Fonteest un groupe d'alliages fer-carbone avec une teneur en carbone supérieure à 2 %.Son utilité vient de sa température de fusion relativement basse.Les constituants de l'alliage affectent sa couleur lorsqu'il est fracturé : la fonte blanche contient des impuretés de carbure qui permettent aux fissures de passer directement à travers, la fonte grise contient des flocons de graphite qui dévient une fissure qui passe et déclenchent d'innombrables nouvelles fissures lorsque le matériau se brise, et la fonte ductile a des particules sphériques. des « nodules » de graphite qui empêchent la fissure de progresser davantage.

Le carbone (C) allant de 1,8 à 4 % en poids et le silicium (Si) 1 à 3 % en poids sont les principaux éléments d'alliage de la fonte.Les alliages de fer à faible teneur en carbone sont appelés acier.

La fonte a tendance à être fragile, à l'exception des fontes malléables.Avec son point de fusion relativement bas, sa bonne fluidité, sa coulabilité, son excellente usinabilité, sa résistance à la déformation et à l'usure, les fontes sont devenues un matériau d'ingénierie avec une large gamme d'applications et sont utilisées dans les tuyaux, les machines et les pièces de l'industrie automobile, telles que les cylindres. culasses, blocs-cylindres et carters de boîtes de vitesses.Il résiste aux dommages causés par l'oxydation.

Les premiers objets en fonte datent du 5ème siècle avant JC et ont été découverts par des archéologues dans l'actuel Jiangsu en Chine.La fonte était utilisée dans la Chine ancienne pour la guerre, l’agriculture et l’architecture.Au XVe siècle, la fonte fut utilisée pour les canons en Bourgogne, en France et en Angleterre pendant la Réforme.Les quantités de fonte utilisées pour les canons nécessitaient une production à grande échelle. Le premier pont en fonte a été construit dans les années 1770 par Abraham Darby III et est connu sous le nom de pont de fer dans le Shropshire, en Angleterre.La fonte était également utilisée dans la construction de bâtiments.

Éléments d'alliage

Les propriétés de la fonte sont modifiées par l'ajout de divers éléments d'alliage, ou alliages.Après le carbone, le silicium est l’alliage le plus important car il chasse le carbone de la solution.Un faible pourcentage de silicium permet au carbone de rester en solution, formant du carbure de fer et la production de fonte blanche.Un pourcentage élevé de silicium force le carbone à sortir de la solution, formant ainsi du graphite et la production de fonte grise.D'autres agents d'alliage, le manganèse, le chrome, le molybdène, le titane et le vanadium, neutralisent le silicium, favorisent la rétention du carbone et la formation de ces carbures.Le nickel et le cuivre augmentent la résistance et l'usinabilité, mais ne modifient pas la quantité de graphite formé.Le carbone sous forme de graphite donne un fer plus doux, réduit le retrait, la résistance et la densité.Le soufre, qui est en grande partie un contaminant lorsqu'il est présent, forme du sulfure de fer, qui empêche la formation de graphite et augmente la dureté.Le problème du soufre est qu’il rend la fonte fondue visqueuse, ce qui provoque des défauts.Pour contrer les effets du soufre, du manganèse est ajouté car les deux se transforment en sulfure de manganèse au lieu de sulfure de fer.Le sulfure de manganèse est plus léger que la masse fondue, il a donc tendance à flotter hors de la masse fondue et dans les scories.La quantité de manganèse nécessaire pour neutraliser le soufre est de 1,7 × teneur en soufre + 0,3 %.Si une quantité de manganèse supérieure à cette quantité est ajoutée, du carbure de manganèse se forme, ce qui augmente la dureté et le refroidissement, sauf dans la fonte grise, où jusqu'à 1 % de manganèse augmente la résistance et la densité.

Le nickel est l'un des éléments d'alliage les plus courants car il affine la structure de la perlite et du graphite, améliore la ténacité et égalise les différences de dureté entre les épaisseurs de section.Le chrome est ajouté en petites quantités pour réduire le graphite libre, produire du refroidissement et parce qu'il s'agit d'un puissant stabilisant de carbure ;le nickel est souvent ajouté conjointement.Une petite quantité d'étain peut être ajoutée en remplacement de 0,5 % de chrome.Du cuivre est ajouté dans la poche ou dans le four, de l'ordre de 0,5 à 2,5 %, pour diminuer le refroidissement, affiner le graphite et augmenter la fluidité.Du molybdène est ajouté de l'ordre de 0,3 à 1 % pour augmenter le refroidissement et affiner la structure du graphite et de la perlite ;il est souvent ajouté avec du nickel, du cuivre et du chrome pour former des fers à haute résistance.Le titane est ajouté comme dégazeur et désoxydant, mais il augmente également la fluidité.0,15 à 0,5 % de vanadium est ajouté à la fonte pour stabiliser la cémentite, augmenter la dureté et augmenter la résistance à l'usure et à la chaleur.0,1 à 0,3 % de zirconium aide à former du graphite, à désoxyder et à augmenter la fluidité.

Dans les fontes de fonte malléable, du bismuth est ajouté, sur une échelle de 0,002 à 0,01 %, pour augmenter la quantité de silicium pouvant être ajoutée.Dans le fer blanc, du bore est ajouté pour faciliter la production de fonte malléable ;il réduit également l'effet grossissant du bismuth.

Fonte grise

La fonte grise se caractérise par sa microstructure graphitique, qui donne un aspect gris aux fractures du matériau.Il s’agit de la fonte la plus couramment utilisée et du matériau de fonte le plus utilisé en fonction de son poids.La plupart des fontes ont une composition chimique de 2,5 à 4,0 % de carbone, 1 à 3 % de silicium et le reste du fer.La fonte grise a une résistance à la traction et aux chocs inférieure à celle de l'acier, mais sa résistance à la compression est comparable à celle de l'acier à faible et moyenne teneur en carbone.Ces propriétés mécaniques sont contrôlées par la taille et la forme des paillettes de graphite présentes dans la microstructure et peuvent être caractérisées selon les directives données par l'ASTM.

Fonte blanche

La fonte blanche présente des surfaces fracturées blanches en raison de la présence d'un précipité de carbure de fer appelé cémentite.Avec une teneur plus faible en silicium (agent graphitisant) et une vitesse de refroidissement plus rapide, le carbone de la fonte blanche précipite hors de la fusion sous forme de cémentite en phase métastable, Fe.₃C, plutôt que du graphite.La cémentite qui précipite de la masse fondue forme des particules relativement grosses.Au fur et à mesure que le carbure de fer précipite, il retire le carbone de la masse fondue d'origine, déplaçant le mélange vers un mélange plus proche de l'eutectique, et la phase restante est l'austénite à teneur inférieure en fer et carbone (qui, lors du refroidissement, pourrait se transformer en martensite).Ces carbures eutectiques sont beaucoup trop gros pour offrir le bénéfice de ce qu'on appelle le durcissement par précipitation (comme dans certains aciers, où des précipités de cémentite beaucoup plus petits pourraient inhiber la [déformation plastique] en empêchant le mouvement des dislocations à travers la matrice de ferrite de fer pur).Au contraire, ils augmentent la dureté apparente de la fonte simplement en raison de leur propre dureté très élevée et de leur fraction volumique importante, de telle sorte que la dureté apparente peut être approchée par une règle de mélanges.Dans tous les cas, ils offrent de la dureté au détriment de la ténacité.Étant donné que le carbure représente une grande partie du matériau, la fonte blanche pourrait raisonnablement être classée comme cermet.Le fer blanc est trop fragile pour être utilisé dans de nombreux composants structurels, mais avec une bonne dureté et résistance à l'abrasion et un coût relativement faible, il trouve une utilisation dans des applications telles que les surfaces d'usure (roue et volute) des pompes à lisier, des revêtements de coque et des barres de levage en boule. les broyeurs et les broyeurs autogènes, les billes et les anneaux des pulvérisateurs de charbon et les dents du godet de creusement d'une pelle rétro (bien que l'acier martensitique moulé à carbone moyen soit plus courant pour cette application).

Il est difficile de refroidir des pièces moulées épaisses assez rapidement pour solidifier la fonte sous forme de fonte blanche sur toute sa longueur.Cependant, un refroidissement rapide peut être utilisé pour solidifier une coque en fonte blanche, après quoi le reste refroidit plus lentement pour former un noyau en fonte grise.Le casting qui en résulte, appelécoulée réfrigérée, présente les avantages d'une surface dure avec un intérieur un peu plus résistant.

Les alliages de fer blanc à haute teneur en chrome permettent de couler des pièces moulées massives (par exemple, une roue de 10 tonnes) au sable, car le chrome réduit la vitesse de refroidissement nécessaire pour produire des carbures à travers les plus grandes épaisseurs de matériau.Le chrome produit également des carbures dotés d’une résistance à l’abrasion impressionnante.Ces alliages à haute teneur en chrome attribuent leur dureté supérieure à la présence de carbures de chrome.La forme principale de ces carbures est l'eutectique ou primaire M₇C₃carbures, où "M" représente le fer ou le chrome et peut varier en fonction de la composition de l'alliage.Les carbures eutectiques se forment sous forme de faisceaux de tiges hexagonales creuses et se développent perpendiculairement au plan basal hexagonal.La dureté de ces carbures est comprise entre 1 500 et 1 800 HV.

Fonte malléable

La fonte malléable commence par une pièce moulée en fonte blanche qui est ensuite traitée thermiquement pendant un jour ou deux à environ 950 °C (1 740 °F), puis refroidie pendant un jour ou deux.En conséquence, le carbone du carbure de fer se transforme en graphite et en ferrite ainsi que en carbone (austénite).Le processus lent permet à la tension superficielle de transformer le graphite en particules sphéroïdales plutôt qu'en flocons.En raison de leur allongement plus faible, les sphéroïdes sont relativement courts et éloignés les uns des autres, et ont une section efficace plus faible par rapport à une fissure ou un phonon se propageant.Ils ont également des limites émoussées, par opposition aux flocons, ce qui atténue les problèmes de concentration de contraintes rencontrés dans la fonte grise.En général, les propriétés de la fonte malléable ressemblent davantage à celles de l’acier doux.Il existe une limite à la taille d’une pièce pouvant être coulée en fonte malléable, car elle est fabriquée en fonte blanche.

Fonte ductile