Fonte : Propriétés clés, types et applications pratiques

Qu'est-ce que 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 telles que le soufre et le phosphore. Elle est produite en réduisant le minerai de fer dans un haut fourneau.

Le carbone dans la fonte existe généralement sous deux formes associées ensemble

(1 ) Sous forme de composé cémentite c'est-à-dire dans un état de combinaison chimique et le fer est connu sous le nom de fonte blanche, et

(2) Sous forme de carbone libre , c'est-à-dire dans un état de mélange mécanique. Le carbone sous la première forme est appelé « carbone combiné », et dans la seconde fonte grise.

Un stade intermédiaire entre ces deux variétés de fer montre des taches de gris dans la structure blanche. Ce fer est appelé fonte bigarrée.

La fonte bigarrée (MCI) est un matériau utilisé dans les cylindres de laminoir, surtout dans les derniers cages de laminage, en raison de sa combinaison de haute résistance, conductivité thermique et module d'élasticité. Dans la MCI, les zones microstructurales de fonte blanche et de fonte grise résultent de la solidification.

La qualité de la fonte dépend donc non seulement de la quantité absolue de carbone qu'elle contient, mais aussi des conditions dans lesquelles ce carbone existe. Les variétés de fonte en usage courant sont :

Types de fonte

Les variétés de fonte en usage courant sont :-

1. Fonte grise
2. Fonte blanche
3. Fonte malléable
4. Fonte nodulaire (ductile)
5. Fonte trempée (chilled)
6. Fonte alliée
7. Fonte Meehanite

1. Fonte grise

Elle est obtenue en laissant le métal en fusion refroidir et se solidifier lentement. À la solidification, le fer contient la plus grande partie du carbone sous forme de lamelles de graphite.

La fonte grise contient de grandes quantités de carbone et des quantités relativement petites des autres éléments, par exemple, silicium, phosphore, soufre et manganèse .

Elle présente une structure cristalline grise terne ou granulaire et une lumière forte donnera un effet scintillant dû à la réflexion des lamelles de graphite libres. La présence de ce graphite libre est aussi visible lors du limage ou de l'usinage de la fonte car il noircit les mains.

La fonte est fragile et peut facilement se briser si un marteau lourd est utilisé. La résistance du fer est beaucoup plus grande en compression qu'en traction. La résistance ultime à la traction de la fonte varie entre 12 à 13 kgf par mm² (120 à 300 Newton par mm²) et dépend de la composition du fer. En compression, la fonte grise résistera environ 60 à 75 kgf par mm² (600 à 750 Newton par mm²) avant de se fracturer, tandis qu'en cisaillement sa résistance est d'environ 15 à 22 kgf par mm² (150 à 225 Newton par mm²). La dureté varie de 150 à 240 BHN. Les principaux avantages en faveur de son utilisation sont : (1) son faible coût, (2)

sa basse température de fusion (1 150°C à 1 200°C), et sa fluidité à l'état fondu, et (3) elle s'usine facilement. Une autre bonne propriété de la fonte est que le graphite libre dans sa structure semble agir comme un lubrifiant, et lorsque de grandes glissières de machine sont faites de ce matériau, une action très libre est obtenue. La fluidité du fer permet de l'utiliser largement pour la fabrication de pièces de formes complexes et sous presque toutes les formes de fonte.

2. Fonte blanche

La fonte blanche contient le carbone exclusivement sous forme de cémentite (carbure de fer). Elle est obtenue par la présence de quantités relativement importantes de manganèse, une très petite quantité de silicium, et par un refroidissement rapide. Le taux de refroidissement ordinaire dans le sable produit du graphite libre tandis que le refroidissement rapide aide à produire de la cémentite. De plus, le manganèse encourage la formation de carbure. La composition chimique approximative de la fonte blanche est donnée dans le Tableau 4.2.

La fonte blanche est très dure (la dureté varie de 400 à 600 BHN) et fragile, et sa surface de fracture a un aspect métallique argenté. Du point de vue de l'ingénierie, la fonte blanche a une application limitée. Cela est dû à la difficulté d'usinage et à sa capacité généralement relativement faible de traitement mécanique. Ce type de fer est largement utilisé pour fabriquer du fer forgé. La fonte blanche est aussi coulée comme matériau intermédiaire pour fabriquer de la fonte malléable. La fonte blanche ne rouille pas autant que le type gris.

3. Fonte malléable

La fonte ordinaire est dure et fragile. Elle est donc impropre pour les articles qui sont minces, légers et soumis à des chocs et vibrations ou pour de petites pièces coulées utilisées dans divers composants de machines.

L'application du terme « malléable » aux pièces coulées est plutôt un abus de langage car elles ne sont pas très malléables comparées aux standards de malléabilité. Comparées aux pièces coulées en fonte grise, cependant, qui sont assez fragiles, les pièces coulées malléables possèdent un degré de ténacité, et c'est probablement pourquoi elles ont été ainsi nommées.

Les pièces coulées malléables sont d'abord faites à partir d'un fer ayant tout son carbone sous forme combinée, c'est-à-dire à partir de fonte blanche. Deux méthodes sont ensuite utilisées pour malléabiliser les pièces coulées : (1) Cœur blanc, et (2) Cœur noir. Les noms font référence à la couleur de la fracture donnée par les pièces coulées produites par chaque méthode. Les compositions chimiques approximatives pour les deux variétés sont données dans le Tableau 4.3.

4. Fonte ductile (Fer nodulaire)

La fonte à graphite sphéroïdal, aussi appelée fonte nodulaire, est d'une nuance supérieure car le graphite est précipité non pas sous forme de lamelles mais sous forme de sphéroïdes. Cela peut être réalisé par diverses méthodes, par exemple, par l'ajout de l'un des éléments suivants : magnésium, cérium, calcium, bismuth, zinc, cadmium, titane ou bore.

Le ferro-silicium est aussi utilisé comme inoculant. La fonte sphéroïdale peut être produite en pièces plus épaisses que celles produites par la fonte malléable. Les caractéristiques exceptionnelles de la fonte sphéroïdale sont une fluidité élevée, qui permet la coulée de formes complexes, et une excellente combinaison de résistance et de ductilité. La résistance à la traction de ce fer est d'environ 33 kgf par mm² (330 Newton par mm²). Ce matériau est aussi connu sous le nom de fonte ductile.

La fonte sphéroïdale est largement utilisée dans les pièces coulées où la densité et l'étanchéité à la pression sont des qualités hautement désirables. Elles incluent les cylindres hydrauliques, les vannes, les tuyaux et raccords de tuyaux, les culasses pour compresseurs et moteurs diesel. Les cylindres pour laminoirs et de nombreux types de pièces coulées par centrifugation sont aussi faits de fonte sphéroïdale.

5. Fonte trempée (Chilled Cast Iron)

Le refroidissement rapide est appelé « trempe » et le fer ainsi produit est la « fonte trempée ». Toutes les pièces coulées sont trempées à leur surface externe par contact avec le sable frais dans le moule. Puisque la fonte a une conductivité thermique plus élevée que le sable, les parties trempées de la pièce coulée subissent une solidification et un refroidissement rapides, produisant ainsi une surface dure. Mais cette dureté ne pénètre que d'environ 1 à 2 mm en profondeur.

Parfois, une pièce est trempée intentionnellement et parfois elle devient accidentellement trempée à une faible profondeur. Le trempage intentionnel est réalisé en utilisant de la fonte au lieu de sable pour les portions du moule où des surfaces dures sont requises. Lorsque celles-ci sont touchées par le métal en fusion, sa surface est soudainement refroidie et convertie en fonte blanche. Avec la coulée en moule permanent, des moules permanents en acier résistant à la chaleur ou en fonte à graphite lamellaire sont utilisés.

Les masses de trempe (chills) sont utilisées sur les pièces coulées où certaines parties sont requises pour avoir la dureté de la fonte blanche, tandis que d'autres sont requises pour avoir un noyau relativement mou et tenace de fonte grise.

6. Fonte alliée

Les fontes alliées ont été développées ces dernières années pour surmonter certaines déficiences inhérentes à la fonte ordinaire et pour donner des qualités plus adaptées à des fins spéciales. L'ajout de nickel, chrome, molybdène, titane, silicium, cuivre et d'autres éléments d'alliage confère des propriétés spéciales à cette fonte.

L'utilisation de 1 ou 2 pour cent de nickel sur une fonte de bonne qualité offre un moyen simple et efficace d'améliorer les propriétés de cette fonte.

L'utilisation de 1 à 2 pour cent de nickel sur une fonte de bonne qualité offre un moyen simple et efficace d'améliorer les propriétés et le service rendu par les pièces coulées en fer. Elle assure l'usinabilité et l'uniformité de structure de la fonte. Par l'utilisation de nickel de l'ordre de 25 pour cent, une durée de vie améliorée peut aussi être obtenue dans les pièces soumises à l'usure abrasive.

7. Fonte Meehanite

Les cylindres ou chemises de cylindre de toutes tailles, des plus petites aux plus grandes, offrent des exemples exceptionnels. La fonte au nickel est aussi utilisée pour résister à la corrosion caustique. Pour cette raison, elle est largement employée pour la fabrication de pots caustiques, tuyaux et autres pièces coulées en contact avec la liqueur caustique.

L'ajout de seulement 1 pour cent de nickel donne un avantage global pour ce but. Le facteur le plus important pour l'utilisation du nickel dans la fonte est d'obtenir la densité et l'étanchéité à la pression dans les pièces coulées avec des sections grandes et variables. Cela a conduit à l'application de la fonte au nickel pour de nombreuses pièces de machines à vapeur et hydrauliques, compresseurs et moteurs à combustion interne.

Lorsque l'amélioration de la qualité d'usure est importante, les ajouts de chrome avec le nickel sont souvent trouvés utiles. La fonte alliée de cette manière trouve une large application pour les pompes de tous types dans lesquelles l'usure par frottement, ainsi que l'usure érosive, doivent être considérées. La fonte alliée contenant 10 à 30 pour cent de chrome et 1 à 3 pour cent de carbone total, présente aussi un haut degré de résistance à la chaleur combinée avec une résistance à hautes températures.

La fonte alliée avec 10 pour cent de nickel et 6 pour cent de manganèse devient non magnétique. Une fonte non magnétique brevetée spéciale est connue sous le nom de « Nomag ».

FONTE MEEHANITE

Les fontes, dans lesquelles le métal a été traité avec du siliciure de calcium, sont connues sous le nom commercial de meehanite. Le siliciure de calcium agit comme un graphitisant et produit une structure de graphite fine donnant une fonte de propriétés mécaniques excellentes. Les hautes qualités du fer meehanite ne sont pas dues uniquement à l'utilisation du siliciure de calcium mais aussi au contrôle minutieux de tous les facteurs impliqués dans la fusion du fer dans la coupelle ou le four électrique et dans le moulage de la pièce. Très peu de siliciure de calcium reste dans le fer après solidification.

Le métal utilisé est faible en silicium, modérément faible en carbone qui est limité, environ 2,5 à 3 pour cent. Cela serait normalement blanc si coulé, mais la graphitisation par le système de contrôle meehanite fournit une gamme de matériaux pour répondre aux larges exigences des industries d'ingénierie.

Il y a au total plus de vingt-six types de métal meehanite disponibles actuellement sous cinq grandes classifications : (a) génie général, (b) résistant à la chaleur, (c) résistant à l'usure, (d) résistant à la corrosion, (e) nodulaire type 'S'.

Tous les fers meehanite ont une haute résistance, ténacité, ductilité et usinabilité facile. Ils prétendent donc combler l'écart entre la fonte ordinaire et l'acier. Les pièces coulées pèsent de 500 à 6 000 kg. Le métal est à grain serré et montre un nombre de Brinell de 200 à 210. a

Le fer meehanite répond au traitement thermique contrairement à la fonte grise ordinaire et peut être durci totalement ou en surface. Il peut aussi être trempé par un traitement approprié pour être utilisé dans les pièces coulées de machines-outils.

Production de fonte

La fonte est fabriquée à partir de fonte brute, qui est le sous-produit de la fusion du minerai de fer dans un haut fourneau. La fonte peut être faite directement à partir de fonte brute en fusion ou par re-fusion de la fonte brute, souvent avec des quantités significatives de fer, d'acier, de calcaire, de carbone (coke), et diverses étapes pour éliminer les contaminants indésirables. Le phosphore et le soufre peuvent être brûlés hors du fer en fusion, mais cela brûle aussi le carbone, qui doit être remplacé. La teneur en carbone et silicium est ajustée aux niveaux désirés, qui peuvent varier de 2–3,5 % et 1–3 %, respectivement, selon l'application. D'autres éléments peuvent alors être ajoutés à la fonte si désiré avant de couler la forme finale.

La fonte est parfois fondue dans un type spécial de haut fourneau connu sous le nom de coupelle, mais elle est plus couramment fondue dans des fours à induction électrique ou des fours à arc électrique dans les applications modernes. La fonte en fusion est versée dans un four de maintien ou une poche une fois le processus de fusion terminé.