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Introduction à la Fonte: Historique, Types, Propriétés et Utilisations

La fonte a de nombreuses applications uniques dans le milieu commercial et industriel

June 26, 2018

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Pièces en fonte dans une fonderie
La fonte a une excellente coulabilité grâce à la combinaison de teneur en carbone élevée et de silicium.

La présence du fer dans la vie quotidienne a débuté vers 1200 AEC, englobant un large éventail d’utilisations allant de l’outillage agricole aux armes de guerre. Les forgerons sont devenus un métier crucial, travaillant avec le fer pour changer ses propriétés et façonner le matériau en outils. Chaque village et ville disposait d’un commerce de forgerons, où étaient fabriqués des faucilles, des socs, des clous, des épées, des chandeliers et bien plus encore.

La découverte de la valeur du fer a conduit à ce que l’on a appelé l’Âge de Fer, en raison de la prédominance de ce matériau dans les applications sociales et militaires. Une autre étape importante pour les métaux suivrait ensuite—la Révolution Industrielle a changé la façon dont les métaux étaient produits et transformés en produits, incluant le fer.

Types de fer

Il existe deux principaux types de fer produits: fer forgé et en fonte. Parmi ceux-ci, la fonte comprend sa propre famille de métaux.

Fer forgé

Le premier type de fer produit et travaillé par les forgerons était le fer forgé. C’est du fer élémentaire (Fe) pratiquement pur qui est chauffé dans une fournaise avant d’être forgé (travaillé) avec des marteaux sur une enclume. Le martelage du fer expulse la majeure partie des déchets du matériau et soude les particules de fer ensemble.

Durant la révolution industrielle et de l’accélération des activités de construction associée, une nouvelle utilisation du fer forgé a été découverte. Sa grande résistance à la traction (résistance à la rupture sous tension) en fait un matériau idéal pour les poutres de grands projets de construction tels que les ponts et les gratte-ciels. Cependant, l’utilisation du fer forgé à cette fin a été largement abandonnée au début du 20ème siècle, lorsque les produits en acier ont été développés avec des performances supérieures à celles du fer pour les applications de construction.

Le fer forgé est devenu célèbre pour les pièces décoratives. Les Églises des 15ème et 16ème siècles contiennent de belles pièces en fer forgé produites par des artisans de talent. Dans le monde moderne, les garde-corps, les portes et les bancs sont encore fabriqués en fer forgé en tant que pièces sur mesure.

Fonte

La fonte est produite en fondant des alliages fer-carbone ayant une teneur en carbone supérieure à 2%. Après la fusion, le métal est versé dans un moule. La principale différence de production entre le fer forgé et la fonte est que la fonte n’est pas travaillée avec des marteaux et des outils. Il existe également des différences dans la composition—la fonte contient de 2–4% de carbone et autres alliages et 1–3% de silicium, qui améliore les performances de coulée du métal en fusion. De petites quantités de manganèse et certaines impuretés comme le soufre et le phosphore peuvent également être présentes. Les différences entre le fer forgé et la fonte peuvent également être trouvées dans les détails de la structure chimique et des propriétés physiques.

Bien que l’acier et la fonte contiennent des traces de carbone et semblent similaires, il existe des différences significatives entre les deux métaux. L’acier contient moins de 2% de carbone, ce qui permet au produit final de se solidifier dans une seule structure microcristalline. La teneur en carbone plus élevée de la fonte signifie qu’elle se solidifie en tant qu’alliage hétérogène et qu’elle contient donc plus d’une structure microcristalline.

C’est la combinaison de la haute teneur en carbone et de la présence de silicium qui confère à la fonte son excellente coulabilité. Différents types de fontes sont produits en utilisant différentes techniques de traitement thermique et de traitement, incluant la fonte grise, le fer blanc, la fonte malléable, la fonte ductile et la fonte à graphite compacté.

Un pont gris en fonte avec des fleurs et autres décorations, à Central Park
Les détails de conception en fonte sont produits en fondant du métal et en le versant dans un moule.
Fer gris

La fonte grise est caractérisée par les molécules de graphite en forme de flocons dans le métal. Lorsque le métal est fracturé, la rupture se produit le long des flocons de graphite, ce qui lui donne la couleur grise sur la surface du métal fracturé. Le nom fer gris vient de cette caractéristique.

Il est possible de contrôler la taille et la structure matricielle des flocons de graphite pendant la production en ajustant la vitesse et la composition du refroidissement. La fonte grise n’est pas aussi flexible que les autres formes de fonte et sa résistance à la traction est également inférieure. Cependant, il s’agit d’un meilleur conducteur thermique et d’un niveau d’amortissement des vibrations plus élevé. Sa capacité d’amortissement est 20–25 fois supérieure à celle de l’acier et supérieure à celle de toutes les autres fontes. La fonte grise est également plus facile à usiner que les autres fontes, et ses propriétés de résistance à l’usure en font l’un des produits en fonte les plus volumineux.

Fer blanc

Avec la bonne composition en carbone et une vitesse de refroidissement élevée, les atomes de carbone se combinent au fer pour former du carbure de fer. Cela signifie qu’il y a peu ou pas de molécules de graphite libre dans le matériau solidifié. Lorsque le fer blanc est cisaillé, la face fracturée apparaît blanche en raison de l’absence de graphite. La structure microcristalline de cémentite est dure et délicate avec une résistance à la compression élevée et une bonne résistance à l’usure. Dans certaines applications spécialisées, il est souhaitable d’avoir du fer blanc à la surface du produit. Cela peut être réalisé en utilisant un bon conducteur de chaleur pour faire partie du moule. Cela va tirer la chaleur du métal en fusion rapidement de cette zone spécifique, tandis que le reste de la coulée se refroidit à un rythme plus lent.

Une des qualités les plus populaires de fer blanc est le fer Ni-Hard. L’ajout de chrome et d’alliages de nickel donne à ce produit d’excellentes propriétés pour des applications d’abrasion glissantes à faible impact.

Les fers blancs et les fers ni-hard appartiennent à une classification d’alliages appelée ASTM A532; la “Spécification Standard pour les Fontes Résistantes à l’Abrasion“.

Fer malléable

Le fer blanc peut être transformé en fer malléable par un traitement thermique. Un processus étendu de chauffage et de refroidissement entraîne la décomposition des molécules de carbure de fer, libérant des molécules de graphite libres dans le fer. Différentes vitesses de refroidissement et l’ajout d’alliages produisent un fer malléable à structure microcristalline.

La fonte ductile (Fer nodulaire)

La fonte ductile, ou fer nodulaire, obtient ses propriétés spéciales par l’addition de magnésium dans l’alliage. La présence de magnésium entraîne la formation de sphéroïde dans le graphite, contrairement aux éclats de fer gris. Le contrôle de la composition est très important dans le processus de fabrication. De petites quantités d’impuretés telles que le soufre et l’oxygène réagissent avec le magnésium, affectant ainsi la forme des molécules de graphite. Différentes qualités de fonte ductile se forment en manipulant la structure microcristalline autour du sphéroïde en graphite. Ceci est réalisé par le procédé de moulage ou par traitement thermique, en tant qu’étape de traitement en aval.

Fer graphite compacté

La fonte à graphite compacté a une structure en graphite et des propriétés associées qui sont un mélange de fer gris et blanc. La structure microcristalline est formée autour de flocons effilés de graphite qui sont interconnectés. Un alliage, tel que le titane, est utilisé pour supprimer la formation de graphite sphéroïdal. La fonte à graphite compacté présente une résistance à la traction supérieure et une ductilité améliorée comparativement à la fonte grise. La structure et les propriétés microcristallines peuvent être ajustées par traitement thermique ou par l’ajout d’autres alliages.

Résumé des compositions en fonte

Un tableau développé par le Manuel de l’Ingénieur montre les différentes plages de composition pour les différents types de fonte:

Gamme de compositions pour fontes non alliées typiques Valeurs en pourcentage (%)
Type de Fer
Carbone
Silicium
Manganèse
Soufre
Phosphore

Gris

2.5 – 4.0

1.0 – 3.0

0.2 – 1.0

0.02 – 0.25

0.02 – 1.0

Ductile

3.0 – 4.0

1.8 – 2.8

0.1 – 1.0

0.01 – 0.03

0.01 – 0.1

Graphite compacté

2.5 – 4.0

1.0 – 3.0

0.2 – 1.0

0.01 – 0.03

0.01 – 0.1

Malléable (Blanc Coulé)

2.0 – 2.9

0.9 – 1.9

0.15 – 1.2

0.02 – 0.2

0.02 – 0.2

Blanc

1.8 – 3.6

0.5 – 1.9

0.25 – 0.8

0.06 – 0.2

0.06 – 0.2

Propriétés mécaniques de la fonte

Les propriétés mécaniques d’un matériau indiquent comment il réagit sous des contraintes spécifiques, permettant ainsi de déterminer son accoutumance à différentes applications. Les spécifications sont définies par des organisations telles que l’Association Américaine d’Essais et de Matériaux (ASTM) afin que les utilisateurs puissent acheter des matériaux en toute confiance, en sachant qu’ils répondent aux exigences de leur application. La spécification de fonte grise la plus utilisée est la norme ASTM A48.

Afin de qualifier les produits coulés selon leurs spécifications, une pratique courante consiste à mouler une barre de test avec les pièces moulées. Les tests de l’ASTM sont ensuite appliqués à cette barre de test et les résultats sont utilisés pour qualifier le lot entier de pièces coulées.

Les spécifications sont également importantes lors du soudage de pièces en fonte. La soudure doit rencontrer ou surpasser les propriétés mécaniques du matériau à souder—sinon, des fractures et des défaillances peuvent se produire.

une personne qui porte un masque de soudeur travail sur un pièce de métal
Lors du soudage, il faut que la soudure atteigne les propriétés mécaniques du métal pour éviter les défaillances.

Quelques propriétés mécaniques communes pour la fonte comprennent:

  • Dureté – résistance du matériau à l’abrasion et à la dentelure
  • Solidité – capacité du matériau à absorber de l’énergie
  • Ductilité – capacité du matériau à se déformer sans fracture
  • Élasticité – capacité du matériau à reprendre ses dimensions d’origine après sa déformation
  • Malléabilité – capacité du matériau à se déformer sous compression sans se fracasser
  • Résistance à la traction – la plus grande contrainte longitudinale qu’un matériau peut supporter sans se déchirer
  • Résistance à la fatigue – la contrainte maximale qu’un matériau peut supporter pendant un nombre de cycles donné sans se casser

Ce tableau résume certaines des propriétés mécaniques fondamentales pour différentes qualités de fonte. Pour plus d’informations, consultez “Alliages de fer”, un excellent document de référence de l’Association de Fonderie Américaine.

Dureté Brinell
Résistance à la Traction
Module d'Élasticité
% D'Allongement (en 50 mm)

Fer gris classe 25

187

29.9 ksi

16.1 Msi

Fer gris classe 40

235

41.9 ksi

18.2 Msi

Teneur en fonte ductile 60-40-18

130 – 170

60 ksi

24.5 Msi

Teneur en fonte ductile 120-90-02

240 – 300

120 ksi

25.5 Msi

Grade CGI 250

179 max

36.2 ksi min

3

Grade CGI 450

207 – 269

65.2 ksi min

1

Applications communes de la fonte

Les différentes propriétés des différents types de fonte font que chaque type convient à des applications spécifiques.

Applications du fer gris

L’une des caractéristiques clés de la fonte grise est sa capacité à résister à l’usure même lorsque l’alimentation en lubrifiant est limitée (ex: les parois supérieures du cylindre dans les blocs-moteur). La fonte grise est utilisée pour fabriquer des blocs-moteur et des culasses, des collecteurs, des brûleurs à gaz, des ébauches d’engrenages, des boîtiers et des coffrets.

Applications du fer blanc

Le processus de refroidissement utilisé pour fabriquer du fer blanc donne un matériau cassant très résistant à l’usure et à l’abrasion. Pour cette raison, il est utilisé pour fabriquer des revêtements de moulins, des buses de grenaillage, des patins de freins de chemin de fer, des boîtiers de pompes à boues, des cylindres de laminoirs et des broyeurs.

Le fer Ni-Hard est spécifiquement utilisé pour les battoirs de mélangeur, les tarières et les matrices, les plaques de revêtement pour les broyeurs à boulets, les goulottes de charbon et les guide-fils pour le tréfilage des fils.

Moulages de couleur rouge pour pompe de remblaie
Le fer blanc résistant à l’abrasion est utilisé pour produire une variété de pièces de machines telles que les boitiers de pompe de remblaie.

Applications pour la fonte ductile

La fonte ductile elle-même peut être divisée en différentes qualités, chacune avec ses propres spécifications de propriété et les applications les plus appropriées. Il est facile à usiner, offre une bonne résistance à la fatigue et à la déformation, tout en restant résistant à l’usure. Sa caractéristique la plus connue par contre est la ductilité. La fonte ductile peut être utilisée pour fabriquer des fusées d’essieux, des charrues, des vilebrequins, des engrenages robustes, des composants de suspension pour automobiles et camions, des composants hydrauliques et des charnières de portes automobiles.

Applications pour la fonte malléable

Différentes qualités de fonte malléable correspondent à différentes structures microcristallines. Les caractéristiques spécifiques qui rendent la fonte malléable attrayant sont sa capacité à retenir et à stocker les lubrifiants, les particules d’usure non abrasives et la surface poreuse qui retient d’autres débris abrasifs. La fonte malléable est utilisée pour les surfaces portantes lourdes, les chaînes, les pignons, les bielles, les composants de transmission et les essieux, le matériel roulant ferroviaire et les machines agricoles et de construction.

Applications de la fonte à graphite compacté

La fonte à graphite compacté commence à prendre sa place dans les applications commerciales. La combinaison des propriétés du fer gris et du fer blanc crée un produit à haute résistance et à haute conductivité thermique – adapté aux blocs et cadres de moteurs diesel, aux chemises de cylindres, aux disques de freins pour trains, collecteurs d’échappement et plaques à engrenages dans les pompes à haute pression.

Usinage et finition

Les propriétés de dureté de la fonte exigent une sélection rigoureuse des matériaux de la machine-outil. Les carbures revêtus sont efficaces dans les environnements d’usinage de production, mais les nouveaux matériaux sont développés en permanence au fur et à mesure de l’amélioration de la technologie.

La finition de surface des produits en fonte varie considérablement selon l’utilisation. Voici quelques applications courantes:

  • Galvanoplastie
  • Trempage à chaud
  • Pulvérisation thermique
  • Revêtement de diffusion
  • Revêtement de conversion
  • Émaillage de porcelaine
  • Revêtement organique liquide
  • Revêtement organique en poudre sèche

La fonte et l’avenir

Depuis son utilisation il y a plus de 3 000 ans, le fer est resté une partie intégrante de la société humaine. La production de fer a amplement évolué depuis les siècles de travail du fer par les forgerons jusqu’à l’invention de la fonte durant l’ère industrielle.

Depuis ce temps, le fer forgé est devenu largement obsolète à l’exception des utilisations décoratives. Par contre, la fonte progresse toujours en termes de composition, de microstructure et de propriétés mécaniques—continuant à faire ses preuves dans le monde moderne.

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