Fonte 101 : Composition, utilisations, avantages et inconvénients expliqués

Dans cet article, vous apprendrez la définition, les applications, les propriétés, la composition et les types de fonte. Vous découvrirez également les avantages et inconvénients de la fonte.

Qu'est-ce que la fonte ?

La fonte est un groupe d'alliages de carbone contenant 2 à 4 % de carbone et une quantité variable de silice et de manganèse. Elle contient aussi des impuretés comme le phosphore et le soufre. Elle est produite par la réduction du minerai de fer dans un haut fourneau et son matériau premier est le fer de fonte produit à partir de minerai de fer fondu dans un fourneau. Ce fer est fabriqué directement à partir de fer de fonte en fusion ou par refusion de fer de fonte, souvent avec des quantités substantielles de fer, calcaire, acier ou coke.

Elle peut être fondue dans un type spécial de haut fourneau appelé cupola, mais elle est plus souvent fondue dans des fours à induction électrique ou des fours à arc électrique.

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Comme mentionné plus haut, la fonte est produite à partir de fer de fonte, calcaire et coke. Son processus de fabrication se déroule dans un fourneau cupola par refusion de ces trois matériaux. Le fourneau cupola est plus ou moins le même que le haut fourneau. Il est de forme cylindrique, avec un diamètre d'environ 1 m et une hauteur d'environ 5 m. Les matériaux sont versés par le haut du fourneau puis chauffés. À ce stade, les impuretés du fer de fonte sont éliminées dans une certaine mesure par oxydation qui forme le fer en fusion. La scorie est ensuite retirée du haut du fer en fusion à intervalles réguliers. Le fer en fusion est ensuite versé dans un moule pour former les formes requises.

Applications de la fonte

Les applications de la fonte sont courantes dans le monde de l'ingénierie : génie mécanique, chantiers de construction, ateliers de menuiserie, etc. Voici les applications de la fonte :

• Coulée ornementale : portails, lampadaires, supports, colonnes en fer pour petites couvertures.
• Membres en compression.
• Production de citernes, tuyaux d'eau, tuyaux de gaz, égouts, raccords sanitaires et regards.
• Fabrication de chaînes ferroviaires, roues de chariots, etc.

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Applications courantes par type de fonte :

• Fonte grise : capable de résister à l'usure, utilisée pour blocs moteurs, culasses, collecteurs, engrenages de brûleurs à gaz, boîtiers et carters.
• Fonte blanche : matériau fragile à cause du processus de trempe. Utilisée pour applications nécessitant résistance à l'usure et à l'abrasion : buses de sablage, chemises de moulins, sabots de frein ferroviaires, cylindres de laminoirs, corps de pompes à boue, concasseurs.
• Fonte ductile : applications vastes car déclinable en différents grades. Facilement usinable, bonne résistance à la fatigue et à l'écrouissage, bonne résistance à l'usure. Utilisée pour fusées de direction, vilebrequins, engrenages lourds, composants de suspension automobile, composants hydrauliques, charnières de portières automobiles.
• Fonte malléable : aussi de différents grades. Capacité à retenir et stocker les lubrifiants, particules d'usure non abrasives, surface poreuse piégeant les débris abrasifs. Utilisée pour surfaces de roulement lourdes, chaînes, pignons, bielles, composants d'entraînement et d'essieu, matériel roulant ferroviaire.

Propriétés mécaniques de la fonte

• Dureté – résistance du matériau à l'abrasion et à l'indentation
• Ténacité – capacité du matériau à absorber l'énergie
• Ductilité – capacité du matériau à se déformer sans fracture
• Élasticité – capacité du matériau à revenir à ses dimensions initiales après déformation
• Malléabilité – capacité du matériau à se déformer sous compression sans rupture
• Résistance à la traction – contrainte longitudinale maximale supportable sans rupture
• Résistance à la fatigue – contrainte maximale supportable pour un nombre donné de cycles sans rupture

Autres éléments d'alliage ajoutés pour produire :

• Manganèse : augmente résistance à l'usure et à l'abrasion
• Chrome : augmente trempabilité, résistance à l'usure, à la corrosion et à l'oxydation
• Nickel : augmente résistance à la traction
• Tungstène : augmente dureté à chaud et résistance à chaud
• Molybdène : augmente trempabilité
• Vanadium : augmente trempabilité et dureté à chaud
• Silicium : augmente trempabilité et résistivité électrique
• Aluminium : agit comme désoxydant dans l'acier
• Titane : agit comme désoxydant dans l'acier
• Niobium : réduit trempabilité, augmente ductilité, donc résistance aux chocs
• Cobalt : réduit trempabilité, résiste au ramollissement à haute température

Types de fonte

Fonte grise :

Ces types de fonte ont une apparence grisâtre, causée par leur microstructure graphitique qui entraîne des fractures de cette couleur. Elle a une résistance à la traction et une résistance inférieures à l'acier et sa résistance à la compression est comparable à l'acier au carbone faible et moyen. Ces propriétés sont basées sur la taille et la forme des lamelles de graphite présentes dans la microstructure.

Fonte blanche :

La fonte blanche montre des surfaces de fracture blanches car elle contient un carbure de fer appelé "cémentite". En raison d'une faible teneur en silicium et d'un taux de refroidissement plus rapide. Le carbone dans la fonte blanche précipite et lui permet de fondre sous forme de phase métastable cémentite (Fe3C) plutôt que graphite. La cémentite précipite de la fusion sous forme de particules relativement grosses. Au fur et à mesure que le carbure de fer précipite, il retire du carbone de la fusion originale, rapprochant le mélange de l'eutectique, et la phase restante est l'austénite fer-carbone inférieure (qui au refroidissement peut se transformer en martensite).

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Fonte malléable :

Le processus de fonte malléable commence par une coulée blanche chauffée à environ 950 °C (1 740 °F) puis refroidie pendant un ou deux jours. Le carbone dans le carbure de fer se transforme alors en graphite et ferrite plus carbone (austénite). Le processus lent permet à la tension de surface de former le graphite en particules sphéroïdales plutôt qu'en lamelles.

Fonte ductile :

Ces types de fonte sont aussi appelés nodulaire ou ductile. Développée en 1948. La fonte ductile a du graphite sous forme de minuscules nodules avec du graphite en couches concentriques formant les nodules. Les propriétés de ces fers ductiles sont celles d'un acier spongieux avec l'effet de concentration de contrainte que produiraient des lamelles de graphite – de minuscules quantités de 0,02 à 0,1 % de magnésium, et seulement 0,02 à 0,4 % de cérium ajoutés à ces alliages ralentissent la croissance des précipités de graphite en se liant aux bords des plans de graphite.

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Avantages et inconvénients de la fonte

Avantages :

• bonnes propriétés de coulée
• disponible en grandes quantités
• faible coût du matériau
• bonne usinabilité pour la fonte grise
• bonne sensibilité
• excellente résistance à l'usure
• propriétés mécaniques constantes entre 20 et 350 °C
• haute durabilité
• résistance à la déformation

Inconvénients :

Malgré les bons avantages de ce matériau, certaines limitations persistent. Voici les inconvénients de la fonte dans ses diverses applications :

• faible résistance à la traction
• sujette à la rouille
• les matériaux sont sensibles à l'épaisseur, à cause du refroidissement lent des sections épaisses
• fragilité élevée
• la fonte blanche ne peut pas être usinée
• pas d'exposition du point d'écoulement

C'est tout pour cet article, où la définition, les applications, les propriétés, la composition et les types de fonte sont discutés. Vous avez aussi appris les avantages et inconvénients de la fonte. J'espère que vous en avez retiré l'essentiel, si c'est le cas, partagez avec d'autres étudiants. Merci pour votre lecture, à la prochaine !