Principales précautions à prendre lors de la conception de pièces en acier

Les métaux ferreux sont des matériaux largement recyclés. Près de la moitié de la production d’acier en Europe provient du recyclage des ferrailles et l’acier recyclé se retrouve dans des applications nobles telles que les pièces mécaniques ou le bâtiment.
Le tri des aciers conventionnels se fait généralement par aimantation de pièces déchiquetées après broyage du produit.
La présence d’éléments résiduels comme le cuivre, l’étain, d’éléments d’alliage comme le Chrome, Nickel , Manganèse, Molybdène ou de pièces en aluminium apporte de la complexité au recyclage, qui se traduit soit par une dégradation de l’acier (présence de cuivre ou d’étain), soit par une perte de matières premières (Nickel, chrome, Molybdène, Aluminium …)

Il conviendra donc d’éviter des associations étroites avec d’autres matériaux, en privilégiant les associations d’aciers de même nature, afin d’éviter des dégradations de l’acier recyclé ou des pertes de matières premières. Sinon, il faudra faciliter la séparation des matériaux par :

РUne identification pr̩alable et un d̩montage du produit ;

ou

– La séparation et le tri des matériaux lors d’une phase de broyage du produit.

Règles d’association des éléments d’alliages avec l’acier

Effets des éléments d’alliages :

Criticité :

• Rouge : Criticité forte, effets fortement nuisibles.
• Orange : Criticité moyenne, effets nuisibles.
• Vert : Criticité faible, pas d’effets nuisibles.

Eviter d’associer intimement l’acier avec le cuivre ou l’étain.

Le principal problème du recyclage de l’acier est dû à la présence de cuivre dans les ferrailles. Le cuivre réduit les propriétés mécaniques des aciers et ne peut être éliminé par des voies métallurgiques. Il a donc tendance à s’accumuler à chaque cycle de recyclage des ferrailles et pourrait à terme condamner l’utilisation noble des ferrailles.

Usinor Bernard Gros 2000. Accumulation du Cuivre dans les ferrailles

La principale action de conception sera donc d’éviter d’enchevêtrer des alliages de cuivre avec des métaux ferreux qui ne pourraient être séparés lors du broyage du produit (voir exemple de pièces ci-après).

Moteur avant et après passage au broyeur. L’armature en acier doux enferme le cuivre	Les ailettes en laiton de la pompe à eau se sont repliées et n’ont pas été séparées au moment du broyage (ductilité du laiton).

L’étain a le même effet de réduction des propriétés mécaniques de l’acier et ne peut pas être éliminé par voie métallurgique. Il convient donc d’éviter les associations avec l’acier (comme par exemple dans le cas des tôles étamées).
De plus, le cuivre et l’étain, des matières devenues rares, seront perdues définitivement.

Faciliter le démontage et l’identification des pièces en aciers spéciaux

D’autres éléments rares comme le Chrome ou le Nickel (aciers inoxydables), le Molybdène (aciers réfractaires), le Manganèse (aciers spéciaux) sont associés à de l’acier pour lui conférer des propriétés spécifiques. Les propriétés magnétiques utilisées pour trier l’acier pourront être modifiées par la présence d’éléments d’alliages (par exemple : les aciers Inox) et leur récupération par tri magnétique sera inefficace et nécessitera un tri manuel après broyage du produit. Compte tenu de la valeur de ces métaux, il conviendrait de pouvoir les démonter et de les trier avant le broyage final du produit (en attendant des techniques de tri spectroscopiques fiables après broyage). Il convient d’éviter d’associer étroitement ces matériaux ferreux avec d’autres métaux ferreux. Un marquage visuel au dos de la pièce stipulant le type d’alliage utilisé serait judicieux.
 

Prendre en compte les limites des procédés de broyage actuels

Le compresseur de réfrigérateur : un ensemble particulièrement difficile à recycler

Certaines pratiques de conception de pièces métalliques peuvent induire des problèmes de casse ou de maintenance des installations de recyclage, et induire des étapes supplémentaires de tri.

Cas des fortes épaisseurs de tôles ou de pièces massives

Les pièces en tôle d’épaisseurs supérieurs à quelques dixièmes de millimètre ou la présence de pièces massives en acier dans des produits tels que des moteurs (machine à laver, compresseurs de réfrigérateur ou gros boulons, rotules) risquent d’entrainer une détérioration des installations classiques de broyage et nécessiteraient l’usage de broyeurs à marteaux de type broyeur automobile, d’une puissance de plusieurs centaines de CV. Il convient donc d’éviter dans la fabrication de PAM ou de GEM la présence de grosses pièces en acier qui risque de détériorer les broyeurs.

Métaux lourds et propreté des ferrailles

La présence de plastiques dans les ferrailles, les revêtements plastiques de pièces tels que films, peintures ou adhésifs, les huiles ou autres produits organiques génèrent un surcroît de pollution qui oblige les producteurs à surdimensionner le captage des fours électriques et donc génère des coûts économique et écologique supplémentaires. D’un point de vue conception, afin de faciliter la vidange des fluides, il serait opportun de réaliser des réservoirs ou des carters avec un point bas. Un bouchon de vidange pourra être ajouté, ou par défaut un marquage du point bas du carter qui permettrait à l’opérateur de percer le carter au bon endroit pour faire la vidange. Il faudra également éviter d’associer étroitement aux pièces métalliques des matériaux plastiques ou des revêtements organiques, ou des revêtements contenant des métaux lourds (Pb, Cd, Cr hexavalent, etc.).

Synthèse

Les principes de conception des pièces en acier peuvent être synthétisés par les recommandations suivantes (non exhaustives) :

• Eviter d’associer intimement des pièces en acier avec des alliages cuivreux ou des revêtements ou pièces à base d’étain. Dans le cas contraire, penser à des voies de conception non encapsulantes pour le cuivre ou l’étain et utiliser des matériaux ferreux de plus grande fragilité que le cuivre.
• Eviter de mettre au sein d’un même produit différentes qualités d’aciers spéciaux. Penser au démontage et marquage par type d’alliage pour les grandes pièces en aciers spéciaux.
• Eviter les pièces massives qui endommageraient les broyeurs.
• Eviter des associations étroites de matériaux ou de revêtements à base de plastique/élastomère avec des pièces métalliques.
• Eviter les traitements de surface amenant des métaux lourds.

Références

– B. Castro, H. Remmerswaal, U. Boin and M.A. Reuter (2004): A thermodynamic approach to the compatibility of materials combinations for recycling. Resources, Conservation and Recycling, Vol. 43(1), pp. 1-19 – anglais

– M.A. Reuter and A. van Schaik (2008): Thermodynamic Metrics for Measuring the “Sustainability” of Design for Recycling. Journal of Metals, Vol. 60(8), pp. 39-46. – anglais