Moulages en fonte : fondamentaux et importance industrielle

La découverte de la valeur du fer a mené à l'Âge du Fer, par la dominance de ce matériau dans les applications sociales et militaires. Un autre jalon pour les métaux : la révolution industrielle a changé la production et la transformation des métaux, dont le fer.

Fonte

La fonte est produite par fusion de fer et d'alliages de carbone avec teneur en carbone > 2 %. Après fusion, le métal est coulé dans le moule. La différence principale avec le fer forgé : la fonte n'est pas travaillée au marteau et aux outils. Différences de composition : 2-4 % carbone, 1-3 % silicium (améliore l'aptitude au moulage), plus de faibles quantités de manganèse et impuretés (soufre, phosphore). Différences aussi dans la structure chimique et propriétés physiques.

Bien que l'acier et la fonte contiennent du carbone et semblent similaires, il y a des différences significatives. L'acier < 2 % carbone, solidification en structure microcristalline unique. La teneur plus élevée en carbone de la fonte = solidification en alliage hétérogène, avec plusieurs structures microcristallines.

Cette combinaison de carbone élevé et silicium donne une excellente aptitude au moulage. Divers types de fonte sont produits par traitements thermiques et techniques : grise, blanche, malléable, ductile, graphite compact.

Pont en fonte

Les détails de construction en fonte sont faits par fusion et coulée en moule.

Fonte grise

Caractérisée par la forme lamellaire des particules de graphite. À la fracture, celle-ci suit les lamelles, donnant une couleur grise à la surface. D'où le nom. On peut contrôler la taille et structure de la matrice de lamelles en ajustant le taux de refroidissement et la composition. La fonte grise est moins ductile que d'autres fontes et sa résistance à la traction est plus faible. Mais elle est meilleure conductrice de chaleur et a un amortissement des vibrations 20-25 fois supérieur à l'acier, surpassant toutes les autres fontes. Plus facile à usiner, sa résistance à l'usure en fait un des produits en fonte au plus grand volume.

Nos produits d'aménagement sont en fonte grise. Amortissement et résistance à l'usure la rendent adaptée à de nombreuses applications urbaines. La fonte grise brute produit une patine protectrice contre la corrosion même en extérieur.

Fonte blanche

Avec teneur en carbone appropriée et taux de refroidissement élevé, les atomes de carbone se combinent au fer pour former du carbure de fer. Peu ou pas de particules de graphite libres dans le matériau solidifié. À la fracture, la surface apparaît blanche par absence de graphite. La structure de cémentite est dure et fragile, avec haute résistance à la compression et bonne résistance à l'abrasion. Dans certaines applications spécialisées, il est souhaitable d'avoir de la fonte blanche en surface. Obtenu en utilisant un bon conducteur thermique pour les parties du moule, évacuant vite la chaleur de cette zone tandis que le reste refroidit plus lentement.

Un type populaire de fonte blanche est le Ni-Hard. L'ajout de chrome et nickel donne d'excellentes performances en abrasion glissante à faible impact. Fonte blanche et Ni-Hard entrent dans la classification ASTM A532 : « Spécification standard pour fonte résistante à l'abrasion ».

Fonte malléable

La fonte blanche peut être transformée en fonte malléable par traitement thermique. Un programme étendu de chauffage et refroidissement décompose les particules de carbure de fer, libérant des particules de graphite libres dans le fer. Par différents taux de refroidissement et ajouts d'alliages, on obtient de la fonte ductile à structure microcristalline.

Fonte ductile (fonte nodulaire)

La fonte ductile obtient ses propriétés spéciales en ajoutant du magnésium à l'alliage. Le magnésium fait former au graphite une forme sphérique au lieu de lamelles. Le contrôle de composition est crucial. De faibles quantités d'impuretés (soufre, oxygène) réagissent avec le magnésium, affectant la forme des particules de graphite. Différentes nuances sont faites en manipulant la structure microcristalline autour de la sphère de graphite, par coulée ou traitement thermique.

Comme la fonte ductile se déforme à l'impact au lieu de se briser, nous l'utilisons pour nos poteaux en fonte. Le profil d'impact la rend bonne pour les bornes près du trafic.

Fonte à graphite compact

La fonte à graphite compact a une structure et propriétés mixtes entre grise et blanche. Structure microcristalline autour de lamelles de graphite émoussées attachées entre elles. Un alliage comme le titane inhibe la formation de graphite sphéroïdal. Elle a une résistance à la traction plus élevée et meilleure ductilité que la fonte grise. Structure et propriétés ajustables par traitement thermique ou ajouts d'alliages.

PROPRIÉTÉS MÉCANIQUES DE LA FONTE

Les propriétés mécaniques indiquent la réaction sous certaines conditions, déterminant l'adéquation pour différentes applications. Les spécifications sont fixées par des organismes comme ASTM. La spécification la plus courante pour la fonte grise est ASTM A48.

Pour qualifier les moulages selon spécifications, la méthode standard est de couler une barre d'essai avec les pièces techniques. Les essais ASTM sont appliqués à cette barre et les résultats qualifient tout le lot.

Les spécifications sont aussi importantes pour le soudage de pièces en fonte. La soudure doit répondre ou dépasser les propriétés mécaniques du matériau, sinon fissures et dommages peuvent survenir.

Soudage de la fonte

En soudage, il est crucial que la soudure réponde ou dépasse les propriétés mécaniques pour éviter fissures et ruptures.

Propriétés mécaniques courantes :

• Dureté — résistance à l'abrasion et l'indentation
• Ténacité — capacité à absorber l'énergie
• Ductilité — capacité à se déformer sans fracture
• Élasticité — retour aux dimensions d'origine après déformation
• Malléabilité — déformation sous compression sans rupture
• Résistance à la traction — contrainte longitudinale max sans rupture
• Résistance à la fatigue — contrainte max supportée pour un nombre de cycles sans rupture