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C'est quoi la fonte ?

Le terme « fonte » est parfois utilisé pour désigner des objets moulés, comme par exemple dans l'expression « fonte d'aluminium » (en général de l'alpax). Il s'agit d'un abus de langage

En metallurgie de fer, fes fontes sont des alliages Fer-Carbone contenant entre 2,11% et 6,67% de carbone. Contrairement aux aciers, la microstructure ne peut pas contenir d'austénitisation complète à haute température. Lors d'une coulée, il se forme de la cémentite ou du graphite.

La fonte est une étape intermédiaire dans la fabrication de l'acier à partir du minerai, on parle alors de fonte brute «pig iron» ou fonte de première fusion. Une partie de cette fonte peut être coulée spécifiquement pour être utilisée en tant que telle, on parle alors de fonte élaborée « cast iron » ou de fonte de seconde fusion. On peut aussi synthétiser de la fonte élaborée par fusion d'acier non allié et de graphite.

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Caractéristiques de la fonte

Leur grande coulabilité permet d’obtenir des pièces de fonderie aux formes complexes. A cause du pourcentage élevé de carbone qu’elles contiennent, entre 2% et 4%, elles sont en général plus fragiles que les aciers, peu ductiles (inadaptées aux déformations à froid: forgeage et laminage) et difficilement soudables.

Comme les aciers, elles peuvent subir des traitements thermiques de trempe et revenu, et contenir des éléments d’alliages.

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Avantages des fontes

• Elles permettent la réalisation des pièces moulées complexes car elles possèdent une excellente coulabilité (Aptitudes au moulage).
• Elles ont une excellente usinabilité, le graphite jouant le rôle de lubrifiant (mise à part les fontes blanches où le graphite n’est pas présent).
• Elles sont très résistantes en compression.

Inconvénients des fontes

• Les fontes grises lamellaires sont peu résistantes aux chocs, pour les autres fontes le problème de résilience est résolu par la forme non lamellaire du graphite.
• Les fontes FGS ne sont pas utilisées autant que les fontes FGL parce que son coût de fabrication est bien plus élevé.
• Les fontes blanches sont très peu utilisées sauf pour la réalisation de pièces spécifiques (Rouleaux de broyeur). Elles sont dures mais très fragiles ceci est dû à la présence de cémentite. Remarque : elle est utilisée liquide pour la fabrication de l’acier.

Types de fontes

• fonte blanche : type N
• fonte à graphite sphéroïdale type S
• fonte à graphite lamellaire : type L
• fonte malléable à cœur blanc : type MW
• fonte malléable à cœur noir : type MB

Désignation de la fonte

Pour expliquer la adsignation des fontes commançons par un exemple :

EN-GJS-400-18

EN-GJ : préfixe toujours identique (G: moulé or la fonte est toujours moulée)

• S: fonte à graphite sphéroïdale
• L: fonte à graphite lamellaire
• MW: malléable à cœur blanc
• MB: malléable à cœur noir
• N: fonte blanche

400 : résistance à la rupture 400 MPa
18 : allongement en pourcentage 18 %

Fontes blanches

À partir de La fonte blanche on fait toutes les autres fontes et aussi les aciers ( qui posèdent moins de carbone), mais elle n’est, presque, jamais utilisée comme telle (sauf plaque d’égout).

Les fontes blanches présentent un aspect blanc à la cassure. Le carbone qu’elles contiennent (2 à 2,5%) est combiné au fer sous forme de carbure (cémentite). Contrairement aux fontes grises, elles sont obtenues à partir de minerais de fer pauvres en silicium mais riche en manganèse.

Des traitements thermiques de la fonte blanche (chauffage et refroidissement lent) permettent de décomposer le carbure de fer en nodules fins de graphite, ce qui rend la fonte blanche plus apte au façonnage. Elles ne contiennent pas de carbone à l’état de graphite. Le carbone est en combinaison chimique avec le fer (carbure de fer Fe3C).

Composition de la fonte blanche

• 2 à 2,5 % de carbone,
• peu de silicium
• Manganèse

Caractéristiques de la fonte blanche

Fonte blanche (fonte N) (c’est celle qui sort du haut fourneau) est à base de cémentite (Fe3C), elle est très dure, cassante, inusinable, résistante aux frottements mais est à la base d'autres fontes. Elles servent surtout de matière première pour la fabrication de l’acier par décarburation dans des fours spéciaux.

Propriétés de la fonte blanche

• module d'Young inférieur à l'acier (environ 100 GPa)
• limite élastique moyenne (entre 200 et 400 MPa)
• grande dureté
• résilience faible
• faible allongement à la rupture
• bonne coulabilité (Température de fusion entre 1100 et 1200°C)

Exemples d'applications de la fonte blanche

Pièces destinées à l'usure abrasive:

• Boulets de broyeurs :

• mâchoires de concasseurs
• plaques d'usure

Les fontes grises

Les fontes grises présentent un aspect gris à la cassure en raison de la présence du carbone principalement sous forme de graphite. Leur fabrication nécessite des minerais à forte teneur en silicium (1,5 à 3%) qui est élément graphitisant par excellence. Elles ont une température de fusion inférieure à celle de l’acier (1200 °C pour les fontes grises contre 1 370 °C pour l’acier), ce qui permet de les mouler facilement. Très peu malléables et ductiles, elles est usinable.

Fontes grises à Graphite Lamellaire : FGL (Fonte L)

Composition de la fonte grise

• 3 à 4% de carbone,
• 1 à 3%de silicium,
• 0.5 à 1 % de manganèse.

Caractéristiques de la fonte grise

Elle est utilisée pour le moulage (très fluide) et l’usinage. Le prix est peu élevé, mais elle est dure et fragile. Caractérisée par une grande résistance à la compression et capacité d’amortissement des vibrations.

La forme lamellaire du graphite fragilise le matériau. Les copeaux se fragmentent lors d’un usinage sur machine-outil. La micrographie ci-contre vous présente les formes lamellaires du graphite.

Désignation de la fonte grise

La désignation de fontes à graphite lamellaire est composée de :

EN - GJL - [Rmin en MPa]  Exemple : EN- GJL-250

Cette fonte à graphite lamellaire possède une résistance à la traction d'au moins 250 Mpa .

Fontes grises à Graphite Sphéroïdal : FGS (Fonte S)

Caractéristiques

C'est une fonte grise avec du magnésium. Elle est moins dure mais a les caractéristiques mécaniques comme celles de l’acier, elle se moule et s’usine (moins fragile).

La forme sphéroïdale du graphite rend ces fontes particulièrement plus résistantes à la traction et au choc (résilience). Les copeaux se déroulent plus linéairement lors d’un usinage sur machine-outil. La micrographie ci-contre vous présente les formes sphéroïdales du graphite.

Désingnation

La désignation de fontes à graphite lamellaire est composée de :

EN - GJS - [Rmin en MPa] - [%allongementà la rupture]  Exemple : EN- GJS-500-7

Cette fonte à graphite sphéroïdale possède une résistance à la traction d'au moins 500 MPa et une valeur minimale d'allongement de 7%.

Fonte truité

Intermédiaire entre la fonte blanche et la fonte grise, le carbone et en partie déposer dans la masse sous forme de graphite et partie combinée au fer pour donner
le carbure de fer. Elle est employée pour la coulée des pièces plus résistance que les pièces en fonte grise.

Fontes malléables FM

Elles sont obtenues par traitement thermique des fontes blanches pour donner la malléabilité et la résilience. Selon la façon de traitement on obtient soit : 

•  Les fontes malléables à cœur blanc MW (type européenne). Le carbone a pratiquement disparu.
•  Les fontes malléables cœur noir MB (type américaine).

Composition

• Fonte malléable à cœur blanc : 2 à 3% de carbone,0.4 à 1% de silicium.
• Fonte malléable à cœur noir :  2 à 2,5% de carbone et 1 à 1,2% de silicium

Caractéristiques

Le carbone s’est regroupé sous la forme de nodule, voir la micrographie. Elles ont des caractéristiques mécaniques comparables à un acier doux (faiblement carburé). Elle permet le moulage de pièces minces et résilientes (non fragiles) mais est très chère.

Applications

• Fontes malléables à cœur blanc :  Exemple : le raccord de tuyaux de chauffage, etc..
• Fontes malléables à cœur noir :  Exemple : Bogie de wagon, tambour de frein, disque de frein, carter, etc.

     

Raccord en fonte malléable à coeur blanc

Raccord en fonte malléable à coeur noir

Disque de frein

• les paliers d’arbres ou d’essieux, les galets, les engrenages haute résistance.

 

Fontes alliées

Certaines fontes peuvent être associées avec d’autres métaux pour améliorer certaines caractéristiques.

Exemple :

le corps de pompe,  FGL 250 + 2%Cu.

Les alliages à base de fonte les plus utilisés sont  :

• nickel-chrome pour obtenir de bonnes propriétés mécaniques
• au molybdène pour obtenir bonne résistance à la traction
• au silicium pour améliorer la résiste à la corrosion.