Les phases non métalliques, telles que les oxydes, sulfures et nitrures, qui ne peuvent être éliminées après usinage ou traitement thermique, et qui sont produites ou mélangées lors de la fusion et du moulage, sont collectivement appelées inclusions non métalliques, également appelées inclusions. Bien que Fe, Mn, Cr, Al et Ti soient des éléments métalliques, ils perdent leurs propriétés métalliques après formation de composés avec O, S et N. Les inclusions non métalliques dans l’acier désignent principalement ces composés. Leur présence altère la continuité de la matrice, rend la structure de l’acier irrégulière et affecte ses diverses propriétés. Cependant, elle présente des avantages : elle permet de contrôler la granulométrie intrinsèque, de produire un durcissement par précipitation et d’améliorer les performances de coupe.
Sources d’inclusions non métalliques
Les sources d’inclusions non métalliques dans l’acier sont principalement les suivantes :
- Polluants dans les matières premières. Les polluants dans les matières premières sont principalement des impuretés présentes dans l’acier ou les ferroalliages, des gangues dans les minerais, etc.
- Produits de réaction lors de la fusion et de la coulée. Les produits de réaction de l’acier en fusion dans le four, la poche de coulée et la coulée sont les principales sources d’inclusions non métalliques dans l’acier.
- Inclusions apportées par les matériaux réfractaires. Les matériaux réfractaires utilisés pour la fabrication de l’acier contiennent des oxydes de Mg, Ca, Si, Al et Fe. De la fusion au four, du soutirage à la coulée, l’acier en fusion doit entrer en contact avec les matériaux réfractaires, ce qui entraîne une température élevée, une érosion chimique et un décapage mécanique des matériaux réfractaires. Généralement, le MgO dans l’acier représente plus de 5 % du total des inclusions, principalement de ce type.
- Inclusions de gouttes de laitier émulsifié. Outre le soutirage excentrique ou en fond de four, le mélange du laitier et de l’acier pendant le soutirage est fréquent. Parfois, ce mélange est également souhaité pour une désoxydation et une désulfuration plus poussées ; si le travail d’adhérence est important, le laitier et l’acier sont difficiles à séparer, et des inclusions de gouttes de laitier émulsifié apparaissent facilement dans l’acier.
- Autres sources d’inclusions dans l’acier. Lors du coulage et de la coulée, le dessus du couvercle du four, la cuve de coulage ou la poche de coulée ainsi que le système de coulée ne sont pas nettoyés. Le mélange mécanique de diverses particules de poussière favorise également la formation d’inclusions dans le cylindre. De plus, le film d’oxyde ou laitier protecteur qui apparaît à la surface de l’acier en fusion pendant le coulage présente une densité élevée, un point de fusion élevé ou une faible capacité à capturer et à adsorber les inclusions, ce qui augmente également la présence de grosses particules dans l’acier. Par conséquent, lors de la production d’acier pour four électrique, afin de réduire la teneur en inclusions, il est essentiel de s’efforcer de nettoyer soigneusement tous les aspects de l’acier.
Classification des inclusions non métalliques
Classification selon la composition des inclusions
- Inclusions d’oxydation. Les oxydes simples comprennent FeO, Fe₂O₃, MnO, SiO₂, Al₂O₃, Cr₂O₃ et TiO₂ ; les oxydes complexes comprennent les spinelles et divers aluminates de calcium.
- Inclusions de sulfures. Il s’agit principalement de sulfures de fer FeS et de manganèse MnS et de leurs solutions solides (Mn·Fe)S. On trouve également du sulfure de calcium CaS. L’ajout de terres rares à l’acier peut produire des sulfures de terres rares correspondants. Dans l’acier allié, on trouve parfois des sulfures contenant des éléments d’alliage de cet acier.
- Inclusions de nitruration. Lorsque des éléments tels que Al, Ti, Nb, V et Th, ayant une forte affinité pour l’azote, sont ajoutés à l’acier, les nitrures correspondants sont générés. On considère généralement les nitrures insolubles ou quasi insolubles dans l’austénite et formant leurs propres formes fixes dans l’acier comme des inclusions de nitrures. TiN est le plus courant, tandis que l’AlN est fin et dispersé, et présente de nombreux avantages dans l’acier, et n’est généralement pas considéré comme une inclusion.
- Inclusions de phosphate. Le phosphore est très soluble dans le fer, mais la teneur en phosphore de l’acier pour four électrique est très faible. Les inclusions contenant du phosphore sont généralement invisibles et n’apparaissent qu’occasionnellement dans l’acier à haute teneur en manganèse.
