Fonte ductile : Moulages à haute résistance et durables pour applications industrielles

Les avantages des moulages en fonte ductile

La fonte ductile — également appelée fonte sphéroïdale ou fonte nodulaire — est en réalité un groupe de fontes qui présentent une résistance élevée, une flexibilité, une durabilité et une élasticité grâce à leur microstructure unique. La fonte ductile moulée contient normalement plus de 3 % de carbone ; elle peut être pliée, tordue ou déformée sans se fracturer. Ses propriétés mécaniques sont similaires à celles de l'acier et dépassent de loin celles des fontes standard.

Les moulages en fonte ductile sont des objets métalliques solides résultant du versement de fonte ductile en fusion dans les cavités d'un moule. La fonte ductile refroidit ensuite et se solidifie dans la forme de la cavité qu'elle occupe.

Qu'est-ce que la fonte ductile ?

Inventée en 1943, la fonte ductile est une itération moderne de la fonte. La fonte et la fonte ductile ont des propriétés physiques contrastées dues à des différences dans leurs microstructures.

Le graphite et le carbone contenus dans la fonte se présentent sous forme de lamelles ; la fonte présente de bonnes capacités de charge en compression, mais une charge de traction supérieure à sa résistance naturelle à la traction peut provoquer la formation et la propagation rapide de fissures à partir des points de contrainte au sein de la microstructure de graphite en lamelles. Par conséquent, la fonte a pratiquement pas d'allongement. C'est un matériau cassant, donc limité dans son utilisation pour les applications de traction et de choc.

Le graphite dans la fonte ductile se présente sous forme de sphéroïdes, c'est pourquoi on l'appelle parfois graphite sphéroïdal. De même, le terme fonte nodulaire vient du fait que le carbone contenu dans la fonte ductile est maintenu sous forme de nodules. Cette microstructure unique permet à la fonte ductile de résister au pliage et aux chocs bien mieux que la fonte traditionnelle.

De quoi est faite la fonte ductile ?

Bien que la fonte ductile puisse être produite à partir de ferraille d'acier ou de fer, la fonte de première fusion est la source principale d'intrants pour la plupart des fonderies modernes de fonte ductile. La fonte de première fusion désigne la production primaire de fer d'un haut fourneau contenant plus de 90 % de fer.

Le terme « fonte de première fusion » (pig iron) provient de l'ancienne méthode de coulée du fer de haut fourneau dans des moules disposés dans des lits de sable de manière à pouvoir être alimentés par une gouttière commune. Comme les groupes de moules ressemblaient à une portée de porcelets tétant, les morceaux individuels de fer étaient appelés « pigs » (porcelets) et la gouttière était appelée « sow » (truie). Les lingots modernes sont produits par des machines de coulée continue.

La fonte de première fusion est utilisée dans la production de fonte ductile comme source primaire de fer pur. Elle offre plusieurs avantages uniques : elle contient peu d'éléments résiduels ou nocifs, a une chimie constante, favorise des conditions de scories optimales et améliore le contrôle du processus en fournissant des propriétés de charge constantes. La demande de fonte de première fusion a augmenté ces dernières années car les fonderies de fonte ductile exploitent ses avantages par rapport aux sources alternatives de fer telles que la ferraille de fer, ou la fusion de ferraille d'acier avec ajout de carbone.

Avantages de la fonte ductile

La fonte ductile offre plusieurs avantages aux concepteurs :

1. La fonte ductile peut être facilement moulée et usinée.
2. Elle possède un excellent rapport résistance/poids.
3. La fonte ductile peut être produite à un coût bien inférieur à celui de l'acier.
4. Elle a une moulabilité et une usinabilité supérieures.
5. La fonte ductile offre au concepteur une combinaison exceptionnelle de ténacité, de faible coût de fabrication et de fiabilité.

Propriétés de la fonte ductile

Pour créer différents grades de fonte ductile, il faut contrôler la structure de la matrice autour du graphite pendant le processus de moulage ou par un traitement thermique ultérieur. Les différences de composition mineures entre les différents grades de fonte ductile existent afin de créer la matrice (microstructures) souhaitée.

La fonte ductile peut être considérée comme de l'acier avec des sphéroïdes de graphite dispersés dans toute sa matrice. Les qualités de la matrice métallique dans laquelle les sphéroïdes de graphite sont suspendus ont un effet significatif sur les propriétés de la fonte ductile, mais les sphéroïdes de graphite eux-mêmes n'en ont pas.

On trouve plusieurs matrices dans la fonte ductile, les plus courantes étant :

1. Ferrite — fer pur, ductile, flexible, avec peu de résistance. Cette matrice a une faible résistance à l'usure, mais une haute résistance aux chocs et une bonne usinabilité.
2. Perlite — mélange mécanique de ferrite et de carbure de fer (Fe₃C). Elle est relativement dure, avec une ductilité modérée. Elle a une haute résistance, une bonne résistance à l'usure, une résistance aux chocs modérée et une bonne usinabilité.
3. Perlite/Ferrite — structure consistant en un mélange de perlite et de ferrite, et la matrice la plus courante pour les grades commerciaux de fonte ductile.

Grades courants de fonte ductile

Bien qu'il existe de nombreuses spécifications différentes de fonte ductile, les fonderies proposent couramment 3 grades :

Propriétés physiques et mécaniques	ASTM A536, Grade 60-40-18	ASTM A536, Grade 65-45-12	ASTM A536, Grade 80-55-06
Résistance à la traction min, psi	60 000	65 000	80 000
Résistance à la traction min, MPa	414	448	552
Limite d'élasticité min, psi	40 000	45 000	55 000
Limite d'élasticité min, MPa	276	310	379
Allongement en 2 pouces ou 50 mm, min %	18	12	6
Densité lb/in³	0,256	0,256	0,256
Densité g/cm³	7,1	7,1	7,1
Température de fusion (°F)	2 100 – 2 190	2 100 – 2 190	2 100 – 2 190
Température de fusion (°C)	1 150 – 1 200	1 150 – 1 200	1 150 – 1 200
Résistance à la compression Ksi	429	429	429
Résistance à la compression MPa	2 960	2 960	2 960
UNS	F32800	F33100	F33800

Applications de la fonte ductile

La fonte ductile a une résistance et une ductilité supérieures à celles de la fonte grise. Ces propriétés lui permettent d'être utilisée efficacement dans une grande variété d'applications industrielles, notamment les tuyaux, les composants automobiles, les roues, les boîtes de vitesses, les corps de pompe, les châssis de machines pour l'industrie éolienne, et bien d'autres. Comme elle ne se fracture pas comme la fonte grise, la fonte ductile est également sûre pour les applications de protection contre les chocs, telles que les bornes de protection (bollards).

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Sources

• ASTM International. « Standard Specification for Ductile Iron Castings ».
• Ductile Iron Society. « Ductile Iron Data for Design Engineers. »
• Sorelmetal. « The Ductile Iron Family. »