Aluminium vs acier en usinage CNC : coût et performance

Aluminium vs acier en usinage CNC : coût et performance

L'aluminium et l'acier sont les deux réponses par défaut à « de quel matériau cette pièce doit-elle
être », et la plupart des plans en choisit un sans expliquer pourquoi. En version courte :
l'aluminium gagne au poids, sur le coût d'usinage et sur tout ce qui doit être soudé ; l'acier
gagne à l'usure, à la rigidité à faible épaisseur et sur tout ce qui doit être dur. La seule
différence de densité — 2.70 g/cm³ contre 7.85 g/cm³, soit un facteur d'environ 2.9 — tranche à
elle seule un nombre Capricieux de plans.

Cet article met les nuances courantes côte à côte et vous donne les règles de décision.

La réponse courte

• Choisissez l'aluminium quand la pièce est sensible au poids, doit être soudée, doit survivre à un
  milieu humide ou corrosif, ou est simplement une pièce à grande série où le temps de cycle et le
  coût d'outillage dominent. 6061-T6 est le choix par défaut et couvre la plupart des besoins.
• Choisissez l'acier quand la pièce encaisse les chocs, s'use contre une autre surface, doit être
  dure ou résistante sur une petite section, ou se trouve près d'une source de chaleur. 1045 pour
  les arbres et supports généraux, 4140 pour les pièces qui nécessitent un traitement thermique,
  4340 quand la charge est élevée.
• Ne jugez pas sur la seule résistance. Divisez la résistance à la traction par la densité et
  le classement change : 6061-T6 atteint environ 115 MPa par g/cm³, alors que même 4340 — l'acier
  malléable le plus résistant du tableau ci-dessous — atteint environ 95. L'aluminium présente un
  meilleur rapport résistance/poids sur presque toutes les nuances.
• En dureté et en résistance à l'usure, l'acier n'a pas de réponse. L'aluminium plafonne
  autour de 95–150 HB ; 4140 et 4340 peuvent être traités thermiquement jusqu'à 38 et 50 HRC, et le
  D2 jusqu'à 62 HRC.

Comparaison des propriétés

Les chiffres ci-dessous sont les valeurs déjà publiées sur les pages matériaux de ce site, vous
pouvez donc vérifier chacune d'elles sur sa propre page de détail.

Une réserve sur les valeurs de l'acier : les valeurs de traction de 1045, 4140 et 4340 sont
données à l'état recuit, tandis que celles de l'aluminium sont dans leur état d'emploi (T6, H32).
L'acier traité thermiquement monte nettement au-dessus de la valeur recuite — un 4340 trempé et
revenu à 50 HRC est bien plus résistant que les 745 MPa du tableau. La comparaison reste honnête
comme point de départ, mais ne l'utilisez pas comme admissibles de calcul.

Résistance spécifique : où l'aluminium gagne

Le calcul utile est la résistance à la traction divisée par la densité. Il indique la charge
qu'une masse donnée de matériau peut supporter, ce qui est précisément ce qui intéresse une
conception sensible au poids.

Nuance	Traction (MPa)	Densité (g/cm³)	Résistance spécifique à la traction (MPa par g/cm³)
6061-T6	310	2.70	114.8
6082-T6	340	2.71	125.5
2024-T4	469	2.78	168.7
7075-T6	572	2.81	203.6
1045	585	7.85	74.5
4140	655	7.85	83.4
4340	745	7.85	94.9

Deux résultats méritent qu'on s'y arrête. D'abord, 6061-T6 bat en rapport résistance/poids toutes
les nuances d'acier de ce tableau. Ensuite, 1045 — l'acier au carbone le plus courant en
atelier — a une résistance spécifique d'environ 75, à peine au-dessus du 5052-H32 à 72, le type
d'aluminium le plus faible du tableau.

Cela ne fait pas de 1045 un mauvais choix. Cela en fait un choix guidé par la rigidité, l'usure et
le coût, pas par la résistance au kilo.

Où l'acier gagne

Il y a quatre cas où l'aluminium est la mauvaise réponse, et aucun n'a trait à voir avec le poids.

1. Usure contre une autre surface. Une douille, un arbre, une plaque d'usure ou une face de
   joint a besoin de dureté. L'aluminium ne tient pas une arête ; le 4140 à 38 HRC ou le 4340 à
   50 HRC si.
2. Petites sections fortement chargées. L'aluminium demande environ deux fois la section de
   l'acier pour reprendre la même charge. Si la géométrie est imposée par autre chose — une pièce
   d'accouplement, un boîtier, une bride standard — il n'y a peut-être pas la place pour une
   section d'aluminium plus épaisse.
3. Chocs et impacts. L'aluminium a une ténacité à la rupture bien plus faible et il se déforme
   avant de rompre. L'acier se déforme et tient.
4. Chaleur. L'acier encaisse bien mieux la température. Pour une pièce voisine d'un four, d'un
   moule ou d'un moteur, l'aluminium est la mauvaise famille de matériaux.

Coût d'usinage : ce qui fait vraiment le prix

Le prix de la matière est généralement la plus petite moitié du devis. Ces quatre postes sont
généralement la plus grande moitié.

• Temps de cycle. L'aluminium est classé « Excellente » en usinabilité sur les pages matériaux
  de ce site, et le 1045 et le 4140 seulement « Bonne ». En pratique, une pièce en aluminium de
  même géométrie tourne plus vite et peut souvent tourner à des vitesses d'avance plus élevées.
• Durée de vie de l'outil. L'aluminium est bien plus doux pour les plaquettes. Le 7075-T6, encore
  classé « Bonne », coupe plus dur et use nettement plus vite l'outillage. C'est la raison la plus
  fréquente pour laquelle une pièce en 7075 finit par coûter plus cher que ne le laissait prévoir
  le devis en 6061.
• Opérations secondaires. L'aluminium se soude et s'anodise ; l'acier demande souvent un
  préchauffage avant soudage et un décapage ou une passivation après. Ce sont des frais de
  réglage distincts.
• Ébavurage et finition. Un matériau plus tendre et plus ductile produit des bavures
  différentes et demande souvent plus de travail manuel ou une autre stratégie d'ébavurage.

L'acier n'est pas plus cher à usiner dans tous les cas. Le 4340 et le D2 sont classés « Moyenne » et
« Mauvaise » en usinabilité — le D2 spécialement à cause de ses carbures abrasifs — et ces nuances
coûteront plus cher en temps de cycle que le 6061. La combinaison coûteuse n'est pas « l'acier » ;
c'est « un acier à outils dur, abrasif, avec des tolérances serrées ».

Un ordre de décision que vous pouvez suivre

Quand un plan arrive sur votre bureau, posez ces questions dans cet ordre :

1. La pièce frotte-t-elle contre une autre surface ou a-t-elle besoin d'une arête dure ? Oui →
   acier, et choisissez l'état selon l'exigence d'usure plutôt que selon le prix.
2. La pièce est-elle critique en poids ou manipulée beaucoup ? Oui → aluminium, et vérifiez que
   l'épaisseur reste usinable.
3. Y a-t-il un soudage ? Si oui et que la pièce est en aluminium, la réponse est 6061 ou 6082.
   Si la pièce doit être en acier, le 1045 se soude sans préchauffage ; le 4140 et le 4340 en
   ont besoin.
4. Est-elle proche d'une source de chaleur ou doit-elle survivre à un impact ? Oui → acier.
5. Rien de tout cela ? → 6061-T6. C'est le chemin le moins cher vers une pièce finie dans la
   plupart des cas.
   

   

Comment nous vous aidons dans ce choix

La sélection du matériau est une étape fixe de la revue DFM que nous menons entre la réception
d'un plan et le retour d'un devis. Nos ingénieurs vérifient :

• si le plan indique l'alliage et l'état. « Pièce en acier » n'est pas une spécification ; le
  1045 et le 4340 sont deux produits différents, avec des prix et des délais différents ;
• si la finition de surface et le matériau concordent. L'anodisation ne concerne que l'aluminium,
  et l'anodisation dure sur du 7075 ajoute des contraintes résiduelles qui doivent être prises en
  compte ;
• si le traitement thermique est réellement nécessaire ou s'il a été recopié d'un ancien plan.
  C'est l'un des postes les plus coûteux d'un devis en acier, et souvent il est inutile ;
• le plan d'outillage et de temps de cycle, qui est généralement ce qui transforme « l'aluminium est
  moins cher » en un chiffre comparable à l'alternative en acier.

Si vous avez une pièce dont le choix du matériau est encore ouvert, envoyez-nous le fichier et nous
vous retournerons un devis pour les deux options, afin que vous puissiez les comparer sur la même
base.

Les valeurs de propriétés sont des chiffres types issus de manuels publics de matériaux
(ASM/MatWeb) et des pages matériaux de ce site. Les valeurs réelles varient selon la forme du
produit, l'état et le lot. Basez vos décisions d'ingénierie sur la spécification de matériau que vous
detenez et sur des données mesurées, pas sur ce seul tableau.