruration.

La cémentation est un très bon procédé pour la pignonnerie de bonne qualité. Pour obtenir les meilleures performances (voitures de rallye d’usine, endurance, Formule un, etc.) on lui préfèrera la nitruration malgré un coût nettement supérieur.

En théorie, on peut cémenter n’importe quel acier à faible taux de carbone. En pratique, on ne le fait pas car les résultats obtenus en choisissant l’acier au hasard sont… hasardeux. L’épaisseur de la couche cémentée est mal maîtrisée et souvent irrégulière.

En pratique, comme les constructeurs automobiles, on choisira plutôt des aciers au manganèse-chrome pour la pignonnerie de série, et les aciers au nickel-chrome pour la pignonnerie de compétition. Au regard de la durée de vie actuelle des transmissions compétition-client, les fabricants de boites de compétition semblent se laisser un peu aller côté matériaux depuis quelques années. Bien que nous n’ayons pas fait d’analyse récemment, nous pensons que les productions en acier au nickel-chrome doivent être de plus en plus rares. Les pignons de grande série sont de plus en plus carbonitrurés. Le gain est essentiellement un gain de coût de production en grande série (uniquement.)

16MC5, 20MC5, 23MC5 ou 16MnCr5, 20MnCr5, 23MnCr5

Il s’agit d’aciers au manganèse-chrome utilisés par les constructeurs automobiles. Parfaitement aptes une fois cémentés pour des applications assez chargées, typiquement, tant que la puissance n’est obtenue qu’avec augmentation de régime, sans augmentation significative du couple.

Ces aciers ont une température de fin de transformation martensitique inférieure aux températures ambiantes. Il faut donc procéder à un traitement par cryogénie juste après la trempe (dans l’heure qui suit et avant le revenu) pour en tirer la quintessence. Dans le cas contraire, l’austénite résiduelle en diminuera significativement la performance.

Dureté en surface suivant paramètres de traitement.

Résistance mécanique sous la couche cémentée : Rm 1000 à 1300 Mpa pour un 20MC5 traité

Résistance mécanique sous la couche cémentée : Rm 800 à 1100 Mpa pour un 16MC5 traité

20NCD13 ou 20NiCrMo13

L’un des meilleurs aciers pour engrenages. C’est un acier au Nickel-chrome molybdène. Lui aussi gagnera à subir un traitement par cryogénie pour les mêmes raisons que les nuances MC5.

Pour les applications en endurance, type 24H du Mans, Paris-Dakar, on choisira une nuance à haute propreté inclusionnaire. Par exemple refondue sous vide comme le FDGW proposé par Aubert et Duval. Attention : se renseigner du prix avant commande. Il s’agit d’un matériau noble, le prix correspond à la qualité du produit… Un acier de grande marque (Thyssen, par exemple) couvre la plupart des besoins en compétition, s’il est traité correctement.

La résistance de la couche cémentée dépend  de la cémentation (730Hv possible) , la résistance en sous-couche après chauffe à 825 ° trempe à l’huile et revenu à 150 °C pourra atteindre

 Rm =1500 MPa ; Re 0.2 = 1250 Mpa ; A%  = 13%

20NCD2 ou 21NiCrMo2

Bien que sa désignation ressemble  à celle du précédent, cet acier est très nettement moins riche en éléments d’addition ce qui réduit considérablement son coût, et  ses  performances… c’est donc un faux-ami. Très employé dans la pignonnerie industrielle mais finalement peu performant pour la compétition.

Rm 980 MPa ; Re 750 Mpa ; A% : 9 pour de petits diamètres peut être bien plus faible pour des diamètres plus importants.

Aciers de nitruration

La nitruration est un procédé qui permet d’atteindre des duretés de surfaces impossibles à obtenir avec la cémentation ou avec des aciers trempés dans la masse. Une fois nitrurée, une surface aura de surcroit une précontrainte de compression  qui augmente la tenue en fatigue de la pièce. Un autre avantage de la nitruration par rapport à la cémentation trempe et revenu réside dans les très faibles déformations résultant du traitement. Si une pièce cémentée trempée "gonfle" d’un dixième de millimètre environ (au rayon donc 0,2 pour un diamètre) une pièce nitrurée ne varie en pratique que d’un centième de millimètre. Par conséquent, souvent on pourra finir la pièce avant de réaliser le traitement et s’affranchir de la finition d’une pièce durcie qui exige des moyens que l’amateur ne possède généralement pas (rectification, usinage électrochimique, electro-érosion, etc.)

Un autre avantage et non des moindres de la nitruration réside dans la température de traitement entre 500 et 550 °C. En effet, la martensite obtenue par cémentation est sujette au revenu lorsque la pièce dépasse  en service la température de revenu initial (souvent entre 150 et 200°C). Il en résulte une perte de dureté et des déformations inverses de celles subies lors de la trempe initiale. Pour une pièce nitrurée, le risque de perte des nitrures n’apparaît que largement au-delà de 400 °C ce qui permet à la pièce de conserver sa dureté même à haute température.

La nitruration est un procédé beaucoup plus coûteux que la cémentation car il est beaucoup plus lent.  À profondeur identique, faut environ dix fois plus de temps pour nitrurer que pour cémenter.

Dans les manuels scolaires, on conseille de nitrurer des aciers contenant de l’aluminium comme le 40 CAD6-12. C’est un bon choix lorsque seule la dureté en surface est recherchée car les nitrures d’aluminium sont très durs. La pièce –type en 40 CAD6-12 est une pièce devant résister à l’abrasion. Mais parfois on cherche des duretés moindres mais  très bonne résistance à la rupture par extension ou une très haute limite élastique au cœur de la pièce par exemple pour un vilebrequin. Suivant les cas, on optera plutôt pour un 42CD4 qui ne coute pas cher ou un 32CDV13 qui permettra d’obtenir la performance maximale.

Certains aciers de nitruration présentent une « couche blanche »  très fragile en surface qu’il convient d’éliminer par finition après nitruration.

40CAD6-12 ou 41CrAlMo7-10

C’est l’acier qu’on conseille à l’école pour les applications nitrurées. Sa résistance à l’usure est très importante, mais ce n’est pas forcément le meilleur choix pour une auto de course. Il conviendra très bien par exemple pour des engrenages nitrurés dont la tenue au « scruffing » sera très supérieure à celle des aciers cémentés. On a intérêt à nitrurer les engrenages lorsque le lubrifiant est très pollué, par exemple par des débris d’usure de différentiel à glissement limité, comme on en utilise souvent en rallye. Mais nous pensons que pour des pièces très chargées à cœur mais moins soumises à la mécanique de contact, comme un vilebrequin on peut trouver mieux. Soit plus courant, donc moins cher (42CD4), soit plus résistant (32CDV13).

Le 40CAD6-12 a l’avantage de pouvoir être approvisionné à l’état pré-traité. Chez Thyssen on le propose prétraité pour 800-1000 Mpa.

S’il n’est pas pré-traité, il faudra le tremper à 870-930 °C, à l’huile ou à l’eau et le faire revenir entre 580 et 700 °C avant nitruration à 480-570 °C. Une fois nitruré on obtiendra une couche superficielle à 950 HV.

42CD4 ou 42CrMo4

Cet acier présenté plus haut devrait se trouver en permanence en stock dans tout atelier de mécanique digne de ce nom parce qu’il est l’un des meilleurs « bons à tout faire .» C’est pour cette raison que nous le présentons ici.  Il peut se nitrurer.

Croire que le 42CD4 nitruré est un choix de bricoleur et seulement ça serait une grave erreur. Les vilebrequins des deux litres Alfa-Roméo de 1972 (les fameux coupés Bertone) étaient en 42CD4 trempé et nitruré (en bains de sels, à l’époque). Les vilebrequins des BMW modernes sont en 40CD4 nitruré. C’est donc un excellent acier pour cette application. On choisira impérativement une nuance avec une bonne propreté inclusionnaire car sans cette spécification on risque de se retrouver avec un matériau fabriqué en Asie de piètre qualité. Mieux vaut acheter plus cher un Thyssen ou un Aubert et Duval que moins cher un « Ischidsu », un « Savapété » un « Cétouniké »…

32CDV13 ou 32CrMoV13

Avec le 32CDV13, on entre dans un autre monde. Le 32CDV13, c’est l’acier des vilebrequins de Formule un, des prototypes du Mans, des motos de grand-prix et de quelques très bonnes voitures de rallye.  Pour les applications les plus dures on le choisira refondu sous vide, voire deux fois refondu sous vide (GKHW d’Aubert et Duval). Attention c’est un matériau très cher… Un lopin capable pour y tailler un vilebrequin de petite cylindrée coûte plus de 1000 Euros, hors taxes ! Mais on ne fabrique pas des moteurs de F1 avec du cochonium apauvri…

La nuance GKH de Chez A&D n’est pas refondue sous vide comme la nuance GKHW, mais plus abordable en termes de prix bien que ce soit un matériau de très bonne qualité.

Les GKH et GKHW ne forment pas de couche fragile lorsqu’ils sont nitrurés.

Caractéristiques du GKH trempé à 900-925 °C et revenu à 600 °C :

Rm : 1300 Mpa ; Re : 1100 MPa ; A% : 15 ;  Kcu : 70 J/cm².

Caractéristiques du GKH trempé à 900-925 °C et revenu à 660 °C (applications avec chocs) :

Rm : 1000 Mpa ; Re : 850 MPa ; A% : 20 ;  Kcu : 170 J/cm².

Aciers à outils

Comme leur nom l’indique, les aciers à outils sont plus spécialement destinés aux outillages industriels.  Moules, outillages de presse pour découpe ou emboutissage.

Certains peuvent avoir un intérêt pour faire des pièces de voiture de course bien que ce ne soit pas leur but initial.

On a l’habitude de les classer en fonction de leur usage : aciers pour travail à chaud et acier pour travail à froid. Les aciers pour travail à chaud ont en général une bonne résistance à la fissuration d’origine thermomécanique, alors que les aciers pour travail à froid se caractérisent par des duretés importantes avec des résiliences acceptables.

En sports mécaniques, le mécanicien amateur pourra être intéressé par les aciers dits indéformables parce que leur traitement thermique génère peu de déformations. Il s’agit donc pour nous de substituts des aciers pré-traités lorsque les performances de ceux-ci ne sont pas suffisantes. Le bénéfice que nous en attendons est de permettre la fabrication de pièces très dures et résistantes qui n’auront pas besoin d’être rectifiées après traitement. Nous conseillons ce type d’acier uniquement dans le cas de pièces axisymetriques. Typiquement des pièces de tournage ou de fraisage avec des formes simples : Cylindres, rondelles, dés, lardons, etc.

Nous ne présentons qu’un seul acier, le plus répandu, le Z160CDV12.

Z160CDV12 ou X160CrMoV12

Le Z160CDV12 est le plus connu des aciers dits indéformables. Ces aciers se déforment peu lors des traitements thermiques parce qu’ils ont la propriété d’être auto-trempant, c’est-à-dire de durcir (beaucoup) lors de leur refroidissement à l’air calme. Le refroidissement se faisant lentement, la martensite se forme de manière régulière ce qui induit des variations volumiques plus homogènes que dans le cas des autres aciers trempants.

On doit garder à l’esprit que des variations de volume se produiront. Les pièces gonfleront, mais de manière homogène ce qui limitera les distorsions. Il faut donc usiner « un peu plus petit » pour obtenir une pièce trempée « juste comme il faut ». Pour l’amateur cela signifie qu’il faut faire une pièce témoin et la traiter pour étudier la variation de volume afin de connaitre la sous-cote à usiner sur la série de vraies pièces « de course ».

Le Z160CDV12 se trouve quasiment partout. Typiquement c’est un excellent acier pour faire des lames de cisailles parce qu’on peut obtenir des tranchants très fins avec cet acier.

On l’achète à l’état recuit, on l’usine et on le trempe ou le fait tremper. On peut ensuite le faire nitrurer, mais c’est surtout utile pour les outillages. Nous ne connaissons pas d’application automobile où ce soit nécessaire.

Lors de la trempe de cet acier il faut éviter de le malmener.  La chauffe devra être progressive. Sinon, les déformations qu’on n’aura pas au refroidissement se produiront à la chauffe.

Chauffe en au minimum deux paliers  750°C puis 1030 °C. 

Refroidissement  à l’air calme.

Double ou triple revenu obligatoire à 500 °C.

L’acier traité aura des caractéristiques mécaniques d’un 100C6 traité, voire un peu plus (62HRc), mais la pièce sera beaucoup moins déformée qu’une pièce en 100C6. On pourra ainsi éviter une rectification indispensable avec le 100C6. Ainsi, on peut produire dans un délai très court une pièce de haute qualité, ce qui peut être très intéressant lorsqu’on constate une défaillance la veille d’une course.

Sauf cas particulier, nous ne voyons pas de réel intérêt à utiliser des aciers pour travail à chaud dans une auto de course. Pour les pièces très sollicitées thermomécaniquement (collecteurs d'échappement, pièces de turbocompresseurs, soupapes d'échappement) nous conseillons d'utiliser plutôt des superralliages qui en plus de mieux supporter les contraintes thermomécaniques surpassent les aciers pour travail à chaud au niveau de l'inertie thermochimique.  Les superralliages ne sont pas des aciers parce qu'ils contiennent moins de 50 % de fer. Ce sera l'objet d'un autre article, mais disons le tout de suite, la réalisation des  pièces qui nécessitent des superraliages est très rarement à la portée d'un mécanicien amateur, même très bien outillé et expérimenté. Savoir que ça existe, c'est bien, mais les mettre en œuvre, c'est une affaire de professionnel très spécialisé. Nombreux sont les usineurs qui ne parviennent pas à travailler ces matériaux particulièrement exigeants. Ils sont d'ailleurs surtout utilisés dans les moteurs d'avions ou de fusées et les centrales nucléaires.

Aciers résistant à la corrosion

Il s’agit des aciers dits inoxydables. L’inoxydabilité de ces aciers est obtenue en y incorporant au moins 13 % de chrome. En fonction de leur structure, on les classe dans différentes catégories : austénitiques, ferritiques, martensitiques, duplex, etc.

En général on utilise les inox austénitiques qui sont les plus courants. Les ferritiques ont l’avantage de pouvoir s’aimanter alors que les austénitiques ne sont pas ferromagnétiques. Les martensitiques ont l’avantage de prendre la trempe alors que les austénitiques ne durcissent que par écrouissage.

Il existe de très nombreuses nuances. Nous ne présenterons que quatre nuances austénitiques qui sont le plus couramment utilisées dans les voitures de course : AISI 304, AISI 316, AISI 303, Z40CNS25-20,

AISI 304

C’est l’acier inox le plus courant. La version 304L (low carbon) a une excellente aptitude au soudage alors que la version non-L peut se corroder au niveau des cordons de soudure pour des raisons que nous n’expliquerons pas ici. On a donc tout intérêt à acheter de 304L qui n’est pas plus cher que le 304 « ordinaire. »

Nous recommandons cet acier pour toutes les pièces qui ne doivent pas rouiller et qui travaillent à des températures élevées, mais inférieures à 400 °C (silencieux.)

Il se soude bien (304L, se polit bien, se met en forme facilement, mais s’usine assez mal à cause du nickel qu’il contient.

Attention, contrairement à ce qu’on croit souvent, l’inox 304 est nettement moins mécaniquement résistant que la plupart des aciers alliés.

A l’état de livraison, généralement recuit, on obtient :

Rm = 500-600 Mpa ; Re : 175-180 ; a% = 35

 L’écrouissage augmente significativement ces valeurs. Re peut doubler, mais en contrepartie,  A% sera divisé par 2 à l’écrouissage.

AISI 316

Comme le 304, le 316 existe aussi en version L (soudable.) Il est un petit peu plus cher, s’usine un petit peu mieux, mais reste quand même difficile à travailler. Il résiste mieux à la corrosion et c’est pour ça qu’il faut le préférer à 304L pour les collecteurs d’échappement souples de moteurs atmosphériques à (tubulures longues genre « spaguetti »). Pour les collecteurs très courts de moteurs suralimentés (comme ceux d’origine) nous conseillons d’utiliser plutôt un superalliage qui est moins sujet aux dilatations et se fissurera moins vite.

Il existe un 316 Ti, enrichi en titane et niobium dont la tenue en corrosion est un peu supérieure à celle du 316 L, mais nous préférons utiliser un inox réfractaire lorsque le 316 L est « un peu juste » parce que dans ce cas les 316 ont une tenue au fluage assez limitée . Nous, on veut que ça dure, alors les matériaux qui se déforment, on évite parce qu’on n’a pas envie de rectifier les plans de joint à chaque course, comme on le faisait avec les collecteurs d’origine des R5 turbo.

AISI 303

C’est un inox de décolletage. Très facile à usiner. Tenue en corrosion correcte, mais totalement inapte au soudage parce qu’il contient du soufre pour faciliter la fragmentation des copeaux lors de l’usinage. C’est typiquement l’inox des raccords vissés.

INOX réfractaire

Il existe une multitude d’inox réfractaires. Le plus courant est le Z40CNS25-20 (1.4848), connu en France sous le nom de" NS30"  (nom de la société Ugine.)  Il contient 25 % de chrome et 20 % de nickel. C’est aussi un inox austénitique. Il est beaucoup plus cher que le 316L , mais sa tenue à très haute température est excellente. Il se dilate aussi moins. Mais sa supériorité réside dans une résistance au fluage exceptionnelle. C’est un excellent matériau pour faire des collecteurs de moteurs suralimentés quand on n’a pas les moyens d’employer des superalliages (qui sont hors de prix…) Il peut convenir jusqu’à 980 °C. Entre 980 et 1030 °C, il faudra passer aux supéralliages. Au-dessus, aucun matériau ne pourra tenir toute la vie d’un moteur ; ça fera une course, peut-être deux…

Conclusion

Nous avons présenté un panel de quelques aciers parmi le très important choix qui existe. Chacun a ses avantages et inconvénients. Nous conseillons aux lecteurs de consulter les fiches matériaux que les aciéristes mettent à leur disposition avant d’acheter. Les bons aciéristes prennent beaucoup de précautions pour élaborer leurs aciers. Il convient de le mettre en œuvre en prenant aussi beaucoup de précautions. Le meilleur acier, qui aurait subi un traitement thermique ou thermochimique peut vite devenir un matériau aux performances médiocre. Il est du devoir du mécanicien de respecter le travail du sidérurgiste.

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