Classification des éléments résiduels
Les éléments résiduels dans l’acier sont classés en trois groupes en fonction de leur potentiel d’oxydation : les éléments entièrement retenus, les éléments partiellement retenus et les éléments minimalement retenus.
Les éléments entièrement retenus – Cu, Ni, Co, As, W, Mo, Sn, Sb – ont un potentiel d’oxydation inférieur à celui du fer. Ces éléments ne participent pas aux réactions d’oxydation lors de la fabrication de l’acier et sont presque entièrement retenus dans le produit final.
Les éléments partiellement retenus – S, P, Mn, Cr, C, H, N – ont des potentiels d’oxydation similaires à celui du fer. Lors de la fusion, seule une partie de ces éléments est oxydée et éliminée. Le degré d’élimination dépend des caractéristiques spécifiques de chaque élément.
Les éléments minimalement retenus – Pb, Zn, V, Ti, Si, Al, Zr, Mg, Ca, Nb – ont des potentiels d’oxydation plus élevés que le fer. Ces éléments sont préférentiellement oxydés lors de la fusion et pénètrent principalement dans la phase laitier, ne restant que de faibles quantités dans l’acier.
Sources d’éléments résiduels
Les éléments résiduels de l’acier proviennent principalement du minerai de fer et de la ferraille. Les minerais de fer contiennent souvent des éléments coexistants tels que V, Ti, P, As, Sn, Sb et des terres rares (Re), qui sont introduits dans l’acier lors de la fusion. Dans la fabrication de l’acier par procédé court, les principales sources d’éléments résiduels sont les ferrailles d’acier allié, l’acier revêtu ou plaqué (par exemple, à l’étain, au nickel, au cuivre, au chrome ou au zinc) et divers métaux non ferreux.
Parmi tous les éléments résiduels, le cuivre est présent en plus grande quantité, pénétrant principalement dans le four de fabrication de l’acier par l’intermédiaire des ferrailles automobiles. L’antimoine (Sb) et l’arsenic (As) proviennent principalement du minerai de fer primaire. Bien qu’ils puissent être dilués par l’ajout de ferraille propre, ils ont tendance à s’accumuler progressivement dans l’acier recyclé. L’hydrogène (H) et l’azote (N) sont principalement absorbés par l’atmosphère du four lors de la fabrication de l’acier. Leur teneur dépend à la fois de la composition de l’acier et du procédé de fabrication utilisé.
Ségrégation des éléments résiduels dans l’acier
La plupart des éléments résiduels présentent une forte tendance à la ségrégation. Cette ségrégation peut se produire lors de la solidification et lors des transformations ultérieures à l’état solide. Ces transformations nécessitent un temps de diffusion prolongé. Les éléments ségrégés peuvent entraîner la formation d’inclusions, créant des zones localisées plus dures que le reste du lingot. À l’état solide ou lors du traitement thermique, les éléments résiduels peuvent ségréger aux joints de grains. Ce phénomène contribue à la fragilisation des joints de grains, comme la fragilisation par revenu de type II dans les aciers alliés, généralement causée par la ségrégation de P, Sn, As et Sb.
Effets des éléments résiduels
Les éléments bénéfiques entièrement retenus tels que Ni, Co, W et Mo améliorent la trempabilité de l’acier. Le cuivre (Cu) joue un double rôle : il peut provoquer une fragilisation à chaud (fragilisation lors de l’usinage à haute température), mais il améliore également la résistance à la corrosion atmosphérique. Les éléments résiduels nocifs tels que Sn, As et Sb non seulement aggravent la fragilisation induite par le cuivre, mais contribuent également à la fragilisation par revenu de type II. Parmi eux, l’étain (Sn) est particulièrement néfaste, car il réduit considérablement les propriétés mécaniques à haute température des aciers et alliages.
Parmi les éléments partiellement retenus, le chrome (Cr) améliore la résistance à l’oxydation, la résistance à la corrosion et la trempabilité, mais augmente également la tendance à la fragilisation par revenu ; l’azote (N) aide à affiner la taille des grains d’austénite mais peut conduire au vieillissement sous contrainte de l’acier ; l’hydrogène (H) est un élément nocif qui provoque des défauts internes tels que des taches blanches et des fissures, en particulier dans les aciers faiblement alliés à haute résistance.
