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| Cet article est lié aux composés du fer et du carbone |
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La fonte, en sidérurgie, est un alliage de fer riche de 2,1 à 6,67 % de carbone (6,67 % étant le seuil de saturation), en dessous de ce pourcentage ce sont les aciers et les fers industriels.
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 façon normalisée par une eprouvette de Cury " en forme de spirale" ).
La fonte a une température de fusion allant de 1 135 °C à 1 350 °C en fonction du pourcentage de carbone et de silicium 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). On l'appelle alors fonte brute, pour la distinguer de la fonte élaborée, généralement issue d'une fusion distincte, de composition déterminée, et destinée à la production de pièces moulées.
La fonte fut découverte en Chine durant la période des Royaumes combattants (IV siècle av. J.-C.). En Europe, c'est durant le XIX 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 maîtres de forge.
Diagramme de phase fer-carbone, permettant de visualiser la zone de définition des fontes
D'un point de vue chimique, les fontes sont des alliages fer-carbones contenant une phase eutectique, appelée lédéburite. Sur le diagramme de phase fer-carbone métastable, il s'agit donc des alliages fer-carbone ayant plus de 2,11 % de carbone (mais ce diagramme n'est plus valable en présence d'éléments d'alliage).
On distingue les différentes fontes par leur pourcentage de carbone :
Les aciers cristallisent dans le diagramme fer-carbone métastable fer-cémentite (représenté ci-contre), cependant, c'est le graphite qui est thermodynamiquement stable : la cémentite devrait se décomposer en
Fe3C → 3Feα + C(graphite)
mais la mobilité des atomes de carbone n'est pas suffisante pour que cela ait lieu.
Diagramme stable (pointillés) superposé au diagramme métastable (traits pleins)
Le cas est différent pour les fontes qui ont une teneur plus importante en carbone, et peuvent ainsi cristalliser dans le diagramme fer-carbone stable : fer-graphite. La différence entre ces 2 diagrammes réside en premier lieu dans la vitesse de refroidissement : quand la vitesse de refroidissement est rapide, le carbone dissout dans le fer γ n'a pas le temps de migrer sur de grandes distances et forme des carbures Fe3C, la cémentite, sur place, alors que si la vitesse de refroidissement est assez lente, le carbone peut se « rassembler » et former du graphite. Certains éléments comme le silicium permettent de favoriser la formation de graphite.
Sur le diagramme fer-carbone stable, l'eutectique est à une teneur de 4,25 %m de carbone, et fond à une température de 1 153 °C.
On a donc deux types de fonte :
La norme européenne EN 1560 indique :
L'ancienne norme française NF A 02-001 indiquait :
P. ex. : EN-GJL-150 (anciennement FGL 150) : fonte à graphite lamellaire de résistance à la rupture Rm = 150 MPa
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, les pièces d'usures ( tels que les pointes de socs ) et la fonderie d'art. Très résistante à l'usure et à l'abrasion, elle est très difficilement usinable.
En fonction de la teneur des éléments d'alliages, il est possible d'obtenir des fontes blanche perlitique, ou martensitique
Les principales qualités des fontes blanche sont :
Les principaux défauts sont :
Famille des fontes où 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.
C'est la plus courante des fontes grises. Le graphite s'y trouve sous forme de lamelles.
Les principales qualités des fontes GL sont :
Les principaux défauts :
Les principales utilisations :
Fonte dans laquelle le graphite se trouve sous forme de nodules (sphéroïdes). Cette microstructure 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.
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 solidification 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 → 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 généralement sous forme de pyrite (FeS) a hauteur de 0,05 %.
La présence de phosphore fait chuter les caractéristiques de ductilité et de résilience.
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 :
| Désignation | Rm (MPa) | Rp0,2 (MPa) | A% | Structure de la matrice | Dureté (HB) |
|---|---|---|---|---|---|
| EN-GJS-700-2 (FGS 700-2) | 700 | 470 | 2 | Perlite | 240-300 |
| EN-GJS-600-2 (FGS 600-2) | 600 | 400 | 2 | Perlite | 230-280 |
| EN-GJS-500-7 (FGS 500-7) | 500 | 350 | 7 | Perlite-ferritique | 210-260 |
| EN-GJS-400-15 (FGS 400-15) | 400 | 250 | 15 | Ferrite | < 220 |
| EN-GJS-350-22 (FGS 350-22) | 350 | 220 | 22 | Ferrite | < 200 |
Principales qualités des fontes GS
(* préciser les conditions car ce n'est pas sa principale qualité : je dirai soudable simplement...)
Principaux défauts
Principales utilisations
Fonte dans laquelle le graphite se trouve sous forme comprise entre les lamelles et les sphères. Cette microstructure particulière est obtenue par l'ajout de magnésium à teneur plus faible que pour les fontes à graphite sphéroïdal (généralement aux environs de 0,020 % contre 0,035 % mini pour les FGS). Il est également possible d'obtenir ce type de fonte en partant d'une fonte à graphite sphéroïdal et en bloquant la transformation des germes de graphite par apport de très faibles doses de titane. La microstructure des fontes vermiculaires allie les avantages de la fonte lamellaire (coulabilité, absorption des vibrations) sans les inconvénients ( fragilité ) et les avantages de la fonte GS (résistance mécanique). Le principal désavantage est la difficulté d'obtenir la structure souhaitée et de contrôler que l'on a bien obtenu cette structure.
Les propriétés mécaniques sont :
| Désignation | Rm (MPa) | Rp0,2 (MPa) | A% | Structure de la matrice | Dureté (HB) |
|---|---|---|---|---|---|
| EN-GJV-350-7 (FGV 350-7) | 350 | 220 | 7 | Ferrite-perlite | < 200 |
Principales utilisations
La fonte est utilisée pour tout type de pièce mécanique. Pour leur majorité les pièces sont obtenues par coulée du métal liquide dans des moules en sable siliceux. (voir moulage)
Les fontes peuvent être mise en œuvre par :
La coulée continue permet d'obtenir une fonte avec une structure fine, les applications sont l'industrie hydraulique (distributeur hydraulique, ... ), industrie du verre, pièce mécanique simple, …
Les Fonderies de fonte et d'acier (2009, vol. 100F) ont été reconnues comme facteur de risque (Preuves humaines suffisantes) pour le cancer du poumon .
Le terme fonte est parfois utilisé pour désigner d'autres alliages, tous ces usages sont incorrects :
Il convient donc d'être prudent quant aux articles qui utilisent cette dénomination.