Fonte (métallurgie)

La fonte, en sidérurgie, est un alliage de fer riche de 1,7 à 6,67 % de carbone, en-dessous de ce pourcentage ce sont les aciers et les fers industriels.

Caractéristiques principales

Les fontes sont toutes des alliages destinées à la fonderie. Les fontes se distinguent des autres alliages par leur excellente coulabilité (ce terme regroupe l'inertie thermique et la fluidité de l'alliage en fusion, il est mesuré de facon normalisée par le test dit de la spirale).

La fonte a une température de fusion allant de 1135 °C à 1350 °C en fonction du pourcentage de carbone qu'elle contient.

La fonte est un précurseur dans la fabrication de l'acier à partir de minerai (hématite) et de coke. C'est l'alliage qui sort du haut-fourneau et qui sera affiné en acier par chauffage (décarburation).

Histoire

La fonte fut découverte en Chine durant la période des Royaumes combattants. En Europe, c'est durant le XIVe siècle que la fonte prit place dans l'économie, par l'intermédiaire du "procédé indirect" (production de fer au haut-fourneau avec obtention de la fonte en produit intermédiaire).

La fonte était produite dans des hauts-fourneaux à charbon de bois. Abraham Darby, qui était torréfacteur à l'origine, réussit à produire de la fonte à l'aide de coke (le "coak" que l'on écrivit plus tardivement : coke de l'anglais, to cook, cuire). En 1709, En utilisant du charbon peu soufré, il réalisa la première coulée de fonte au coke, dans son usine de Coalbrookdale. Mais le produit, réputé de moins bonne qualité que la fonte au bois, mit cinquante ans avant de s'imposer et de devenir l'un des produits majeurs de l'industrialisation. Entre 1777 et 1779, Abraham Darby III édifia le pont d'Ironbridge, à Coalbrookdale, le premier pont en fonte de l'histoire européenne. La production de fonte au bois persista néanmoins, pour partie en raison du protectionnisme pratiqué par les pays producteurs (France, Allemagne), en partie en raison de la qualité attribuées à ce type de fonte et des réticences de certains maitre de forge.

Compositions des fontes

On distingue les différentes fontes par leur pourcentage de carbone :

fonte hypoeutectique : de 1,7 à 4,3 % de carbone ;
fonte eutectique : 4,3 % de carbone

Cette fonte a la température de fusion la plus basse à 1135 °C.

fonte hypereutectique : de 4,3 à 6,67 % de carbone ;

Les aciers cristallisent dans le diagramme fer-carbone métastable: fer-cémentite (ci-dessous représenté), alors que les fontes cristallisent dans le diagramme fer-carbone stable : fer-graphite. La différence entre ces 2 diagrammes réside dans la vitesse de refroidissement, qui quand elle est assez lente, permet d'obtenir du graphite, et non de la cémentite.

Diagramme de phase fer-carbone, permettant de visualiser conditions d'existence des fontes

Fonte blanche

Solution de perlite et de cémentite. Le carbone s'y trouve sous forme de carbure de fer (Fe₃C). Possédant une bonne coulabilité, et un aspect blanc brillant, la fonte blanche est principalement utilisée pour les pièces d'aspect et la fonderie d'art. Très résistante à l'usure et à l'abrasion, elle est très difficilement usinable.

Les principales qualités des fontes blanche sont:

une excellente résistance à l'usure et l'abrasion
un bel aspect
une excellente coulabilité

Les principaux défauts sont:

difficilement usinable

Fonte grise

Famille des fontes ou le carbone se trouve sous forme de graphite. La structure graphitique du carbone est obtenue par un refroidissement très lent de la fonte, ou l'ajout de composants graphitisants comme le silicium.

Fonte GL (Graphite Lamellaire)

C'est la plus courante des fontes grises. Le graphite s'y trouve sous forme de lamelles. Les principales qualités des fontes GL sont:

leur facilité d'usinage
une bonne résistance aux vibrations
une excellente coulabilité

Les principaux défauts:

fragile

Les principales utilisations:

Bâtis de machines outils, bonne résistance aux vibrations.
Tuyaux et canalisation ( il est possible de couler des tubes de grande taille via le coulage par centrifugation )

Fonte GS (Graphite Sphéroïdal)

Fonte dans laquelle le graphite se trouve sous forme de nodules (sphéroïdes). Cette micro structure particulière est obtenue par l'ajout de magnésium dans la fonte peu de temps avant le moulage (si la fonte est maintenue en fusion, elle perd les spécificités des fontes GS au bout d'une dizaine de minutes). Le magnésium s'évapore mais provoque une cristallisation rapide du graphite sous forme de nodules. Cette micro-structure lui donne des caractéristiques mécaniques proches de l'acier.

Obention d'une fonte GS

Une fonte GS est une fonte à graphite dans laquelle l'ajout d'un agent modificateur empêche par des mécanismes complexes et pas totalement compris à l'heure actuelle, la cristallisation du graphite qui se produit normalement sous forme de lamelle. Ce retard à la solidifcation provoque alors l'apparition du graphite sous forme de nodules plus ou moins sphériques. L'agent modificateur actuellement utilisé est le magnésium. Du fait de son avidité en soufre, il faut une fonte de base à bas taux de soufre pour éviter la formation du sulfure de magnésium: $Mg+S \rightarrow MgS$ . Paradoxalement, une fonte totalement désulfuré ne donne pas une fonte à graphite sphéroïdal. C'est pourquoi après avoir désulfuré la fonte, du soufre est réintroduit géneralement sous forme de pyrite (FeS) a hauteur de 0.05%. La présence de phosphore fait chuter les caractéristiques de ductilité et de résilience.

Structures des fontes à graphite sphéroïdal

La structure des fontes dépend des éléments d'addition et de la vitesse de refroidissement, ces paramètres dépendent fortement de l'épaisseur des pièces. Cette structure influence fortement les caractéristiques mécaniques.

On distingue :

Les fontes à matrice ferritique
Les fontes à matrice perlitique
Les fontes à matrice austénitique
Les fontes à matrice bainitique ou ADI

Propriétés mécaniques et structures des fontes GS normalisées
	Rm Mpa	Rp0.2	A%	Structure de la matrice	Dureté (HB)
FGS 700-2	700	470	2	Perlite	240-300
FGS 600-2	600	400	2	Perlite	230-280
FGS 500-7	500	350	7	Perlite-ferritique	210-260
FGS 420-12	420	280	12	Ferrite	<220
FGS 380-15	380	240	15	Ferrite	<200

Principales qualités des fontes GS :

résistante
ductile
bonne coulabilitée

Principaux defauts :

Principales utilisations :

Industrie automobile: Pièce de liaison au sol ( ex: bras de suspension )
Canalisations

Utilisations

En général la fonte peut être utilisée dans toute pièce mécanique, par exemple par moulage.

La fonte est souvent utilisée pour les bâtis de machines car elle a une bonne résistance aux vibrations.
La fonte est utilisée pour la fabrication de conduites et de tuyaux. Depuis quelques années, elle est proscrite pour les conduites de gaz de ville car devient trop cassante avec les années et le froid.
Elle est aussi utilisée par l'industrie automobile pour la fabrication, par moulage puis usinage partiel, des blocs moteur, des disques de freins, des tambours de freins ou encore des volants moteurs.
Elle est couramment utilisée pour la fabrication de contrepoids.

Autres fontes

Le terme fonte d'aluminium (de cuivre, de zinc…) est parfois utilisé pour désigner une pièce (alliage) fabriquée par moulage.

Pour les alliages d'aluminium voir : Alliages d'aluminium pour fonderie

Acier

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