Fonte grise (CI) : Composition, couleur de fracture et prévention des fissures

Les composants de l'alliage influencent sa couleur lors de la rupture : la fonte blanche contient des impuretés de carbure qui créent des chemins pour la fissure. La fonte grise possède des lamelles de graphite qui simulent les fissures, initiant d'innombrables nouvelles fissures à la rupture. La fonte ductile contient du graphite sphéroïdal (« nodules ») qui inhibe la propagation de la fracture.

Carbone (C) : 1,8 à 4 % en poids. Silicium (Si) : 1 à 3 % en poids. Ce sont les principaux éléments d'alliage de la fonte. Seuls les alliages de fer spécifiques avec une quantité minimale de carbone sont définis comme acier. La fonte est cassante, sauf la fonte malléable. Son point de fusion relativement bas assure une bonne fluidité, une excellente usinabilité, une résistance à la déformation et à l'usure.

Les fontes sont devenues un matériau d'ingénierie à large éventail d'applications : tuyauterie, machinerie, pièces automobiles. Applications typiques : culasses, blocs moteurs, boîtes de vitesses. Elles résistent aussi à l'oxydation, ce qui augmente leur utilité.

Histoire de la fonderie de fonte

Les plus anciens artefacts en fonte remontent au 5e siècle av. J.-C., découverts en Jiangsu, Chine. Les chercheurs pensent que l'utilisation de la fonte a commencé très tôt en Chine continentale, pour créer des produits agricoles, domestiques et militaires.

Au 15e siècle, la fonte servit pour les canons en Bourgogne, France et Angleterre pendant la Réforme. Les quantités nécessaires pour les canons exigeaient une production à grande échelle.

Le premier pont en fonte fut construit en 1770 par Abraham Darby III : le Iron Bridge dans le Shropshire, Angleterre. La fonte fut aussi utilisée pour l'érection de nombreux bâtiments, son usage architectural devenant très répandu.

Utilisation de la fonte en production de masse industrielle

La fonte est créée principalement à partir de fonte de première fusion (fonte brute) ou par refusion de celle-ci, souvent avec des quantités substantielles de fer, d'acier, de calcaire, de carbone (coke) et diverses étapes pour éliminer les contaminants indésirables. Selon l'application, les teneurs en carbone et silicium sont ajustées aux niveaux souhaités (2–3,5 % et 1–3 % respectivement).

La fonte brute est le sous-produit de la fusion du minerai de fer au haut fourneau. Le phosphore et le soufre peuvent être éliminés par combustion dans le fer fondu, mais cela élimine aussi le carbone, qui doit être remplacé. Si désiré, d'autres éléments sont ajoutés à la fusion avant la coulée finale. La fonte est parfois fondue dans un haut fourneau unique appelé cupola. En applications modernes, on utilise plus souvent des fours à induction électrique ou à arc électrique. Une fois la fusion terminée, la fonte en fusion est versée dans un four de maintien ou une poche de coulée.

Propriétés de la fonte

Les propriétés sont modifiées en ajoutant divers éléments d'alliage. Outre le carbone, le silicium est l'alliant le plus important car il déplace le carbone de la solution. Un faible pourcentage de silicium laisse le carbone en solution, formant du carbure de fer et produisant de la fonte blanche.

Un pourcentage élevé de silicium déplace le carbone, créant du graphite et produisant de la fonte grise. D'autres éléments (manganèse, chrome, molybdène, titane, vanadium) contrecarrent le silicium et favorisent la rétention de carbone et la formation de carbures. Nickel et cuivre augmentent la résistance et l'usinabilité sans changer la quantité de graphite.

Le carbone sous forme de graphite adoucit le fer, réduit le retrait, diminue la résistance et la densité. Le soufre, principalement comme impureté, forme du sulfure de fer qui empêche la formation de graphite et augmente la dureté. Problème : le soufre rend la fonte fondue collante, causant des défauts. Pour contrer cela, on ajoute du manganèse qui forme des sulfures de manganèse au lieu de sulfure de fer. Le sulfure de manganèse est plus léger que le bain fondu, il remonte vers les scories.

La quantité de manganèse nécessaire pour neutraliser le soufre : 1,7 × teneur en soufre + 0,3 %. Si plus de manganèse est ajouté, du carbure de manganèse se forme, augmentant dureté et refroidissement, sauf pour la fonte grise où jusqu'à 1 % de manganèse augmente résistance et densité.

Matériaux raffinés pour la fonderie

Nickel : Affine la structure de la perlite et du graphite, améliore la ductilité, égalise les différences de dureté entre épaisseurs de section.

Chrome : Ajouté en petites quantités pour réduire le graphite libre, favoriser le refroidissement, fort stabilisateur de carbure ; souvent ajouté avec le nickel. Peut remplacer 0,5 % de chrome.

Cuivre : 0,5–2,5 % en poche ou au four pour réduire le refroidissement, affiner le graphite, augmenter la fluidité.

Molybdène : 0,3–1 % pour augmenter le refroidissement, améliorer la structure graphite-perlite ; souvent combiné avec nickel, cuivre, chrome pour produire de la fonte à haute résistance.

Titane : Dégazeur et désoxydant, augmente aussi la fluidité.

Vanadium (0,15–0,5 %) : Stabilise la cémentite, augmente dureté, résistance à l'usure et à la chaleur.

Zirconium (0,1–0,3 %) : Favorise la formation de graphite, désoxyde, augmente la fluidité.

En fonte malléable, le bismuth (0,002–0,01 %) augmente la quantité de silicium ajoutée. Le bore ajouté à la fonte blanche aide à produire de la fonte malléable et réduit l'effet grossier du bismuth.

Le type le plus courant : la fonte grise

La fonte grise se caractérise par une microstructure graphite qui donne une couleur grise aux fissures. C'est la fonte la plus utilisée et le matériau de coulée le plus utilisé en poids. Composition typique : 2,5–4,0 % carbone, 1–3 % silicium, le reste fer.

La fonte grise a une résistance à la traction et aux chocs inférieure à l'acier, mais sa résistance à la compression est comparable aux aciers à faible et moyen carbone. Ces propriétés mécaniques sont contrôlées par la taille et la forme des lamelles de graphite dans la microstructure, caractérisables selon les normes ASTM.

En résumé, la fonderie de fonte (CI) est simplement de la fonte, un groupe spécialisé d'alliages fer-carbone. Attention à la teneur en carbone > 2 % : cela signifie un point de fusion très bas. Les ingrédients de l'alliage changent la couleur à la rupture : fonte blanche (carbures = fissures traversantes), fonte grise (lamelles graphite = réflexion de la fissure et multiplication), fonte ductile (nodules graphite sphéroïdaux = inhibition de la propagation). Tout sur la fonderie CI !