Partie 1 : Fonte
Les fontes sont essentiellement des alliages de fer et de carbone contenant aussi d’autres éléments tels que du silicium, du manganèse, du soufre et du phosphore. Elles sont parfois alliées avec du chrome, du nickel, du cuivre, du molybdène, du vanadium ou d’autres éléments pour augmenter leur résistance à l’usure, à la corrosion ou aux hautes températures.
Contrairement à la plupart des métaux, les fontes ne sont pas classées selon leur composition chimique mais plutôt selon leur microstructure. La microstructure d’une fonte se présente sous forme de particules de graphite ou de carbure entourées d’une matrice d’acier qui peut être ferritique, perlitique, austénitique ou martensitique selon les éléments d’alliage, le taux de refroidissement et les traitements thermiques reçus. Nous pouvons donc distinguer plusieurs types de fonte :
Fonte blanche
Elle se nomme ainsi de par l’aspect blanc de sa cassure. Le carbone demeure lié au fer pour former des carbures lors de la solidification. La présence de ces carbures lui confère une très grande dureté mais aussi une grande fragilité. Cette dureté en fait un matériau idéal pour les applications nécessitant une grande résistance à l’usure comme des boulets de broyeurs, des matrices d’emboutissage ou des buses d’extrusion.
Fonte grise
Elle se nomme ainsi de par l’aspect gris de sa cassure. Le carbone précipite sous forme de lamelles de graphite (voir schéma plus bas). Les lamelles de graphite agissent comme des faiblesses qui facilitent la propagation d’une fissure à l’intérieur du matériau et diminuent sa résistance à la traction.
Cependant, ces mêmes lamelles lui confèrent une très bonne capacité d’absorption des vibrations et une bonne conductibilité thermique. Cette fonte est très commune car elle possède une bonne coulabilité et elle est facile à usiner car les lamelles de graphite agissent comme lubrifiant. Elle est utilisée pour la fabrication des pièces de transmission, des bouches d’incendie, des boîtiers, des blocs moteurs, des contrepoids ou des bases de machine.
Fonte malléable
Cette fonte est obtenue par le recuit d’une fonte blanche selon un cycle déterminé de température et de temps de maintien. Ce recuit permet la décomposition des carbures en nodules de graphite déchiquetés aussi appelés carbone de recuit (voir schéma plus bas). Ces nodules sont cependant moins compacts que ceux de la fonte ductile. Il existe deux types de fonte malléable, la plus commune est celle dite à “coeur noir” et est obtenue par le procédé décrit plus haut. L’autre type, qui se retrouve surtout en Europe, est celle dite à “coeur blanc” et s’obtient par la décarburisation de la fonte blanche.
La formation de nodules de graphite confère aux fontes malléables des propriétés mécaniques supérieures à celles des fontes grises. Elles sont surtout utilisées dans la fabrication de pièces mécaniques pour les industries de l’automobile, agricole, ferroviaire, de l’armement et des équipements lourds, pour des brides de tuyaux, pour de petits outils ou pour des éléments de structure.
Fonte ductile
Par l’addition de quantités minimes d’éléments spéciaux tels que le magnésium ou le cérium, le carbone précipite sous la forme de nodules de graphite compacts sans avoir à faire de traitement thermique (voir schéma plus bas). Cette fonte contient habituellement beaucoup moins de soufre que les autres fontes mentionnées auparavant. Ses propriétés mécaniques sont en général légèrement supérieures à celles de la fonte malléable. Elle est utilisée pour les mêmes applications que la fonte malléable et aussi pour de gros engrenages, des matrices de formage, des cylindres ou des cages de laminoir.
Fonte à graphite compacté
Cette fonte s’obtient elle aussi par l’addition minime d’éléments spéciaux tels le magnésium, le calcium, le titane ou l’aluminium. Le carbone précipite sous une forme de lamelles compactes (voir schéma plus bas). Ses propriétés mécaniques se situent entre celles de la fonte grise et celles de la fonte ductile. Elle se retrouve dans la fabrication de disques de freins, de culasses, de pignons, de manifolds, de boîtiers ou de poulies.
Fonte alliée
Il est possible d’ajouter des éléments d’alliage aux fontes blanche, grise, malléable, ductile et à graphite compacté pour augmenter leur résistance à l’usure ou à la corrosion, leur tenue à chaud ou encore leurs propriétés mécaniques. Les plus communs sont le chrome (jusqu’à 35%), le nickel (jusqu’à 45%), le molybdène (jusqu’à 5%), le cuivre (jusqu’à 10%) et le silicium (jusqu’à 18%). Dans la majorité des cas, ils sont ajoutés en combinaison car l’effet d’un élément renforce ou améliore l’effet d’un autre.
Grise Malléable Ductile Graphite compacté
La composition chimique typique des fontes énumérées précédemment se retrouve dans le tableau suivant :
Propriétés physiques des fontes
Conductibilité thermique
Les fontes avec du graphite de forme lamellaire conduisent mieux la chaleur que celles à graphite nodulaire et encore mieux que la fonte blanche. De façon générale, un acier donné conduira moins bien la chaleur qu’une fonte grise ayant une matrice identique car la conductibilité thermique du graphite est très bonne. Elle est cinq fois supérieure à celle d’une matrice ferritique, huit fois à celle d’une matrice perlitique et cinquante fois à celle du carbure de fer. De plus, la présence d’éléments d’alliage dans une matrice réduit sa conductibilité.
Conductivité électrique
La présence d’éléments d’alliage dans un acier ou une matrice de fonte diminue la conductivité électrique du matériau. De la même façon, la présence de graphite diminue la conductivité des fontes et ce, d’autant plus lorsque le graphite est présent sous forme lamellaire car il y a alors plus d’obstacles au passage du courant.
Coefficient de dilatation thermique
Les fontes ont un coefficient de dilatation thermique similaire à celui des aciers au carbone, à l’exception des fontes très alliées pour qui le coefficient peut être soit inférieur, soit supérieur selon les éléments d’alliage.
Prochaine partie (2) : La soudabilité des fontes