Choisir le bon alliage de fer : fonte ductile vs fonte grise expliqué

Comment les ingénieurs choisissent un alliage pour les pièces moulées

Pour choisir un alliage de fer pour une coulée, un métallurgiste considère le budget, les propriétés mécaniques requises, et les étapes post-coulée comme usinage et traitement thermique. Ces exigences décident de l'alliage. Aujourd'hui, le grand choix est entre fonte ductile et fonte (classique).

Techniquement, « fonte » suggère alliages de fer coulés en fonderie. La fonte ductile en est un. Mais la ductile est un nouveau venu récent, avec propriétés mécaniques uniques la distinguant des autres alliages ferreux. Cette différence fait que « fonte » désigne généralement les alliages fonte grise ou blanche, utilisés en métallurgie depuis des siècles.

Quels types de fer sont coulés en fonderie ?

• Fonte ductile : Développée en 1948, alliage très important pour fonderies ferreuses. Beaucoup moins cassante que les autres fontes.
• Fonte malléable : Avant l'invention de la ductile, cet alliage était plus populaire. Fonte blanche traitée thermiquement très longtemps. Conditions du traitement très contrôlées. Une fois finie, beaucoup moins cassante. Malléable encore utilisée pour petites pièces minces où la ductile est moins performante.
• Fonte blanche : Refroidie plus vite que les autres fontes, produisant molécule de cémentite dans son réseau. Alliage cassant mais excellente dureté et résistance à l'abrasion. Souvent utilisée en paliers et applications à fort frottement.
• Fonte grise : La plupart des pièces « fonte » standard sont en fonte grise, c'est donc l'alliage visé par le terme. Contrairement à la blanche, la grise a microstructure graphitique. Excellente capacité d'amortissement vibrations et grande usinabilité.

Fonte blanche et grise créent des coulées visuellement très similaires. Leur coloration n'est visible qu'à la fracture.

Différences entre fonte ductile et fonte (classique)

La fonte ductile est moins cassante que l'autre fonte, même avant traitement thermique. Ne se fracture pas aussi facilement à l'impact. Être ductile permet au fer de plier. En comparaison, la fonte grise est plus dure. Cette dureté gère bien l'usure de surface. La grise est aussi meilleure en amortissement vibrations. Différences dues aux microstructures de graphite dans ces alliages ferreux.

Fonte grise : 2,5–4 % carbone, 1–3 % silicium (poids). Le silicium stabilise les molécules de graphite donnant ses propriétés à la fonte grise. Mais ce silicium n'est efficace que si le métal ne subit pas de choc thermique au refroidissement. Refroidissement très rapide = formation cémentite = fonte grise devient blanche, même avec silicium. En fonte grise, flocons de graphite traversent la surface, visibles en fonte grise hautement polie.

Fonte ductile : 3,2–3,6 % carbone, 2,2–2,8 % silicium, et faible % d'un « élément nodulisant ». Découverte 1943, la ductile avait beaucoup des propriétés de la malléable, mais directement à la sortie du moule. Le long et technique traitement thermique pour la malléable la rendait plus chère et sujette à erreur. La ductile fut une solution évidente. (Malléable encore utilisée en coulées minces où ductile refroidit trop vite et produit carbures.)

Comme la grise, le graphite est important dans la microstructure ductile. Mais l'élément nodulisant (magnésium, cérium, tellure) forme les molécules de graphite en sphères au lieu de flocons. Ces sphères glissent les unes sur les autres au lieu de créer des plans de fracture. Les nodules rendent la ductile plus flexible, moins dure. Quand dureté de surface nécessaire, traitement thermique possible.

COMPARATIF PROPRIÉTÉS : FONTE DUCTILE vs GRISE vs BLANCHE vs MALLEABLE

Propriété	Fonte ductile (ASTM A536)	Fonte grise (ASTM 40)	Fonte blanche	Fonte malléable (blanche recuite)
Aptitude à la coulée	Standard : bien plus facile que coulée acier	Standard : bien plus facile que coulée acier	Standard : bien plus facile que coulée acier	Standard : bien plus facile que coulée acier
Limite d'élasticité (ksi)	50	—	—	33
Allongement %	18	0,5	0	12
Résistance traction (ksi)	72	40–50	25	52
Dureté Brinell	130–217	260	450	130
Résistance corrosion	Rouille mais peut développer patine protectrice en extérieur	Rouille mais peut développer patine protectrice en extérieur	Rouille mais peut développer patine protectrice en extérieur	Rouille mais peut développer patine protectrice en extérieur
Dilatation thermique 20°C (10⁻⁶ in/in·°F)	6,46	6,46	5,0	6,6
Amortissement relatif (log ratio)	5–20×10⁴	20–500×10⁴	2–4×10⁴	8–15×10⁴
Coût relatif	$$	$	$	$$$
Usinabilité	Moyenne	Bonne	Bonne	Moyenne
Soudabilité	Faible-Moyenne selon procédé	Moyenne	Non soudable	Soudable mais convertit partie en fonte grise

Choisir entre fonte ductile et fonte traditionnelle

La fonte ductile est légèrement plus chère que la grise mais moins chère et plus facile à couler que l'acier. Généralement choisie pour ses propriétés mécaniques et sa valeur. Comme alliage moins cassant que la fonte, utilisée où ductilité et résistance à l'impact utiles. Meilleure que l'acier en amortissement vibrations et limite élastique à la compression, bien que la grise reste supérieure pour l'amortissement.

Bornes conçues pour résistance à l'impact utilisent souvent la fonte ductile. C'est l'alliage ferreux majeur pour tuyaux, surtout sous pression. Pièces ductiles dans composants auto, pompes, gaines câbles où impact probable.

La fonte grise reste alliage important et bien utilisé où la fragilité traditionnelle n'est pas un problème. Objets non exposés à l'impact dans l'usage normal : poêles à frire (fonte grise). Aménagement paysager : grilles d'arbres, grilles de tranchée, regards — souvent fonte grise. Amortissement vibrations supérieur = excellente base machine. Bon choix pour freins ou composants moteurs non frappés mais gérant fortes vibrations.

Pour tout projet, important de consulter métallurgiste ou ingénieur avant choix d'alliage. Ils examineront les contraintes de travail sur le composant et aideront à choisir matériaux gérant l'application en sécurité. Choisir ductile vs fonte classique peut se résumer à la valeur. Parfois, ce sont les qualités spécifiques de l'alliage qui sont nécessaires.