La Fonte Expliquée : Définition, Propriétés et Applications

Qu'est-ce que la Fonte ?

La fonte est un groupe d'alliages fer-carbone contenant une teneur en carbone supérieure à 2 à 4 pour cent. Elle contient également des quantités variables de silicium (1 à 3 % en poids) et de manganèse, ainsi que des traces d'impuretés comme le soufre et le phosphore. La fonte est obtenue par réduction du minerai de fer dans un haut fourneau.

Le fer liquide est coulé et solidifié en lingots bruts appelés « gueuses », qui sont ensuite refondus avec de la ferraille et des éléments d'alliage dans des fours à cubilot, puis coulés dans des moules pour produire une variété de produits.

Les éléments d'alliage influencent la couleur de la fracture : la fonte blanche présente des impuretés de carbure qui facilitent la propagation des fissures ; la fonte grise contient des lamelles de graphite qui dévient les fissures et en initient d'innombrables nouvelles lors de la rupture ; la fonte ductile possède du graphite sphéroïdal (« nodules ») qui stoppe la fissure et empêche sa progression.

À l'exception de la fonte malléable, la fonte a tendance à être fragile. Grâce à son point de fusion relativement bas, sa bonne fluidité, son aptitude au moulage, son excellente usinabilité, sa résistance à la déformation et à l'usure, la fonte est devenue un matériau d'ingénierie aux applications très étendues.

On l'utilise pour les tuyaux, les machines et les pièces automobiles telles que les culasses, les blocs-cylindres et les boîtes de vitesses. Elle résiste à l'oxydation mais est difficile à souder.

De quoi est faite la Fonte ?

La fonte est fabriquée à partir de fonte de gueuse, produit de la fusion du minerai de fer dans un haut fourneau. Elle peut être réalisée directement à partir de la gueuse en fusion ou par refusion de celle-ci, souvent avec d'importantes quantités de fer, d'acier, de calcaire, de carbone (coke), en prenant diverses mesures pour éliminer les contaminants indésirables.

Le phosphore et le soufre peuvent être éliminés du fer en fusion, mais cela brûle aussi le carbone, qui doit être remplacé. Selon l'application, les teneurs en carbone et en silicium sont ajustées aux niveaux souhaités, généralement entre 2 et 3,5 % pour le carbone et 1 à 3 % pour le silicium.

Si nécessaire, d'autres éléments sont ajoutés au bain avant la coulée finale.

La fonte est parfois fondue dans un type particulier de haut fourneau appelé cubilot, mais dans les applications modernes, on utilise plus souvent des fours à induction électrique ou des fours à arc électrique. Après la fusion, la fonte en fusion est versée dans un four de maintien ou une poche de coulée.

Quelle est la Différence entre Fonte et Acier ?

La différence principale est que l'acier est produit à partir de minerai de fer et de ferrailles, et constitue un alliage de fer à teneur en carbone contrôlée. Alors qu'environ 4 % de carbone dans le fer donnent de la fonte, une teneur inférieure à 2 % donne de l'acier.

La fonte est moins chère que la plupart des aciers. Son point de fusion est plus bas que celui de l'acier, mais elle possède une résistance à la compression, une dureté et une résistance à l'usure élevées. La différence fondamentale est donc que l'acier est ductile et malléable, alors que la fonte est dure et a une haute résistance à la compression.

Autre différence importante : le carbone dans l'acier se présente sous forme de carbure de fer, tandis que la fonte contient du carbone sous forme de graphite, de carbure de fer, ou des deux. De plus, la fonte a une excellente fluidité, ce que n'a pas l'acier.

Propriétés de la Fonte

Voici quelques propriétés mécaniques courantes de la fonte :

• Dureté. La fonte est dure et peut être durcie par chauffage et refroidissement brusque, ce qui la rend très durable. L'acier doux peut également être durci et revenu par des procédés appropriés.
• Tenacité. Capacité d'un matériau à absorber de l'énergie.
• Ductilité. Capacité d'un matériau à se déformer sans se rompre.
• Élasticité. Capacité d'un matériau à reprendre ses dimensions d'origine après déformation.
• Malléabilité. Capacité d'un matériau à se déformer sous compression sans se rompre.
• Résistance à la traction. Contrainte longitudinale maximale qu'un matériau peut supporter sans se déchirer.
• Résistance à la fatigue. Contrainte la plus élevée qu'un matériau peut supporter pour un nombre donné de cycles sans se rompre.
• Point de fusion. La fonte a un point de fusion plus bas (1200 °C) que l'acier doux (1300–1400 °C).
• Aptitude au moulage. La fonte est plus facile à travailler pour le moulage de formes complexes. Le carbone supplémentaire rend sa forme fondue plus fluide, facilitant le moulage de formes complexes.
• Usinabilité. La fonte est presque élastique jusqu'à la limite de résistance à la traction et produit des copeaux discontinus qui se détachent facilement de l'échantillon. Cela améliore la capacité de coupe. C'est pourquoi la fonte est privilégiée quand on recherche une grande usinabilité et résistance.

Composition de la Fonte

La fonte est un alliage de fer contenant 2 à 4 % de carbone, ainsi que des quantités variables de silicium et de manganèse, et des traces d'impuretés comme le soufre et le phosphore. Elle est obtenue par réduction du minerai de fer dans un haut fourneau.

La fonte contient également de petites quantités d'impuretés telles que silicium, soufre, manganèse, phosphore, cuivre, nickel, chrome, qui influencent ses propriétés à petite ou grande échelle. Voici leurs effets :

• Silicium : Présent jusqu'à 4 %. Il favorise la formation de graphite, ce qui adoucit le matériau et le rend facilement usinable, et augmente la trempabilité et la résistivité électrique.
• Soufre : Présent jusqu'à 0,1 %. Il rend la fonte dure et cassante.
• Manganèse : Il favorise la formation de carbures, ce qui rend la fonte dure, élite et augmente la résistance à l'usure et aux abrasions. Présent jusqu'à 0,75 %.
• Chrome : Favorise aussi la formation de carbures, augmente la trempabilité, la résistance à l'usure, à la corrosion et à l'oxydation.
• Nickel : Augmente la résistance à la traction.
• Tungstène : Augmente la dureté à chaud et la résistance à chaud.
• Molybdène : Augmente la trempabilité.
• Vanadium : Augmente la trempabilité et la dureté à chaud.
• Aluminium : Agit comme désoxydant dans l'acier.
• Titane : Agit comme désoxydant dans l'acier.
• Niobium : Réduit la trempabilité et augmente la ductilité, ce qui améliore la résistance à l'impact.
• Cobalt : Réduit la trempabilité et résiste au ramollissement à haute température.

Types de Fonte

Les quatre types de base de la fonte sont : la fonte blanche, la fonte grise, la fonte ductile et la fonte malléable.

• Fonte blanche.
• Fonte grise.
• Fonte ductile.
• Fonte malléable.

1. Fonte Grise

Le type le plus courant, la fonte grise, possède une microstructure de graphite composée de nombreuses petites fractures. Elle est appelée « fonte grise » car la présence de ces microfissures crée l'apparence d'une couleur grise.

Lors de la production de fonte grise, les fissures s'ouvrent et révèlent le graphite de couleur grise sous la surface. La fonte grise n'est pas aussi résistante que l'acier, ni ne peut absorber autant d'impact. Elle offre cependant une résistance à la compression similaire à celle de l'acier. C'est pourquoi elle est devenue un choix populaire pour les applications où la résistance à la compression est importante.

Caractérisée par la présence de graphite dans la microstructure, conférant :

• Bonne usinabilité
• Bonne résistance à l'usure et au grippage

2. Fonte Blanche

La fonte blanche, moins courante que la fonte grise, tire son nom de sa couleur blanc cassé, due aux composés de fer appelés cémentite. Comme la fonte grise, elle présente de nombreuses petites fissures.

La différence est que la fonte blanche contient de la cémentite sous sa surface, alors que la fonte grise y contient du graphite. Le graphite donne une apparence grise, la cémentite une apparence blanche. La fonte blanche est dure et offre une excellente résistance à l'abrasion.

Caractérisée par la prédominance de carbures, influençant :

• Haute résistance à la compression
• Dureté
• Bonne résistance à l'usure

3. Fonte Ductile

La fonte ductile, aussi appelée fonte à graphite sphéroïdal, est un alliage fer-carbone à haute teneur en carbone, doux et ductile. Elle est généralement fabriquée avec des traces d'autres composés, notamment du magnésium et du cérium.

Lorsque ces composés sont ajoutés, ils inhibent la croissance du graphite, maintenant le métal doux et ductile. La fonte ductile a été inventée au début des années 1940.

La fonte grise avec de petites quantités de magnésium et de cérium nodularise le graphite, résultant en :

• Haute résistance
• Haute ductilité

4. Fonte Malléable

Enfin, la fonte malléable, facile à « travailler ». Elle est généralement obtenue par traitement thermique de la fonte blanche. Cette dernière est chauffée jusqu'à deux jours puis refroidie. Une fois terminée, la fonte malléable peut être pliée et manipulée pour obtenir des formes et tailles uniques.

Fonte blanche traitée thermiquement pour améliorer :

• Ductilité plus élevée

5. Fonte Mouchetée

La fonte contenant une quantité égale de carbone libre et de carbure est appelée fonte mouchetée. Elle présente des propriétés et une couleur intermédiaires entre la fonte grise et la fonte blanche.

6. Fonte Trempée

Si la fonte blanche est refroidie rapidement depuis l'état fondu, le fer produit est appelé fonte trempée.

7. Fonte Alliée

La fonte alliée est produite en ajoutant des éléments d'alliage à la fonte, comme le nickel, le chrome, le cuivre, etc. Elle possède des propriétés améliorées selon l'élément d'alliage. Cette fonte est produite pour obtenir les propriétés souhaitées.

Utilisations de la Fonte

La fonte peut être utilisée pour de nombreux types de matériaux et la fabrication de divers outils.

• Fonte grise : Blocs-cylindres de moteur, volants, carters de boîte de vitesses, bases d'outils machines.
• Fonte blanche : Surfaces de roulement.
• Fonte ductile : Engrenages, arbres à cames, vilebrequins, segments de piston.
• De nombreux types de raccords sanitaires comme les tuyaux d'égout, regards, tuyaux d'eau, citernes sont fabriqués en fonte.
• Bases de colonnes et colonnes métalliques peuvent être réalisées en fonte.
• Moules de coulée pour poteaux d'éclairage, escaliers métalliques, portails, etc.
• Roues de chariots et chaises de rail sont en fonte.
• Divers équipements et outils agricoles peuvent en être faits.
• Diverses pièces de machines peuvent être faites en fonte.
• Elle est utilisée pour fabriquer des pièces automobiles.
• Elle est utilisée pour fabriquer casseroles, poêles et ustensiles.
• Elle est utilisée pour fabriquer des ancres de navires.

Avantages de la Fonte

• Bonnes propriétés de moulage
• Bonne sensibilité
• Excellente résistance à l'usure
• Bonne usinabilité
• Très faible sensibilité aux entailles
• Faible concentration de contraintes
• Coût bas
• Durabilité
• Résistance à la déformation
• Résistance à la compression trois à cinq fois supérieure à celle de l'acier
• Excellentes propriétés anti-vibratoires (amortissement), utilisée pour les bâti de machines
• Propriétés mécaniques constantes entre 20 et 350 °C
• Disponible en grandes quantités, produite à grande échelle. Les outils pour le moulage sont relativement bon marché, ce qui réduit le coût des produits.
• Peut prendre toute forme et taille complexe sans opérations d'usinage coûteuses

Inconvénients de la Fonte

• Sujette à la rouille
• Faible résistance à la traction
• Ratio poids/résistance élevé
• Fragilité élevée
• Faible résistance aux chocs
• Par rapport à l'acier, usinabilité médiocre
• Ses pièces sont sensibles à la section ; cela est dû au refroidissement lent des sections épaisses.
• La rupture de ses pièces est soudaine et totale, elle ne présente pas de point d'écoulement.
• Non usinable (fonte blanche).

FAQ

Qu'est-ce que la Fonte ?

La fonte est un groupe d'alliages fer-carbone avec une teneur en carbone de plus de 2 à 4 pour cent. En plus, des quantités variables de silicium de 1 à 3 % en poids et de manganèse ainsi que des traces d'impuretés telles que le soufre et le phosphore. La fonte est faite en réduisant le minerai de fer dans un haut fourneau.

Quelle est la composition de la fonte ?

La fonte est un groupe d'alliages fer-carbone avec une teneur en carbone de plus de 2 à 4 pour cent. En plus, des quantités variables de silicium de 1 à 3 % en poids et de manganèse ainsi que des traces d'impuretés telles que le soufre et le phosphore.

Quels sont les types de fonte ?

Il existe quatre types de base de fonte – fonte blanche, fonte grise, fonte ductile et fonte malléable.

• Fonte blanche.
• Fonte grise.
• Fonte ductile.
• Fonte malléable.

Quelles sont les utilisations de la fonte ?

Grâce à sa bonne résistance à la traction et sa ductilité, la fonte malléable est utilisée pour les raccords électriques et équipements, outils manuels, raccords de tuyaux, rondelles, supports, équipements agricoles, matériel minier et pièces de machines. Une classification courante pour la fonte malléable est ASTM A47.

Est-il sain de cuisiner dans la fonte ?

La fonte n'est pas seulement pour la friture. Vrai, une poêle en fonte est un excellent véhicule pour la friture. Mais sa capacité à retenir la chaleur se prête aussi à une cuisine saine, affirme Kerri-Ann Jennings, diététicienne et coach nutritionnelle basée au Vermont.

Quels sont les avantages de la fonte ?

La Fonte Maintient la Chaleur. Les ustensiles en acier inoxydable chauffent uniformément et rapidement, mais la fonte peut conserver cette chaleur dans toute la poêle beaucoup plus longtemps. Cela donne un résultat plus uniforme et désirable pour des aliments comme les viandes et les steaks.

Quels sont les inconvénients de la fonte ?

Inconvénients de la fonte :

• Elle est sujette à la rouille.
• Elle a une faible résistance à la traction.
• Ses pièces sont sensibles à la section, en raison du refroidissement lent des sections épaisses.
• La rupture de ses pièces est soudaine et totale ; elle ne présente pas de point d'écoulement.
• Elle a une faible résistance aux chocs.
• Par rapport à l'acier, elle a une usinabilité médiocre.

La fonte est-elle meilleure que l'acier ?

La fonte a généralement une meilleure résistance à l'usure mécanique que l'acier, surtout dans les situations de frottement.

Qu'est-ce qui est mieux, le fer ou la fonte ?

La fonte est plus dure, plus cassante et moins malléable que le fer forgé. Elle ne peut être pliée, étirée ou martelée en forme, car sa faible résistance à la traction fait qu'elle se fracture avant de se plier ou se déformer. Elle possède cependant une bonne résistance à la compression.

La fonte est-elle solide ?

La fonte, comme la maçonnerie, est très résistante à la compression. Le fer forgé, comme la plupart des autres types de fer et en effet comme la plupart des métaux en général, est résistant à la traction, et aussi tenace – résistant à la fracture.

La fonte est-elle bon marché ?

Les détaillants factureront toujours le montant le plus élevé possible pour un produit donné. Les poêles en fonte sont bon marché à fabriquer et n'ont pas l'avantage du branding comme Le Creuset, qui fait de la fonte émaillée fine. La cuisine en fonte est en quelque sorte un marché de niche et elles peuvent se transmettre de génération en génération.

Pourquoi la fonte ne rouille-t-elle pas ?

La fonte est un alliage à haute teneur en carbone (au moins 1,7 % et généralement 3,0–3,7 %), ce qui la rend relativement résistante à la corrosion.

Le fer noir est-il le même que la fonte ?

Malgré son nom, le tuyau en fer noir est en fait fait d'un composé d'« acier doux » de basse qualité. Cela lui donne une bien meilleure résistance à la corrosion que les tuyaux en fonte traditionnels.

Qui a inventé la fonte ?

L'Anglais Abraham Darby est crédité d'avoir révolutionné les ustensiles de cuisine en fonte ; en 1707, il a breveté une méthode pour couler le fer en pots et bouilloires relativement minces, un procédé qui les rendait moins chers à produire.

Pourquoi la fonte est-elle si lourde ?

La fonte a une capacité thermique plus élevée que le cuivre, donc il faut plus d'énergie pour chauffer une livre de fonte à une température donnée qu'une livre de cuivre. Plus d'énergie est stockée dans chaque livre de fonte. L'aluminium a une capacité thermique plus élevée que le fer (il stocke plus de chaleur par livre) mais est beaucoup moins dense que le fer.

La fonte est-elle plus solide que l'aluminium ?

La fonte et l'aluminium coulé se ressemblent, mais l'aluminium coulé est plus léger et plus résistant. En raison de la masse plus lourde du fer, il retient la chaleur plus longtemps, mais met un peu plus de temps à chauffer. La fonte a une durée de vie plus longue et est plus chère.

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