Fer souple ? Fonte ductile vs fonte

Comment les ingénieurs choisissent un alliage pour les pièces moulées en métal

Lors du choix d'un alliage de fer pour une coulée, un métallurgiste tient compte du budget, des propriétés mécaniques requises et des étapes de post-coulée comme l'usinage et le traitement thermique. Ces exigences déterminent l'alliage à utiliser. De nos jours, le plus grand choix est entre la fonte ductile et la fonte.

Techniquement, "fonte" suggère des alliages de fer qui sont coulés dans une fonderie. La fonte ductile est l'un de ces alliages. Cependant, le ductile est un nouveau venu sur la scène, avec des propriétés mécaniques uniques qui le distinguent des autres alliages de fer. Cette différence signifie que la "fonte" désigne généralement des alliages de fer gris ou blanc qui font partie de l'orfèvrerie depuis des siècles.

Quels types de fer sont coulés dans la fonderie ?

• Fonte ductile :ce type de fonte a été développé en 1948 et est devenu un alliage très important pour les fonderies ferreuses. Il est beaucoup moins cassant que les autres fontes.
• Fonte malléable :avant l'invention de la fonte ductile, cet alliage était plus populaire. C'est une fonte blanche qui est traitée thermiquement pendant une très longue période. Les conditions dans le traitement thermique doivent être très contrôlées. Lorsque la fonte malléable est terminée, elle est beaucoup moins cassante. La malléabilité est toujours utilisée pour les petites pièces moulées minces où la ductilité est moins efficace.
• Fonte blanche :cet alliage se refroidit plus rapidement que les autres fontes, produisant une molécule appelée cémentite dans son réseau. C'est un alliage fragile mais qui possède une excellente dureté et résistance à l'abrasion. Il est souvent utilisé dans les roulements et autres applications à frottement élevé.
• Fonte grise :la plupart des articles en « fonte » standard sont fabriqués à partir de fonte grise, donc lorsque les gens utilisent le terme, il s'agit probablement de l'alliage dont il s'agit. Contrairement à la fonte blanche, la fonte grise a une microstructure graphitique. Il a une excellente capacité d'amortissement des vibrations et une grande usinabilité.

Les fontes blanches et grises créent des pièces moulées d'aspect très similaire. Leur coloration n'est évidente que lorsqu'ils se cassent.

Quelles sont les différences entre la fonte ductile et la fonte ?

La fonte ductile est moins cassante que les autres fontes, même avant traitement thermique. Il ne se fracture pas aussi facilement à l'impact. Être ductile permet au fer de se plier. En comparaison, la fonte grise est plus dure. Cette dureté lui permet de bien gérer l'usure de surface. La fonte grise est également meilleure pour amortir les vibrations. Les différences sont dues aux microstructures du graphite dans ces alliages de fer.

La fonte grise contient 2,5 à 4 % de carbone et 1 à 3 % de silicium en poids. Le silicium de l'alliage est nécessaire pour stabiliser les molécules de graphite qui confèrent à la fonte grise ses propriétés. Cependant, ce silicium n'est efficace pour supporter et maintenir le graphite que si le métal ne subit pas de choc thermique lors du refroidissement. Un refroidissement très rapide entraînera la formation de cémentite et transformera la fonte grise en fonte blanche, même avec du silicium dans le mélange. Dans la fonte grise, des flocons de graphite sont incrustés à travers la surface et sont visibles dans la fonte grise hautement polie.

La fonte ductile contient 3,2 à 3,6 % de carbone, 2,2 à 2,8 % de silicium et un petit pourcentage d'un « élément nodulisant ». Découverte en 1943, la fonte ductile avait plusieurs des mêmes propriétés que la fonte malléable, sauf qu'elle avait ces propriétés dès la sortie du moule. Le traitement thermique long et technique nécessaire à la fabrication de la fonte malléable la rendait plus chère et sujette aux erreurs. Ductile était une solution évidente. (Le malléable est toujours utilisé dans les pièces moulées minces où le ductile refroidit trop rapidement et produit des carbures.)

Comme la fonte grise, le graphite est une partie importante de la microstructure de la fonte ductile. Cependant, l'élément nodulisant - comme le magnésium, le cérium ou le tellure - façonne les molécules de graphite en sphères plutôt qu'en flocons. Ces sphères glissent les unes sur les autres plutôt que de créer des plans le long desquels le fer peut se fracturer. Les nodules rendent la fonte ductile plus souple et moins dure. Lorsqu'une dureté de surface est nécessaire, un traitement thermique peut être utilisé.

 

FONTE DUCTILE (ASTM A536)

FER GRISE (ASTM 40)

FER BLANC

FONTE MALLEABLE (FONTE BLANCHE, RECUIT)

Coulabilité

Coulage standard :beaucoup plus facile que le moulage de l'acier

Limite d'élasticité

50 000 psi

—

—

33 000 psi

% d'allongement

18

0.5

0

12

Résistance à la traction

72 000 psi

40-50 000 psi

25 000 psi

52 kpsi

Dureté [Brinell]

130-217

260

450

130

Résistance à la corrosion

Rouillera, mais peut développer une patine protectrice dans les environnements extérieurs.

Dilatation thermique 20C

6.46*10 ^-6
po/(po* ºF)

6.46*10 ^-6
po/(po* ºF)

5.0*10 ^-6
po/(po* ºF)

6.6*10 ^-6
po/(po* ºF)

Amortissement relatif
(rapport logarithmique des amplitudes successives)

5-20*10 ⁴

20-500*10 ⁴

2-4*10 ⁴

8-15*10 ⁴

Coût

$$

$

$

$$$

Machinabilité

Moyen

Bon

Bon

Moyen

Soudabilité

Bas-Moyen selon la procédure

Moyen

Non soudable

Le soudage est possible mais convertit une partie de la fonte malléable en fonte grise

FONTE DUCTILE (ASTM A536)

Coulabilité

Coulage standard :beaucoup plus facile que le moulage de l'acier

Limite d'élasticité

50 000 psi

% d'allongement

18

Résistance à la traction

72 000 psi

Dureté [Brinell]

130-217

Résistance à la corrosion

Rouillera, mais peut développer une patine protectrice dans les environnements extérieurs.

Dilatation thermique 20C

6.46*10 ^-6
po/(po* ºF)

Amortissement relatif (rapport logarithmique des amplitudes successives)

5-20*10 ⁴

Coût

$$

Machinabilité

Moyen

Soudabilité

Bas-Moyen selon la procédure

FER GRISE (ASTM 40)

Coulabilité

Coulage standard :beaucoup plus facile que le moulage de l'acier

Limite d'élasticité

—

% d'allongement

0.5

Résistance à la traction

40-50 000 psi

Dureté [Brinell]

260

Résistance à la corrosion

Rouillera, mais peut développer une patine protectrice dans les environnements extérieurs.

Dilatation thermique 20C

6.46*10 ^-6
po/(po* ºF)

Amortissement relatif (rapport logarithmique des amplitudes successives)

20-500*10 ⁴

Coût

$

Machinabilité

Bon

Soudabilité

Moyen

FER BLANC

Coulabilité

Coulage standard :beaucoup plus facile que le moulage de l'acier

Limite d'élasticité

—

% d'allongement

0

Résistance à la traction

25 000 psi

Dureté [Brinell]

450

Résistance à la corrosion

Rouillera, mais peut développer une patine protectrice dans les environnements extérieurs.

Dilatation thermique 20C

5.0*10 ^-6
po/(po* ºF)

Amortissement relatif (rapport logarithmique des amplitudes successives)

2-4*10 ⁴

Coût

$

Machinabilité

Bon

Soudabilité

Non soudable

FONTE MALLEABLE (FONTE BLANCHE, RECUIT)

Coulabilité

Coulage standard :beaucoup plus facile que le moulage de l'acier

Limite d'élasticité

33 000 psi

% d'allongement

12

Résistance à la traction

52 kpsi

Dureté [Brinell]

130

Résistance à la corrosion

Rouillera, mais peut développer une patine protectrice dans les environnements extérieurs.

Dilatation thermique 20C

6.6*10 ^-6
po/(po* ºF)

Amortissement relatif (rapport logarithmique des amplitudes successives)

8-15*10 ⁴

Coût

$$$

Machinabilité

Moyen

Soudabilité

Le soudage est possible mais convertit une partie de la fonte malléable en fonte grise

Choisir entre la fonte ductile et la fonte traditionnelle

La fonte ductile est légèrement plus chère que la fonte grise, mais elle est moins chère et plus facile à couler que l'acier. Il est généralement choisi pour ses propriétés mécaniques et sa valeur. En tant qu'alliage moins cassant que la fonte, il est utilisé dans des applications où la ductilité et la résistance aux chocs sont utiles. Il est meilleur que l'acier pour l'amortissement des vibrations et le rendement en compression, bien que la fonte grise soit toujours supérieure pour l'amortissement.

Les bornes conçues pour résister aux chocs utilisent souvent de la fonte ductile. C'est le principal alliage de fer utilisé pour les tuyaux, en particulier ceux sous pression. Les pièces ductiles peuvent être trouvées dans les composants automobiles, les pompes et les gaines de câbles où un impact est probable.

La fonte grise est toujours un alliage important et bien utilisé pour les applications où la fragilité de la fonte traditionnelle n'est pas un problème. Les articles qui ne seront pas exposés aux chocs dans le cadre d'une usure régulière sont souvent en fonte grise. Les poêles à frire en fonte sont généralement en fonte grise. Hardscape, comme les grilles d'arbres, les grilles de tranchées et les plaques d'égout sont également souvent en fonte grise. L'amortissement supérieur des vibrations fait de la fonte grise une excellente base de machine. C'est également le bon choix pour les freins ou les composants du moteur qui ne seront pas heurtés mais qui devront faire face à de fortes vibrations.

Pour tout projet, il est important de parler à un métallurgiste ou à un ingénieur avant de choisir un alliage. Ils examineront la contrainte de travail sur le composant et aideront à choisir les matériaux qui peuvent gérer l'application en toute sécurité. Choisir la fonte ductile par rapport à la fonte peut parfois se résumer à la valeur. D'autres fois, ce sont les qualités spécifiques de l'alliage qui sont nécessaires.