Fonte – Propriétés, types et utilisations

Qu'est-ce que la fonte ?

Fonte est un alliage de fer contenant2 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. Le minerai de fer est réduit dans un haut fourneau pour le produire.

Le carbone dans la fonte existe généralement sous deux formes associées

(1 ) En tant que 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 ) En tant que carbone libre , c'est-à-dire dans un état de mélange mécanique. Le carbone sous la première forme est appelé "carbone combiné ", et dans ce dernier est appelé fonte grise .

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

La fonte marbrée (MCI) est un matériau utilisé dans le laminage, en particulier dans les dernières cages de laminoir, en raison de sa combinaison de résistance élevée, de conductivité thermique et de module d'élasticité. En MCI, les zones micro-structurales de la fonte blanche et de la 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 d'usage courant sont :

Types de fonte

Les variétés de fonte couramment utilisées sont :-

1. Fonte grise
2. Fonte blanche
3. Fonte malléable
4. Fonte nodulaire
5. Fonte refroidie
6. Fonte alliée
7. Fonte Meehanite

1. Fonte grise

Ceci est obtenu en laissant le métal en fusion refroidir et se solidifier lentement. En se solidifiant, le fer contient la plus grande partie de carbone sous forme de flocons de graphite .

La fonte grise contient de grandes quantités de carbone et des quantités relativement faibles de l'autre élément, par exemple le silicium, le phosphore, le soufre et le manganèse.

Il présente une structure cristalline gris terne ou granulaire et une lumière forte donnera un effet scintillant en raison de la réflexion des flocons de graphite libre. La présence de ce graphite libre s'observe également lors du limage ou de l'usinage de la fonte car il noircit les mains.

La fonte est fragile et peut facilement être cassé si un marteau lourd est utilisé. La résistance du fer est beaucoup plus grande en compression qu'en traction. La résistance à la traction ultime de la fonte varie entre 12 et 13 kgf par mm2 (120 à 300 Newton par mm²) et dépend de la composition de la fonte. En compression, la fonte grise supportera environ 60 à 75 kgf par mm ? (600 à 750 Newton par mm2) avant rupture, 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. principaux avantages en faveur de son utilisation sont :(1) son faible coût, (2)

Sa faible température de fusion (1 150 °C à 1 200 °C) et sa fluidité à l'état fondu, et (3) il est facilement usinable. 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 en sont faites, une action de travail très libre est obtenue. L'analyse de fluidité du fer lui permet d'être largement utilisé pour la fabrication de pièces moulées aux formes complexes et dans presque toutes les formes de fonte.

2. Fonte blanche

Fonte blanche contient du carbone exclusivement sous forme de cémentite (carbure de fer). Ceci est obtenu par la présence de quantités relativement importantes de manganèse, d'une très faible quantité de silicium et par un refroidissement rapide. Le taux de refroidissement ordinaire dans le sable produit du graphite libre tandis qu'un refroidissement rapide aide à produire de la cémentite. De plus, le manganèse favorise 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 cassante, et sa surface fracturée a un aspect métallique argenté. Du point de vue technique, la fonte blanche a une application limitée. Ceci est dû à la difficulté d'usinage et à sa capacité de traitement mécanique relativement faible en général. Ce type de fer est largement utilisé pour fabriquer du fer forgé. La fonte blanche est également coulée comme matériau intermédiaire pour la fabrication de fonte malléable. La fonte blanche ne rouille pas autant que la fonte grise.

3. Fonte malléable

La fonte ordinaire est dure et cassante. Il ne convient donc pas pour des articles minces, légers et soumis à des chocs et des vibrations ou pour de petites pièces moulées utilisées dans divers composants de machines.

L'application du terme "malléable » aux moulages est plutôt un abus de langage car ils ne sont pas très malléables par rapport aux normes de malléabilité. Par rapport aux pièces moulées en fonte grise, cependant, qui sont assez fragiles, les pièces moulées malléables possèdent un certain degré de ténacité, et c'est probablement pourquoi elles ont été ainsi nommées.

Pièces moulées malléables sont d'abord fabriqués 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 moulages :(1) Coeur blanc , et (2) Cœur noir . Les noms font référence à la couleur de la fracture donnée par les moulages produits par chaque méthode. Les compositions chimiques approximatives pour les deux variétés sont données dans le tableau 4.3.

4. Fonte ductile

Fer à graphite sphéroïdal , également appelée fonte nodulaire , est d'un grade supérieur car le graphite est précipité non pas sous forme d'écailles mais sous forme de sphéroïdes. Ceci peut être réalisé par diverses méthodes, par exemple par l'ajout d'un des éléments suivants :magnésium, cérium, calcium, bismuth, zinc, cadmium, titane ou bore.

Le ferro-silicium est également 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 le moulage 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 pet mm). Ce matériau est également connu sous le nom de fonte ductile .

La fonte sphéroïdale est largement utilisée dans les pièces moulées où la densité et l'étanchéité à la pression sont des qualités hautement souhaitables. Ils comprennent des vérins hydrauliques, des vannes, des tuyaux et des raccords de tuyauterie, des culasses pour compresseurs et des moteurs diesel. Les cylindres des laminoirs et de nombreux types de pièces coulées par centrifugation sont également en fonte sphéroïdale.

5. Fonte réfrigérée

Le refroidissement rapide est appelé "refroidissement » et le fer ainsi produit est du « fer refroidi ”. Toutes les pièces moulées sont refroidies à leur surface extérieure en entrant en contact avec le sable frais dans le moule. Étant donné que la fonte a une conductivité thermique plus élevée que le sable, les parties refroidies de la pièce moulée subissent une solidification et un refroidissement rapides et produisent ainsi une surface de troupeau. Mais cette dureté ne pénètre qu'environ 1 à 2 mm de profondeur.

Parfois, une coulée est refroidie intentionnellement et devient parfois refroidie accidentellement à une faible profondeur. Le refroidissement intentionnel est effectué en utilisant de la fonte au lieu de sable pour les parties du moule où des surfaces dures sont nécessaires. Là où ceux-ci sont touchés par le métal en fusion, sa surface est soudainement refroidie et convertie en fonte blanche. Avec la coulée à froid, des moules permanents en acier résistant à la chaleur ou en fonte avec du graphite lamellaire sont utilisés.

Frissons sont utilisés sur les pièces moulées où certaines pièces doivent avoir la dureté de la fonte blanche, tandis que d'autres doivent avoir un noyau relativement doux et résistant en fonte grise.

6. Alliage de fonte

Fonte alliée ont été développés ces dernières années pour pallier certaines déficiences inhérentes à la fonte ordinaire et pour donner des qualités plus adaptées à des usages particuliers. L'ajout de nickel, chrome, molybdène, titane, silicium, cuivre et autres éléments d'alliage confèrent à cette fonte des propriétés particulières.

L'utilisation de 1 ou 2 % de nickel convient à une fonte de bonne qualité qui offre un moyen simple et efficace d'améliorer les propriétés de cette fonte.

L'utilisation de 1 à 2 % de nickel convient à une fonte de bonne qualité qui offre un moyen simple et efficace d'améliorer les propriétés et le service rendus par les pièces moulées en fonte. Il assure l'usinabilité et l'uniformité de la structure de la fonte. L'utilisation de nickel de l'ordre de 25 % permet également d'augmenter la durée de vie des pièces soumises à une usure abrasive.

7. Fonte Meehanite

Des cylindres ou des chemises de cylindres de toutes tailles, des plus petits aux plus grands, offrent des exemples remarquables. La fonte au nickel est également utilisée pour résister à la corrosion caustique. Pour cette raison, il est largement utilisé pour fabriquer des pots caustiques, des tuyaux et d'autres pièces moulées en contact avec de la liqueur caustique.

L'ajout de seulement 1 % de nickel donne un avantage global à cet effet. Le facteur le plus important pour l'utilisation du nickel dans la fonte est d'obtenir une densité et une étanchéité à la pression dans les pièces moulées de sections importantes et variables. Cela a conduit à l'application du nickel coulé pour de nombreuses pièces de machines à vapeur et hydrauliques, de compresseurs et de moteurs à combustion interne.

Lorsque l'amélioration de la qualité d'usure est importante, des additions de chrome avec le nickel s'avèrent souvent 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 par érosion, doit être prise en compte. La fonte alliée contenant 10 à 30 % de chrome et 1 à 3 % de carbone total présente également un degré élevé de résistance à la chaleur combiné à une résistance à haute température.

La fonte alliée à 10 % de nickel et 6 % de manganèse devient amagnétique. Une fonte spéciale amagnétique brevetée 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 graphiteur et produit une fine structure de graphite donnant une fonte aux excellentes propriétés mécaniques. Les hautes qualités de la fonte mécanite ne sont cependant pas uniquement dues à l'utilisation du siliciure de calcium, mais aussi au contrôle minutieux de tous les facteurs impliqués dans la fusion du fer dans la copule ou le four électrique et dans le moulage de la pièce coulée. Très peu de siliciure de calcium reste dans le fer après solidification.

Le métal utilisé est pauvre en silicium, modérément pauvre en carbone qui est limité, environ 2,5 à 3 %. Ce serait normalement blanc s'il était coulé, mais la graphitisation par le système de contrôle meehanite fournit une gamme de matériaux pour répondre aux larges exigences des industries mécaniques.

Il existe en tout plus de vingt-six types de métal meehanite disponibles à l'heure actuelle sous cinq grandes classifications :(a) ingénierie générale , (b) résistant à la chaleur , (c)résistant à l'usure , (d) résistant à la corrosion , (e) type nodulaire ‘S’.

Tous les fers meehanite ont une ténacité, une ductilité et une usinabilité faciles. Ils prétendent donc combler le fossé entre la fonte ordinaire et l'acier. Les pièces moulées pèsent entre 500 et 6 000 kg. Le métal est à grain fin et montre un nombre Brinell de 200 à 210. a

Le fer Meehanite répond au traitement thermique contrairement à la fonte grise ordinaire et durci entièrement ou en surface. Il peut également être trempé par un traitement approprié à utiliser pour le moulage 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 fabriquée directement à partir de fonte brute fondue ou en refondant de la fonte brute, souvent avec des quantités importantes 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 à partir du fer fondu, mais cela brûle également le carbone, qui doit être remplacé. La teneur en carbone et en silicium est ajustée aux niveaux souhaités, qui peuvent aller de 2 à 3,5 % et 1 à 3 %, respectivement, selon l'application. D'autres éléments peuvent ensuite être ajoutés à la fonte si vous le souhaitez avant de couler la forme finale.

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