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Les Fontes Retour
Une fonte est un alliage métallique dont l'élément essentiel est le fer, et dont la teneur en carbone est supérieure à 2%. Il est à noter que la présence de fortes teneurs en éléments carburigènes 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%.
a) Fontes de première fusion : c'est la fonte de base qui est obtenue directement par le traitement du minerai. Le déroulement des opérations est le suivant : * Extraction du minerai * Concassage, broyage * Enrichissement pour éliminer le plus possible de gangue. * Agglomération pour en faire des blocs. * Réduction de ce minerai dans un haut fourneau pour obtenir de la fonte de première fusion, dont une partie sera affinée pour mouler des pièces en fonte.
b) Fontes de composition chimique définie : ces fontes peuvent être élaborées dans plusieurs sortes d'appareils, les cubilots qui sont les plus utilisés, les fours électriques, fixes ou non, à arcs ou à induction.
c) Fontes de seconde fusion : elles sont obtenues par refusion des gueuses de premières fusion, affinage et dosage en fonction de la nuance voulue. Il faut remarquer que la plupart du temps on rajoute à ces gueuses des retours de fonderie.
d) Fontes synthétiques : elles sont obtenues par fusion d'une charge permettant de réaliser une synthèse chimique de tous les éléments simples qui constituent la fonte. Le fer est alors apporté par des riblons d'aciers non alliés, les éléments à introduire, par des ferro-alliages correspondants. Pour le carbone, on ajoute du ferromanganèse carburé, ou du graphite.
Carbone total (Ct): quantité totale de carbone contenue dans la fonte, sous quelque forme qu'il soit. Ces quantités s'expriment presque toujours sous forme de pourcentage en poids.
Carbone graphitique (Cgr): pourcentage de carbone pur cristallisé dans le système hexagonal, on en parle seulement lorsque la totalité du carbure ne se présente pas sous cette forme dans la fonte. C'est un constituant très tendre et très friable n'ayant aucune cohésion.
Carbone équivalent (Céq): (à définir)
Eutectique : se situe à 4.3% de C pour les fontes grises et à 4.25% de C pour les fontes blanches. Dans le cas d'une fonte alliée on se sert de l'indice de saturation du carbone Sc.
Sc = % Ct / D
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
On peut dire en première approximation que la structure d'une fonte est comparable à la structure d'un acier qui possèderait 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'opèrent suivant le diagramme métastable : Fer-cémentite.
Dans le cas d'une fonte à graphite, mis à part celui-ci qui peut se présenter sous différentes formes, le pourcentage en carbone de la matrice dépendra de la vitesse de refroidissement. Plusieurs cas se présentent, si la vitesse de refroidissement est très lente, tout le refroidissement depuis l'état liquide s'opérera 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 à un moment ou un autre se poursuivra selon le diagramme fer-cémentite. C'est le cas le plus complexe où l'on pourra trouver dans la matrice ferrite-perlite ou perlite seule. Il arrive également que dans ces deux matrices on note la présence d'une lédéburite soit pure soit enrichie de phosphore. Si la vitesse de refroidissement devient rapide, la solidification et le refroidissement suivront les lois du diagramme fer cémentite. Dans ce cas on aura de la ferrite et de la lédéburite. Plusieurs facteurs ont une influence sur la vitesse de refroidissement, facteurs liés au moule, à la grosseur de la pièce, à la température de la fonte au moment de la coulée, à la température de décochage.
Carbone : on le trouve sous forme de graphite et combiné au fer. On a remarqué 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 élément graphitisant.
Chrome : c'est un élément très durcissant et carburigène. Il affine la perlite, améliorant ainsi les caractéristiques mécaniques. 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 résistance à la corrosion. Cuivre : éléments soluble dans le fer jusqu'à 1.5%. C'est un graphitisant, 1% de cuivre équivaut à 0.3% de silicium. Il stabilise le graphite et affine la perlite.
Étain : cet élément est intéressant dans les pièces 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.
Manganèse : il est maintenu à une teneur suffisante pour neutraliser le soufre en formant du sulfure de manganèse (MnS). Cette teneur minimale est fixée à : Mn = 1.7 %S + 0.3 Au dessus de cette proportion, il agit comme un faible stabilisant des carbures. En outre il affine la perlite et de ce fait élève la résistance à la traction. Sa teneur dans les fontes grises est généralement de 0.5 à 0.8%.
Molybdène : élément carburigène, il favorise la formation de structure aciculaire et affine celle -ci Bonne action sur la résistance aux chocs. On l'associe souvent au nickel et au chrome en addition de 0.3 à 1%. On peut en trouver jusqu'à 10% dans les fontes blanches.
Nickel : soluble dans le fer, il n'est pas carburigène. C'est un élément graphitisant, trois fois moins énergétique 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 austénite.
Phosphore : sa teneur varie en pratique de 0.05 à 1.5%. A partir d'une teneur de 0.1% environ, il forme un eutectique Fe-Fe3C-Fe3P fondant à 983°C. Cet eutectique phosphoreux ou steadite, crée des difficultés d'usinage et peut engendrer des porosités. Cependant le phosphore améliore beaucoup la fluidité et la coulabilité des fontes, tant que la composition n'est pas hypereutectique. Pour cette raison on emploie des fontes phosphoreuses de 0.7 à 1.2% de phosphore pour la fabrication des pièces à parois minces.
Silicium : c'est un graphitisant puissant, il déplace les points de transformation vers la gauche, ainsi pour 2% de silicium, l'eutectique se trouve à 3.7% au lieu de 4.3% de carbone, et l'eutectoïde à 0.6% de carbone au lieu de 0.8% de carbone. Il augmente également la température eutectique. Ces deux actions combinées font diminuer l'intervalle de solidification pour une teneur en carbone donné, d'où une meilleure fluidité. On en trouve généralement de 1% à 3%.
Soufre : c'est un élément nuisible qui diminue la coulabilité. Il stabilise les carbures et rend la fonte dure, fragile et poreuse. On combat son effet par une addition de manganèse.
Leur solidification se fait suivant le diagramme fer-cémentite. De ce fait, leur structure est formée d'un réseau important de carbures et d'une matrice perlitique. Leur cassure présente un aspect métallique blanc brillant. Ces fontes ont une bonne coulabilité, légèrement inférieures aux fontes grises.
Il ne faut pas confondre fonte blanche avec les fontes trempées, il ne s'agit pas là d'une fonte martensitique. Une fonte de composition comparable à celle d'une fonte grise, coulée contre un refroidisseur peut se transformer en fonte blanche sur une certaine épaisseur. Cela permet d'allier de bonnes caractéristiques de résistance à l'usure avec une meilleure capacité de résistance aux chocs. Dans la zone de transition entre la fonte blanche et la fonte grise, existe une structure intermédiaire (fonte blanche dans laquelle sont insérées des lamelles de graphite) dite fonte truitée.
Par rapport aux aciers, les fontes blanches présentent une dureté élevée, d'où une grande résistance à l'usure par frottement et par abrasion, par contre cette dureté les rend fragiles et pratiquement inusinables par les moyens courants.
Applications courantes :
Fontes blanches : boulets de broyage, galets d'écrasement, pièces de pompes pour matériaux abrasifs, pièces mécaniques devant résister à l'abrasion, garniture de meules, etc...
Fontes trempées : 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, formées par la solidification suivant le diagramme fer-graphite. Ce graphite donne aux fontes une cassure d'aspect gris, d'où leur nom.
Graphite : dans l'espace, les particules de graphite se présentent comme des feuilles au profil plus ou moins tourmenté. Au microscope, elles apparaissent alors sous forme de bâtonnets aux extrémités effilées. Leur longueur peut atteindre le millimètre.
Matrice : comme dans les aciers, la matrice à l'état brut de coulée est composée de ferrite, perlite, ou d'un mélange des deux. On y trouve en plus des cristaux d'eutectique phosphoreux lorsque celui-ci dépasse 0.1% environ. Elle peut également contenir des carbures, lorsque la vitesse de refroidissement est importante ou lorsqu'elle contient des éléments carburigènes.
Ferrite : elle est plus dure que celle des aciers en raison de sa teneur en silicium plus élevée. La tendance à sa formation croît avec la quantité de carbone équivalent et celles des éléments graphitisants, mais elle diminue avec la vitesse de refroidissement (sauf s'il y a du graphite de type D).
Perlite : sa dureté croît avec la finesse de ses lamelles, sa qualité et sa finesse dépendent de la composition chimique de la fonte et augmentent avec la vitesse de refroidissement.
Si les lamelles de graphite n'ont que très peu d'influence sur la résistance à la compression, par contre il diminue considérablement la résistance à 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 créent un effet d'entaille. De ce fait lorsqu'un acier et une fonte présentent une dureté identique, la résistance à la traction de la fonte est beaucoup plus faible que celle de l'acier.
Exemple :
* XC 38 recuit HB = 180 Rm = 600 N/mm¨ * Fonte grise HB = 200 Rm = 200 N/mm¨
L'influence des différents constituants est identique à celle qu'ils auraient dans un acier, mis à part la dureté de la ferrite qui est plus importante que dans le cas d'un acier (effet durcissant du silicium).
Les caractéristiques mécaniques dépendent beaucoup de l'épaisseur des pièces, car celle-ci fait varier la vitesse de refroidissement qui elle même a une grande influence sur la grosseur et la répartition du graphite ainsi que lorsque l'épaisseur des pièces diminue, la résistance et la fragilité augmentent, d'où la composition chimique de la fonte devra être adaptée aux épaisseur des pièces pour obtenir les caractéristiques mécaniques voulues.
Il existe trois catégories de fontes malléables normalisées : - fonte malléable à cœur blanc : NF A32-701 - fonte malléable à cœur noir : NF A32-702 - Fonte malléable perlitique : NF A32-703 L'intérêt des fontes malléables est que tout en gardant de bonnes propriétés de coulabilité des fontes, ces matériaux ont des caractéristiques mécaniques se rapprochant de l'acier.
Les pièces à obtenir sont d'abord moulées en fonte blanche. Tout le carbone est donc combiné sous forme de cémentite. Cette cémentite est ensuite transformée entièrement ou du moins en grande partie en graphite par traitement thermique. Suivant le type de fonte malléable à obtenir, différentes techniques de fabrication sont utilisées en partant de composition légèrement différentes :
Pour les malléables à cœur blanc :
Pour les malléables à cœur noir :
Elles sont aussi appelées fonte malléable européenne. Les pièces sont placées dans un four et entourées d'une atmosphère oxydante. Elles sont chauffées aux environs de 1000°C et maintenues à cette température. La superficie des pièces commence à se décarburer, puis le carbone présent à l'intérieur des pièces diffuse vers la surface où il est brûlé. Les durées du traitement peuvent atteindre 60 à 90 heures.
Dans les parties minces, la structure obtenue est entièrement ferritique et sans carbone. Dans les parties plus épaisses on peut trouver à cœur quelques nodules de graphite et de la perlite. On traite de cette manière les pièces relativement minces le plus souvent inférieures à 10 mm.
Elles sont aussi appelées fonte malléable américaine.
Son traitement a évolué dans le temps et actuellement, on la traite le plus souvent de la façon suivante : chauffage vers 930°C, après un maintien, variable, refroidissement (qui peut être rapide) jusqu'à 730 740°C. Maintien, puis refroidissement final. On obtient donc par ce traitement une structure entièrement ferritique parsemée de nodules de graphite de forme IV répartis de façon uniforme.
On traite par cette méthode des pièces dont l'épaisseur va généralement jusqu'à 50 à 60 mm.
Rmq : le temps de traitement dépend de l'épaisseur des pièces, mais on remarque qu'à épaisseur égale, le traitement est plus court pour une malléable à cœur noir que pour une malléable à cœur blanc.
Cette nuance est obtenue à partir d'une malléable à cœur noir, selon deux méthodes différentes.
- Le début du traitement est identique à celui de la malléable à cœur noir, on le termine par un refroidissement rapide au passage de la température eutectoïde pour qu'il subsiste environ 0.8 à 1% de carbone combiné dans la matrice (ce qui formera une matrice perlitique). On utilise à cet effet le refroidissement à l'air froid soufflé ou à l'huile. On pratique ensuite un revenu à haute température de façon à globuliser la perlite pour améliorer la ductilité et l'usinabilité. Cette méthode est assez délicate car il est difficile d'éviter la formation de ferrite.
- La seconde méthode consiste à effectuer un traitement de trempe et de revenu sur une fonte malléable à coeur noir. On réchauffe les pièces à 850 870°C et on trempe à l'huile généralement, le revenu effectué entre 550 et 720°C amènera la fonte à la dureté recherchée. On obtient ainsi une structure de martensite revenue.
Ces fontes sont caractérisées par un graphite de solidification sphéroïdal ( de forme VI) réparti de manière uniforme dans la matrice ferritique, ferrito-perlitique, perlitique ( à l'état brut de coulée). Leurs différentes propriétés et caractéristiques mécaniques sont définies par la norme NF A32-201.
La fonte de base destinée à la transformation en GS peut être élaborée dans l'un des quelconques fours généralement utilisés en fonderie. Elle peut avoir une composition chimique variable, mais une très faible teneur en soufre, généralement inférieure à 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'éléments, ayant des rôles opposés immédiatement avant coulée.
Des blanchissants qui ont pour rôle d'empêcher temporairement la formation du graphite en lamelles et à donner de la fonte blanche.
Des éléments graphitisants qui provoquent la formation de sphéroïdes de graphite.
Il est donc possible d'utiliser plusieurs types d'alliages mais les plus couramment utilisés sont des mélanges de Fe-Si-Mg qui sont des produits bon marché.
Si on utilise un alliage à 6% de Mg, il en faudra une quantité moyenne de 2.8% ce qui permettra d'obtenir des teneurs résiduelles de l'ordre de 0.05% de Mg.
Le point délicat de l'opération est le mode d'introduction de ces alliages dans la fonte liquide occasionnées par la présence du magnésium qui se transforme brusquement en vapeur. Un certain nombre de méthodes ont été étudiées et à l'heure actuelle, la méthode dite du "sandwich" semble très utilisée. La présence de ferrailles légères (riblons) a pour but de retarder la réaction. On met environ 2% du poids de fonte traitée. Le volume de la poche doit être de 1/3 supérieur à celui du métal traité, la granulométrie de l'alliage au Mg a également une importance, on utilise en général des grains de 10 à 20 mm.
b) Désignation normalisée :
La fonte à graphite sphéroïdal est désignée par le symbole FGS suivi de deux nombres. - le premier représentant la valeur minimale de la résistance à la traction en N/mm - le deuxième représente la valeur minimale de l'allongement pour cent.
c) caractéristiques mécaniques :
Par référence à la norme, la qualité des fontes GS est définie par ses caractéristiques mécaniques déterminées sur des éprouvettes usinées à partir d'un bloc échantillon coulé à part. Les formes et dimensions de ces blocs sont parfaitement définies par la norme.
Le tableau ci-dessous résume ces caractéristiques :
Lorsque l'on a besoin d'une fonte possédant des propriétés particulières, on peut faire appel à ce type de fonte, dont les éléments d'addition peuvent faire varier les propriétés physiques, chimiques ou mécaniques. Les utilisations que l'on rencontre le plus souvent dans l'industrie, font appel aux qualités suivantes :
a) Fontes blanches :
Les fontes ni-hard : sont des fontes à structure martensitique, dont la caractéristique principale est la résistance à l'usure, et ce jusqu'à 700°C.
Les fontes à carbures de chrome : en plus de leur résistance à l'usure, présentent une bonne résistance à l'oxydation jusqu'à 900°C.
Les fontes ferritiques au chrome : elles se caractérisent par une conservation des caractéristiques jusqu'à 600°C, une excellente résistance au gonflement et à l'oxydation, jusqu'à 1000°C et une bonne résistance à la corrosion par de nombreux acides.
b) Fontes grises et GS :
Les qualités suivantes intéressent aussi bien les fontes grises que le fontes GS, à l'exception des fontes à 14 18% de silicium dont le graphite est lamellaire.
Les fontes perlitiques améliorées : elles permettent par une addition modérée en éléments une amélioration des caractéristiques mécaniques ou de la résistance à l'usure, aux frottements, une amélioration de la résistance aux températures inférieures à 550°C ou une augmentation de la résistance à la corrosion par des milieux moyennement agressifs.
Les fontes bainitiques ou martensitiques : elles sont obtenues à l'état brut de coulée, ces structures présentent une excellente résistance à l'usure par frottement même sous des pressions élevées, alliée à des caractéristiques mécaniques élevées et une bonne capacité d'amortissement des vibrations.
Les fontes ferritiques à 5-7% de Si : elles forment une couche de silice en surface qui empêche le développement de l'oxydation et le gonflement des particules de graphite. Les températures d'utilisation atteignent 850°C (Graphite lamellaire) ou 900°C (graphite sphéroïdal).
Les fontes ferritiques à 14-18% de Si : à graphite lamellaire, excellente résistance à la corrosion par la plupart des acides organiques et minéraux à toute concentration et par les sels très agressifs.
Les fontes austénitiques : elles forment un groupe important défini dans la norme NF A32-301.
Parmi les vingt qualités définies, chacune correspond à une application particulière (Ni-Resist, Nicrosital, Nomag,...). Selon les qualités, ces fontes possèdent les propriétés suivantes :
* bonne résistance à la corrosion dans divers milieux. * résistance aux températures élevées jusqu'à 900°C. * bonne résilience à basse température jusqu'à -200°C. * résistance à l'usure par frottement supérieure à celle des aciers gamma. * résistivité électrique élevée. * amagnétisme. * coefficient de dilatation adaptable suivant la quantité d'éléments d'addition. |
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