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Les aciers spéciaux repoussent leurs limites

GABRIEL SIMÉON

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Les aciers spéciaux repoussent leurs limites

GILLES AUCLAIR EN CHARGE DE LA R&D CHEZ ASCOMÉTAL

© D.R.

Voilà plus d'un siècle que ces aciers « augmentés » se sont installés dans notre environnement. Malgré leur âge vénérable, ces alliages de fer et de carbone que l'ajout d'autres éléments rend aptes à des usages exigeants continuent de s'améliorer. Tour d'horizon de ces métaux qui n'ont pas fini de nous étonner.

Y a-t-il encore de l'innovation dans le secteur des aciers spéciaux ? Serge Graffard, du Groupe de réflexion sur l'avenir de la métallurgie en France (Gramef) constitué de 35 experts, manque de s'étrangler en entendant la question. « Comment ça "encore" ? C'est un secteur qui innove beaucoup, et de façon permanente. Cette industrie est essentielle et elle est loin d'être en déclin ! »

Passés de l'artisanat à une production industrielle au début du XXe siècle, les aciers spéciaux ne sont plus aujourd'hui les premiers matériaux auxquels on pense lorsqu'on parle innovation, contrairement aux composites, aux céramiques ou aux alliages à base d'aluminium. À tort. « Les nouveautés dans ce domaine sont souvent cachées dans les produits, constate André Pineau, qui enseigne au Centre des matériaux de l'École des mines de Paris. Quand on regarde une voiture, peu de gens réalisent que la moitié des aciers qui la composent ont été mis sur le marché depuis moins de cinq ans. »

Une palette de 3 000 nuances pour les industriels

L'acier, qui reste le métal le plus utilisé au monde avec 95 % du tonnage annuel de métaux produits, est majoritairement constitué de fer auquel est ajouté moins de 2 % de carbone. Les aciers spéciaux répondent, eux, à une chimie spécifique qui se décline sous forme de nuances - ajout d'éléments à plus de 3 % de la masse totale comme le chrome, le nickel, le manganèse ou le silicium - et se destinent à des usages exigeants en termes de corrosion, de résistance à la température, de dureté, d'élasticité et de longévité. On les retrouve, dans les transmissions, les suspensions et le moteur des automobiles, le moteur et le train d'atterrissage des avions, les gazoducs, ou encore les outils de forge et d'usinage utilisés en mécanique industrielle. Certains spécialistes désignent également sous ce terme les aciers inoxydables, couramment utilisés en médecine ou comme équipements de cuisine. Avec plus de 3 000 nuances, il n'y a donc pas un acier, mais des aciers.

Dans l'aéronautique par exemple, où les deux groupes dominants, Airbus et Boeing, sont condamnés à innover pour se maintenir, on tend vers des appareils moins bruyants et plus économes en énergie. Les producteurs de matériaux à destination de ce secteur doivent donc s'adapter.

L'aéronautique pousse les aciéristes à innover

« Les avionneurs veulent se passer des aciers qui rouillent (non Inox) et des revêtements polluants comme le cadmium, tout en demandant des matériaux toujours plus résistants », observe Hubert Schaff, directeur de la R&D chez Aubert et Duval. Cette société est un acteur clé dans les aciers spéciaux en France, avec un chiffre d'affaires de 690 millions d'euros en 2011. Pour cette entreprise, innover, c'est d'abord adapter sa gamme de concepts existants pour répondre à de nouveaux besoins. Récemment introduite sur le marché, la version améliorée de la nuance ML340, destinée aux arbres des futurs moteurs d'avion de Snecma, a ainsi vu sa résistance mécanique accrue. Celle-ci est passée de 1 800 à 2300 mégapascals. « L'idée de départ était très simple, détaille Hubert Schaff. On a couplé deux modes de durcissement de l'acier utilisés pour deux alliages différents. Trouver la bonne combinaison s'est toutefois révélé être un défi ». Intérêt pour le motoriste : avec un acier plus résistant, il pourra réduire la taille de l'arbre de son moteur, ce qui améliorera l'aérodynamisme des avions.

« Nous avons également fait passer la résistance de la famille d'aciers MLX17 de 1200 à 1700 mégapascals, poursuit l'ingénieur. Le métal a cette fois été durci par des nano-précipités à base de nickel, auquel nous avons associé des composés à base de titane. Nous avons étudié toutes les combinaisons possibles pour déterminer les teneurs. Nous avons ensuite réalisé de petites coulées de 240 kg pour confirmer les résultats. » Un développement qui aura pris cinq ans à l'entreprise, auxquels s'ajoutent trois ans nécessaires à la qualification des nouveaux équipements par Airbus, le client final. « Les délais de rentabilité pour un tel programme s'étalent donc entre sept et dix ans », précise Hubert Schaff.

Côté automobile, les délais de conception sont plus courts : de deux à quatre ans en moyenne. « C'est un marché qui innove beaucoup et qui nous échappe si l'on répond cinq ans après la demande », explique Gilles Auclair, en charge de la R&D chez Ascometal. Au sein de cette société spécialisée dans les produits longs en aciers spéciaux, l'innovation incrémentale a également la part belle. La famille d'aciers Splitasco est ainsi devenue plus robuste. Ces métaux permettent de fabriquer des bielles sécables, ces pièces mécaniques que l'on peut « casser » pour faciliter leur association avec d'autres éléments. L'entreprise ciblait le marché de l'éolien. Or dans ce secteur, il est courant (et coûteux) d'utiliser des aciers très chargés en nickel. Ascometal propose donc désormais des nuances au sein desquelles l'élément à quasiment disparu.

« Pour garantir à nos clients des prix stables dans le temps, nous devons réduire la part d'éléments d'alliages dont les cours varient souvent. L'innovation est toujours tirée par le coût final du composant », décrypte Gilles Auclair. La tendance se confirme chez Ugitech (groupe Schmolz-Bickenbach), producteur spécialisé dans les inoxydables où l'on cherche surtout à réduire les coûts. Moins de nickel et de chrome dans les aciers, plus d'azote et autres éléments pour équilibrer.

Des formations de haut niveau doivent être préservées

Autre levier d'innovation : les procédés. Matriçage, forgeage, remplissage des lingots, solidification, refusion : les différentes étapes de fabrication sont optimisées en continu, grâce au développement des outils numériques, les partenariats entre industriels et le soutien de l'État. Le thixoforgeage, une nouvelle technique de mise en forme de l'acier à l'état semi-liquide, nettement moins gourmande en énergie que le forgeage, serait ainsi en cours d'industrialisation chez Ascometal.

Pour Hubert Schaff, d'Aubert et Duval, les défis restant à relever dans le secteur des aciers spéciaux consistent surtout à repousser les limites physiques des matériaux. « Plus ils sont durs, plus ils ont de mal à ne pas rompre brutalement en cas de microfissures. Et c'est très difficile de trouver des solutions pour y remédier. »

Des aciers restent donc à inventer, pour résister aux conditions drastiques. Par exemple celles des réacteurs nucléaires du futur. « On bute sur le fait qu'on ne sait pas quels seront les besoins. Du coup, les industriels n'investissent pas. Actuellement, seule une entreprise japonaise fabrique des produits permettant de travailler aux très hautes températures envisagées », déplore André Pineau. Autre préoccupation des professionnels du secteur : la capacité, à l'avenir, à mobiliser les connaissances scientifiques de haut vol nécessaires à l'élaboration de ces matériaux très techniques. Pour Serge Graffard, c'est le maintien de filières de formations métallurgiques de haut niveau qui permettra de garder la cadence en termes d'innovation.

LES MATÉRIAUX DE L'EXTRÊME

1. L'ACIER ULTRARÉSISTANT En cours d'amélioration, le MLX19, de la société Aubert et Duval, devrait être le premier acier de sa gamme à atteindre une résistance mécanique de 1900 mégapascals, contre 1 400 actuellement. Il sera testé en 2014. Si ces essais sont concluants, il équipera les trains d'atterrissage des futurs Airbus. 2. L'ACIER SÉCABLE La technologie Splitasco, brevetée par Ascometal il y a une dizaine d'années, permet de fabriquer des bielles dont la tête est séparable en plusieurs parties. Une approche qui minimise le besoin en acier de cette pièce mécanique peu exposée aux chocs. Récemment, la robustesse du métal a été augmentée en faisant varier sa composition chimique. 3. L'INOX « LOW COST » Chez Ugitech, société spécialisée dans les produits longs en acier inoxydable, l'accent est mis sur le développement de nuances moins coûteuses. Dans leur acier « lean duplex », les teneurs réduites en chrome et en nickel sont compensées par l'ajout d'autres éléments comme l'azote (jusqu'à 0,2 % en masse). Débouchés : ressorts et fixations pour bâtiment.

La nuance d'acier des avions de demain

Pour fabriquer l'arbre de son moteur Silvercrest à destination de l'aviation d'affaires, le motoriste Snecma a utilisé la dernière nuance de l'acier ML340 d'Aubert et Duval. Mécaniquement plus résistant, il permet de réduire les émissions de dioxyde de carbone de 15% et le bruit de 20 décibels par rapport aux normes actuelles. Sur notre site Internet, une vidéo présente ce moteur dont les essais ont débuté fin octobre.

GILLES AUCLAIR EN CHARGE DE LA R&D CHEZ ASCOMÉTAL «Nous poussons les matériaux dans leurs retranchements

Nous sommes sollicités par nos clients pour pousser les matériaux dans leurs retranchements. Aujourd'hui, l'offre d'aciers s'appuie sur une bonne connaissance des phénomènes physiques. Si l'on nous demande, par exemple, de travailler sur l'allégement de la structure d'une voiture, afin d'obtenir un dégagement minimal en dioxyde de carbone, nous étudions la possibilité d'optimiser la composition chimique d'une nuance d'acier existante. Et examinons notre capacité à rendre la chaîne de fabrication plus efficace, en enlevant par exemple une partie de l'usinage. L'idée est de toujours coupler inventivité et écoconception. Nous innovons aussi en l'absence de sollicitation externe, en collaboration avec des centres de recherche et des écoles, pour mieux répondre aux demandes des clients.

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