Une fonte est un alliage mйtallique dont l'йlйment essentiel est le fer, et dont la teneur en carbone est supйrieure а 2%. Il est а noter que la prйsence de fortes teneurs en йlйments carburigиnes peut modifier cette limite de la teneur en carbone. Dans la pratique les pourcentages de carbone se situent le plus souvent entre 3 et 4%.
Silicium. 0.5 а 2.5%
Manganиse. 0.4 а 1%
Phosphore. 0 а 2%
a) Fontes de premiиre fusion. c'est la fonte de base qui est obtenue directement par le traitement du minerai. Le dйroulement des opйrations est le suivant.
* Extraction du minerai
* Enrichissement pour йliminer le plus possible de gangue.
* Agglomйration pour en faire des blocs.
* Rйduction de ce minerai dans un haut fourneau pour obtenir de la fonte de premiиre fusion, dont une partie sera affinйe pour mouler des piиces en fonte.
b) Fontes de composition chimique dйfinie. ces fontes peuvent кtre йlaborйes dans plusieurs sortes d'appareils, les cubilots qui sont les plus utilisйs, les fours йlectriques, fixes ou non, а arcs ou а induction.
c) Fontes de seconde fusion. elles sont obtenues par refusion des gueuses de premiиres fusion, affinage et dosage en fonction de la nuance voulue. Il faut remarquer que la plupart du temps on rajoute а ces gueuses des retours de fonderie.
d) Fontes synthйtiques. elles sont obtenues par fusion d'une charge permettant de rйaliser une synthиse chimique de tous les йlйments simples qui constituent la fonte. Le fer est alors apportй par des riblons d'aciers non alliйs, les йlйments а introduire, par des ferro-alliages correspondants. Pour le carbone, on ajoute du ferromanganиse carburй, ou du graphite.
3 - Diffйrents types de fontes :
Carbone total (Ct): quantitй totale de carbone contenue dans la fonte, sous quelque forme qu'il soit. Ces quantitйs s'expriment presque toujours sous forme de pourcentage en poids.
Carbone graphitique (Cgr): pourcentage de carbone pur cristallisй dans le systиme hexagonal, on en parle seulement lorsque la totalitй du carbure ne se prйsente pas sous cette forme dans la fonte. C'est un constituant trиs tendre et trиs friable n'ayant aucune cohйsion.
Carbone йquivalent (Cйq): (а dйfinir)
Eutectique. se situe а 4.3% de C pour les fontes grises et а 4.25% de C pour les fontes blanches. Dans le cas d'une fonte alliйe on se sert de l'indice de saturation du carbone Sc.
D = 4.25 ou 4.3 -(0.31 Si) - (0.25 P) + 0.07 (Mn -2S) - (0.14 Cr) - (0.11 Ni) - (0.16 Al) - (0.4 Mo)
Si Sc > 1. Fonte hypoeutectique
Si Sc < 1. Fonte hypereutectique
4 - Structure des fontes :
On peut dire en premiиre approximation que la structure d'une fonte est comparable а la structure d'un acier qui possиderait ou non du graphite et ayant une teneur en carbone variable.
Dans le cas d'une fonte blanche (sans graphite), la solidification et le refroidissement s'opиrent suivant le diagramme mйtastable. Fer-cйmentite.
Dans le cas d'une fonte а graphite, mis а part celui-ci qui peut se prйsenter sous diffйrentes formes, le pourcentage en carbone de la matrice dйpendra de la vitesse de refroidissement. Plusieurs cas se prйsentent, si la vitesse de refroidissement est trиs lente, tout le refroidissement depuis l'йtat liquide s'opйrera suivant le diagramme fer-graphite, et on aura une structure finale ferrite graphite. Si on augmente la vitesse de refroidissement, la solidification commencera suivant le diagramme fer-graphite et а un moment ou un autre se poursuivra selon le diagramme fer-cйmentite. C'est le cas le plus complexe oщ l'on pourra trouver dans la matrice ferrite-perlite ou perlite seule. Il arrive йgalement que dans ces deux matrices on note la prйsence d'une lйdйburite soit pure soit enrichie de phosphore. Si la vitesse de refroidissement devient rapide, la solidification et le refroidissement suivront les lois du diagramme fer cйmentite. Dans ce cas on aura de la ferrite et de la lйdйburite. Plusieurs facteurs ont une influence sur la vitesse de refroidissement, facteurs liйs au moule, а la grosseur de la piиce, а la tempйrature de la fonte au moment de la coulйe, а la tempйrature de dйcochage.
5 - Action des principaux йlйments prйsents dans la fonte :
Carbone. on le trouve sous forme de graphite et combinй au fer. On a remarquй que l'augmentation du carbone graphitique se fait plus rapidement que celle du carbone total. C'est pour cette raison que l'on peut dire que le carbone est un йlйment graphitisant.
Chrome. c'est un йlйment trиs durcissant et carburigиne. Il affine la perlite, amйliorant ainsi les caractйristiques mйcaniques.
avec 1% de chrome, apparition de carbures.
avec 2% de chrome, la fonte devient blanche
avec 12% de chrome les carbures s'affinent
avec 30% de chrome la structure est une ferritique au chrome donnant une bonne rйsistance а la corrosion.
Cuivre. йlйments soluble dans le fer jusqu'а 1.5%. C'est un graphitisant, 1% de cuivre йquivaut а 0.3% de silicium. Il stabilise le graphite et affine la perlite.
Йtain. cet йlйment est intйressant dans les piиces courantes de fonderie, lorsque l'on veut obtenir une matrice perlitique. Ainsi avec 0.1% de Sn seulement, on transforme une matrice ferrito-perlitique en une matrice perlitique.
Manganиse. il est maintenu а une teneur suffisante pour neutraliser le soufre en formant du sulfure de manganиse (MnS). Cette teneur minimale est fixйe а.
Au dessus de cette proportion, il agit comme un faible stabilisant des carbures. En outre il affine la perlite et de ce fait йlиve la rйsistance а la traction. Sa teneur dans les fontes grises est gйnйralement de 0.5 а 0.8%.
Molybdиne. йlйment carburigиne, il favorise la formation de structure aciculaire et affine celle -ci Bonne action sur la rйsistance aux chocs. On l'associe souvent au nickel et au chrome en addition de 0.3 а 1%. On peut en trouver jusqu'а 10% dans les fontes blanches.
Nickel. soluble dans le fer, il n'est pas carburigиne. C'est un йlйment graphitisant, trois fois moins йnergйtique que le silicium. Il affine la structure et plus on en ajoute, plus il modifie celle-ci qui passe de perlite en martensite, puis en austйnite.
Phosphore. sa teneur varie en pratique de 0.05 а 1.5%. A partir d'une teneur de 0.1% environ, il forme un eutectique Fe-Fe3C-Fe3P fondant а 983°C. Cet eutectique phosphoreux ou steadite, crйe des difficultйs d'usinage et peut engendrer des porositйs. Cependant le phosphore amйliore beaucoup la fluiditй et la coulabilitй des fontes, tant que la composition n'est pas hypereutectique. Pour cette raison on emploie des fontes phosphoreuses de 0.7 а 1.2% de phosphore pour la fabrication des piиces а parois minces.
Silicium. c'est un graphitisant puissant, il dйplace les points de transformation vers la gauche, ainsi pour 2% de silicium, l'eutectique se trouve а 3.7% au lieu de 4.3% de carbone, et l'eutectoпde а 0.6% de carbone au lieu de 0.8% de carbone. Il augmente йgalement la tempйrature eutectique. Ces deux actions combinйes font diminuer l'intervalle de solidification pour une teneur en carbone donnй, d'oщ une meilleure fluiditй. On en trouve gйnйralement de 1% а 3%.
Soufre. c'est un йlйment nuisible qui diminue la coulabilitй. Il stabilise les carbures et rend la fonte dure, fragile et poreuse. On combat son effet par une addition de manganиse.
Leur solidification se fait suivant le diagramme fer-cйmentite. De ce fait, leur structure est formйe d'un rйseau important de carbures et d'une matrice perlitique. Leur cassure prйsente un aspect mйtallique blanc brillant. Ces fontes ont une bonne coulabilitй, lйgиrement infйrieures aux fontes grises.
Il ne faut pas confondre fonte blanche avec les fontes trempйes, il ne s'agit pas lа d'une fonte martensitique. Une fonte de composition comparable а celle d'une fonte grise, coulйe contre un refroidisseur peut se transformer en fonte blanche sur une certaine йpaisseur. Cela permet d'allier de bonnes caractйristiques de rйsistance а l'usure avec une meilleure capacitй de rйsistance aux chocs. Dans la zone de transition entre la fonte blanche et la fonte grise, existe une structure intermйdiaire (fonte blanche dans laquelle sont insйrйes des lamelles de graphite) dite fonte truitйe.
Par rapport aux aciers, les fontes blanches prйsentent une duretй йlevйe, d'oщ une grande rйsistance а l'usure par frottement et par abrasion, par contre cette duretй les rend fragiles et pratiquement inusinables par les moyens courants.
Fontes blanches. boulets de broyage, galets d'йcrasement, piиces de pompes pour matйriaux abrasifs, piиces mйcaniques devant rйsister а l'abrasion, garniture de meules, etc.
Fontes trempйes. cylindres de laminoirs, roues de wagons, galets de ponts roulants, etc.
Dans ces fontes, la plupart du carbone se trouve sous forme de lamelles de graphite, formйes par la solidification suivant le diagramme fer-graphite. Ce graphite donne aux fontes une cassure d'aspect gris, d'oщ leur nom.
Graphite. dans l'espace, les particules de graphite se prйsentent comme des feuilles au profil plus ou moins tourmentй. Au microscope, elles apparaissent alors sous forme de bвtonnets aux extrйmitйs effilйes. Leur longueur peut atteindre le millimиtre.
Matrice. comme dans les aciers, la matrice а l'йtat brut de coulйe est composйe de ferrite, perlite, ou d'un mйlange des deux. On y trouve en plus des cristaux d'eutectique phosphoreux lorsque celui-ci dйpasse 0.1% environ. Elle peut йgalement contenir des carbures, lorsque la vitesse de refroidissement est importante ou lorsqu'elle contient des йlйments carburigиnes.
Ferrite. elle est plus dure que celle des aciers en raison de sa teneur en silicium plus йlevйe. La tendance а sa formation croоt avec la quantitй de carbone йquivalent et celles des йlйments graphitisants, mais elle diminue avec la vitesse de refroidissement (sauf s'il y a du graphite de type D).
Perlite. sa duretй croоt avec la finesse de ses lamelles, sa qualitй et sa finesse dйpendent de la composition chimique de la fonte et augmentent avec la vitesse de refroidissement.
b) influence du graphite.
Si les lamelles de graphite n'ont que trиs peu d'influence sur la rйsistance а la compression, par contre il diminue considйrablement la rйsistance а la traction de la matrice.
D'une part car il diminue la section efficace, d'autre part car les lamelles du fait de leur forme crйent un effet d'entaille.
De ce fait lorsqu'un acier et une fonte prйsentent une duretй identique, la rйsistance а la traction de la fonte est beaucoup plus faible que celle de l'acier.
* XC 38 recuit HB = 180 Rm = 600 N/mmЁ
* Fonte grise HB = 200 Rm = 200 N/mmЁ
c) influence de la structure de la matrice.
L'influence des diffйrents constituants est identique а celle qu'ils auraient dans un acier, mis а part la duretй de la ferrite qui est plus importante que dans le cas d'un acier (effet durcissant du silicium).
d) influence de l'йpaisseur.
Les caractйristiques mйcaniques dйpendent beaucoup de l'йpaisseur des piиces, car celle-ci fait varier la vitesse de refroidissement qui elle mкme a une grande influence sur la grosseur et la rйpartition du graphite ainsi que lorsque l'йpaisseur des piиces diminue, la rйsistance et la fragilitй augmentent, d'oщ la composition chimique de la fonte devra кtre adaptйe aux йpaisseur des piиces pour obtenir les caractйristiques mйcaniques voulues.
Il existe trois catйgories de fontes mallйables normalisйes.
- fonte mallйable а cњur blanc. NF A32-701
- fonte mallйable а cњur noir. NF A32-702
- Fonte mallйable perlitique. NF A32-703
L'intйrкt des fontes mallйables est que tout en gardant de bonnes propriйtйs de coulabilitй des fontes, ces matйriaux ont des caractйristiques mйcaniques se rapprochant de l'acier.
a) fabrication et structure.
Les piиces а obtenir sont d'abord moulйes en fonte blanche. Tout le carbone est donc combinй sous forme de cйmentite. Cette cйmentite est ensuite transformйe entiиrement ou du moins en grande partie en graphite par traitement thermique. Suivant le type de fonte mallйable а obtenir, diffйrentes techniques de fabrication sont utilisйes en partant de composition lйgиrement diffйrentes.
Pour les mallйables а cњur blanc.
b) fonte mallйable а cњur blanc.
Elles sont aussi appelйes fonte mallйable europйenne. Les piиces sont placйes dans un four et entourйes d'une atmosphиre oxydante. Elles sont chauffйes aux environs de 1000°C et maintenues а cette tempйrature. La superficie des piиces commence а se dйcarburer, puis le carbone prйsent а l'intйrieur des piиces diffuse vers la surface oщ il est brыlй. Les durйes du traitement peuvent atteindre 60 а 90 heures.
Dans les parties minces, la structure obtenue est entiиrement ferritique et sans carbone. Dans les parties plus йpaisses on peut trouver а cњur quelques nodules de graphite et de la perlite.
On traite de cette maniиre les piиces relativement minces le plus souvent infйrieures а 10 mm.
c) fontes mallйables а cњur noir.
Elles sont aussi appelйes fonte mallйable amйricaine.
Son traitement a йvoluй dans le temps et actuellement, on la traite le plus souvent de la faзon suivante. chauffage vers 930°C, aprиs un maintien, variable, refroidissement (qui peut кtre rapide) jusqu'а 730 740°C. Maintien, puis refroidissement final. On obtient donc par ce traitement une structure entiиrement ferritique parsemйe de nodules de graphite de forme IV rйpartis de faзon uniforme.
On traite par cette mйthode des piиces dont l'йpaisseur va gйnйralement jusqu'а 50 а 60 mm.
Rmq. le temps de traitement dйpend de l'йpaisseur des piиces, mais on remarque qu'а йpaisseur йgale, le traitement est plus court pour une mallйable а cњur noir que pour une mallйable а cњur blanc.
d) Fonte mallйable perlitique.
Cette nuance est obtenue а partir d'une mallйable а cњur noir, selon deux mйthodes diffйrentes.
- Le dйbut du traitement est identique а celui de la mallйable а cњur noir, on le termine par un refroidissement rapide au passage de la tempйrature eutectoпde pour qu'il subsiste environ 0.8 а 1% de carbone combinй dans la matrice (ce qui formera une matrice perlitique). On utilise а cet effet le refroidissement а l'air froid soufflй ou а l'huile. On pratique ensuite un revenu а haute tempйrature de faзon а globuliser la perlite pour amйliorer la ductilitй et l'usinabilitй. Cette mйthode est assez dйlicate car il est difficile d'йviter la formation de ferrite.
- La seconde mйthode consiste а effectuer un traitement de trempe et de revenu sur une fonte mallйable а coeur noir. On rйchauffe les piиces а 850 870°C et on trempe а l'huile gйnйralement, le revenu effectuй entre 550 et 720°C amиnera la fonte а la duretй recherchйe. On obtient ainsi une structure de martensite revenue.
9 - Fontes а graphite sphйroпdal :
Ces fontes sont caractйrisйes par un graphite de solidification sphйroпdal ( de forme VI) rйparti de maniиre uniforme dans la matrice ferritique, ferrito-perlitique, perlitique ( а l'йtat brut de coulйe). Leurs diffйrentes propriйtйs et caractйristiques mйcaniques sont dйfinies par la norme NF A32-201.
La fonte de base destinйe а la transformation en GS peut кtre йlaborйe dans l'un des quelconques fours gйnйralement utilisйs en fonderie. Elle peut avoir une composition chimique variable, mais une trиs faible teneur en soufre, gйnйralement infйrieure а 0.02%.
Remarque. si on coulait cette fonte sans transformation, on aurait une fonte grise, pour obtenir de la fonte GS dans cette fonte de base, on introduit un alliage contenant deux sortes d'йlйments, ayant des rфles opposйs immйdiatement avant coulйe.
Des blanchissants qui ont pour rфle d'empкcher temporairement la formation du graphite en lamelles et а donner de la fonte blanche.
Des йlйments graphitisants qui provoquent la formation de sphйroпdes de graphite.
Il est donc possible d'utiliser plusieurs types d'alliages mais les plus couramment utilisйs sont des mйlanges de Fe-Si-Mg qui sont des produits bon marchй.
Si on utilise un alliage а 6% de Mg, il en faudra une quantitй moyenne de 2.8% ce qui permettra d'obtenir des teneurs rйsiduelles de l'ordre de 0.05% de Mg.
Le point dйlicat de l'opйration est le mode d'introduction de ces alliages dans la fonte liquide occasionnйes par la prйsence du magnйsium qui se transforme brusquement en vapeur. Un certain nombre de mйthodes ont йtй йtudiйes et а l'heure actuelle, la mйthode dite du "sandwich" semble trиs utilisйe. La prйsence de ferrailles lйgиres (riblons) a pour but de retarder la rйaction. On met environ 2% du poids de fonte traitйe. Le volume de la poche doit кtre de 1/3 supйrieur а celui du mйtal traitй, la granulomйtrie de l'alliage au Mg a йgalement une importance, on utilise en gйnйral des grains de 10 а 20 mm.
b) Dйsignation normalisйe.
La fonte а graphite sphйroпdal est dйsignйe par le symbole FGS suivi de deux nombres.
- le premier reprйsentant la valeur minimale de la rйsistance а la traction en N/mm
- le deuxiиme reprйsente la valeur minimale de l'allongement pour cent.
c) caractйristiques mйcaniques.
Par rйfйrence а la norme, la qualitй des fontes GS est dйfinie par ses caractйristiques mйcaniques dйterminйes sur des йprouvettes usinйes а partir d'un bloc йchantillon coulй а part. Les formes et dimensions de ces blocs sont parfaitement dйfinies par la norme.
Le tableau ci-dessous rйsume ces caractйristiques.
Remarque. 1 N/mmІ = 1 MPa = 0.102 Kgf/mmЁ
l'allongement est mesurй sur une longueur initiale entre repиres lo=5 x d
10 - Fontes alliйes ou spйciales :
Lorsque l'on a besoin d'une fonte possйdant des propriйtйs particuliиres, on peut faire appel а ce type de fonte, dont les йlйments d'addition peuvent faire varier les propriйtйs physiques, chimiques ou mйcaniques. Les utilisations que l'on rencontre le plus souvent dans l'industrie, font appel aux qualitйs suivantes.
a) Fontes blanches.
Les fontes ni-hard. sont des fontes а structure martensitique, dont la caractйristique principale est la rйsistance а l'usure, et ce jusqu'а 700°C.
Les fontes а carbures de chrome. en plus de leur rйsistance а l'usure, prйsentent une bonne rйsistance а l'oxydation jusqu'а 900°C.
Les fontes ferritiques au chrome. elles se caractйrisent par une conservation des caractйristiques jusqu'а 600°C, une excellente rйsistance au gonflement et а l'oxydation, jusqu'а 1000°C et une bonne rйsistance а la corrosion par de nombreux acides.
b) Fontes grises et GS.
Les qualitйs suivantes intйressent aussi bien les fontes grises que le fontes GS, а l'exception des fontes а 14 18% de silicium dont le graphite est lamellaire.
Les fontes perlitiques amйliorйes. elles permettent par une addition modйrйe en йlйments une amйlioration des caractйristiques mйcaniques ou de la rйsistance а l'usure, aux frottements, une amйlioration de la rйsistance aux tempйratures infйrieures а 550°C ou une augmentation de la rйsistance а la corrosion par des milieux moyennement agressifs.
Les fontes bainitiques ou martensitiques. elles sont obtenues а l'йtat brut de coulйe, ces structures prйsentent une excellente rйsistance а l'usure par frottement mкme sous des pressions йlevйes, alliйe а des caractйristiques mйcaniques йlevйes et une bonne capacitй d'amortissement des vibrations.
Les fontes ferritiques а 5-7% de Si. elles forment une couche de silice en surface qui empкche le dйveloppement de l'oxydation et le gonflement des particules de graphite. Les tempйratures d'utilisation atteignent 850°C (Graphite lamellaire) ou 900°C (graphite sphйroпdal).
Les fontes ferritiques а 14-18% de Si. а graphite lamellaire, excellente rйsistance а la corrosion par la plupart des acides organiques et minйraux а toute concentration et par les sels trиs agressifs.
Les fontes austйnitiques. elles forment un groupe important dйfini dans la norme NF A32-301.
Parmi les vingt qualitйs dйfinies, chacune correspond а une application particuliиre (Ni-Resist, Nicrosital, Nomag. ). Selon les qualitйs, ces fontes possиdent les propriйtйs suivantes.
* bonne rйsistance а la corrosion dans divers milieux.
* rйsistance aux tempйratures йlevйes jusqu'а 900°C.
* bonne rйsilience а basse tempйrature jusqu'а -200°C.
* rйsistance а l'usure par frottement supйrieure а celle des aciers gamma.
* rйsistivitй йlectrique йlevйe.
* coefficient de dilatation adaptable suivant la quantitй d'йlйments d'addition.