La fonte grise et la fonte ductile sont les deux types de fonte les plus couramment utilisés dans l’industrie, et la différence concrète entre les deux se résume à une seule caractéristique : la forme du graphite. La fonte grise se solidifie en formant du graphite en paillettes, tandis que la fonte ductile forme du graphite sphéroïdal. Cette seule différence influe sur la résistance, la ténacité, l'amortissement, l'usinabilité et le coût ; le choix de la nuance doit donc se faire en fonction de la forme du graphite plutôt que de la dénomination.
Ces deux métaux sont des alliages fer-carbone contenant environ 2 à 4 % de carbone, ainsi que de faibles quantités de silicium, de manganèse et d’autres éléments. Ils se coulent bien, permettent de remplir des moules complexes et sont obtenus par fusion, alliage et moulage, plutôt que par forgeage ou usinage à partir de barres. Ce qui suit présente une comparaison entre ces deux familles de métaux en termes de microstructure, de propriétés mécaniques, d'applications et de choix.
Qu'est-ce que la fonte grise ?
La fonte grise contient du graphite sous forme de paillettes. Lorsqu'une pièce moulée se brise, la fracture suit le tracé des paillettes et la surface de rupture présente une couleur grise, d'où son nom. Les paillettes permettent fer gris faciles à usiner : ils agissent comme des brise-copeaux et fournissent un lubrifiant sec pendant l'usinage. La fonte grise amortit également les vibrations environ 20 à 25 fois mieux que l'acier, une propriété sur laquelle les constructeurs de machines-outils s'appuient depuis plus d'un siècle.
Cette structure lamellaire a toutefois un inconvénient. La fonte grise présente une ductilité et une limite d'élasticité faibles, ce qui la rend impropre à une utilisation dans des applications soumises à des charges d'impact ou à des contraintes de flexion importantes. Elle convient en revanche aux pièces soumises à des charges de compression constantes et nécessitant un contrôle des vibrations ou une bonne usinabilité, telles que les blocs-moteurs, les socles de machines, les tambours de frein, les carters d'engrenages et les raccords de tuyauterie.
Qu'est-ce que la fonte ductile ?
La fonte ductile, également appelée fonte à graphite sphéroïdal, est obtenue en ajoutant du magnésium à la masse fondue, ce qui permet au graphite de se solidifier sous forme de sphéroïdes plutôt que de paillettes. La forme arrondie du graphite élimine les concentrations de contraintes de type fissure propres aux paillettes, ce qui confère fonte ductile une limite d'élasticité, un allongement et une ténacité à l'impact mesurables, qualités dont la fonte grise est dépourvue. La fonte ductile a été mise au point en 1948 et est devenue le choix par défaut pour les pièces soumises à des charges de flexion, à la pression ou à des chocs.
Parmi ses applications typiques, on peut citer les vilebrequins, les engrenages, les corps de pompe, les corps de soupapes, les tuyaux et raccords, les composants de suspension et les carters lourds. Il n'est pas aussi facile à usiner ni aussi résistant aux vibrations que la fonte grise, mais il est plus solide et beaucoup plus résistant à l'usure pour une section de même dimension.
Fonte grise ou fonte ductile : principales différences
Ces différences tiennent à la forme du graphite. La fonte grise contient du graphite en paillettes, tandis que la fonte ductile contient du graphite sphéroïdal. Les paillettes créent des entailles internes qui limitent la résistance mécanique et la ductilité, mais améliorent l'amortissement et l'usinabilité ; les sphéroïdes répartissent les contraintes de manière plus homogène, ce qui augmente la résistance mécanique, la ductilité et la résistance aux chocs.
Les nuances répondent également à des normes différentes. La fonte grise est définie par la norme ASTM A48, avec des numéros de classe tels que 25 et 40 qui font référence à la résistance à la traction en ksi. La fonte ductile est définie par la norme ASTM A536, avec des désignations telles que 60-40-18 et 120-90-02 qui indiquent, dans cet ordre, la résistance à la traction, la limite d'élasticité et l'allongement. Le coût suit le même schéma : la fonte grise est moins chère à couler et à usiner, tandis que la fonte ductile coûte plus cher mais offre une résistance mécanique, une ténacité et une résistance à la fatigue là où l’application l’exige. Il est plus important de préciser la nuance et la norme que de nommer la famille de matériaux, et la gamme complète de nuances de fonte Il serait utile de le revoir avant de finaliser le dessin.
Comparaison des propriétés mécaniques
Le tableau présente les valeurs types issues de comparaisons publiées ; les chiffres exacts dépendent du grade, de l'épaisseur de la section et du traitement thermique.
| Propriété | Fer gris | Fonte ductile |
|---|---|---|
| Résistance à la traction | 20 à 40 ksi (classe 25 à 40, ASTM A48) | 60–120 ksi (60-40-18 à 120-90-02, ASTM A536) |
| Limite d'élasticité | Non mesurable en traction | 40 à 90 ksi |
| Élongation | Moins de 1 % | Jusqu'à 18 % (60-40-18) |
| Résistance aux chocs | Faible | Haut |
| Amortissement des vibrations | Excellent, environ 20 à 25 fois plus résistant que l'acier | Bon |
| Usinabilité | Excellent | Bon |
| Conductivité thermique | Plus élevé | Plus bas |
| Coût par diffusion | Plus bas | Plus élevé |
En résumé, la fonte grise l'emporte en matière d'amortissement, d'usinabilité et de coût ; la fonte ductile l'emporte en matière de résistance mécanique, de ténacité et de résistance à la fatigue. Le choix de la nuance appropriée dépend des critères les plus importants pour l'application concernée.
Applications typiques de la fonte grise et de la fonte ductile
Choisissez la nuance en fonction de la charge, et non de son nom. La fonte grise résiste bien à la compression constante, aux vibrations et aux contraintes liées à l'usinage ; la fonte ductile résiste aux chocs, à la flexion, à la pression et à la fatigue.
Applications typiques de la fonte grise
La fonte grise est utilisée pour les blocs-moteurs et les culasses, les bancs de machines-outils, les disques et tambours de frein, les carters d'engrenages, les poulies, ainsi que pour les pièces moulées destinées aux collectivités locales, telles que les couvercles de regards et les raccords de canalisations. Ses propriétés d'amortissement et son usinabilité en font un choix économique lorsque les charges sont exclusivement de compression et prévisibles.
Applications typiques de la fonte ductile
La fonte ductile est utilisée pour la fabrication de vilebrequins, d'engrenages, de corps de pompes et de vannes, de canalisations sous pression et de raccords destinés aux réseaux d'eau et d'assainissement, de composants de suspension et de direction, ainsi que de carters industriels lourds. En ce qui concerne plus particulièrement le transport des fluides, consultez notre Étude de cas sur la pièce moulée du corps de vanne pour connaître le comportement de la fonte ductile sous pression et sous des sollicitations cycliques.
Comment choisir entre la fonte grise et la fonte ductile ?
Le choix commence par l’analyse des charges, et non par le nom du matériau. Si la pièce est rigide, soumise principalement à la compression et que l’on tient compte de l’amortissement, du transfert thermique ou du coût d’usinage, la fonte grise constitue généralement la solution la plus économique. Si elle est soumise à la traction, à la flexion, aux chocs, à la pression ou à la fatigue cyclique, il convient d’opter par défaut pour la fonte ductile.
Optez pour la fonte grise lorsque
- La charge est de nature compressive et constante, comme c'est le cas pour les socles de machines, les blocs-moteurs et les contrepoids.
- La conception est dictée par l'amortissement des vibrations ou la conductivité thermique
- Le volume d'usinage et le coût priment sur la résistance à l'usure
- Le service se déroule dans une ambiance détendue et ne présente aucun risque de choc.
Optez pour la fonte ductile lorsque
- La pièce doit céder avant de se rompre ou résister aux chocs et aux impacts
- Éléments soumis à la pression, tels que les corps de vannes, les carters de pompes et les canalisations d'eau
- La flexion, la fatigue ou les sollicitations cycliques prédominent
- Le rapport résistance/poids et la fiabilité justifient le coût plus élevé des matériaux
FAQ
Qu'est-ce qui est le plus résistant : la fonte grise ou la fonte ductile ?
La fonte ductile présente une plus grande résistance à la traction et une limite d'élasticité mesurable ; elle s'impose donc chaque fois que la flexion, la pression ou les chocs sont des facteurs déterminants. La fonte grise n'est pas choisie pour sa résistance, mais pour ses propriétés d'amortissement, son usinabilité et son coût.
La fonte grise est-elle moins chère que la fonte ductile ?
Oui. La fonte grise revient moins cher à l'unité, car elle nécessite moins de traitements d'alliage et est plus facile à usiner. L'écart de coût se réduit lorsque la fonte ductile permet d'éviter une section plus épaisse ou une défaillance prématurée.
Lequel dois-je choisir pour les carters de pompe et les corps de vanne ?
La fonte ductile constitue le choix le plus sûr pour les pièces sous pression, car elle cède élastiquement avant de se rompre et résiste aux chocs. La fonte grise peut convenir aux carters soumis à une faible pression et à des vibrations importantes, lorsque le poids et le coût d'usinage sont des facteurs plus déterminants.
Quel métal est le plus facile à usiner ?
Fonte grise. Les paillettes de graphite agissent comme des brise-copeaux et comme un lubrifiant sec, ce qui permet d'allonger la durée de vie des outils et de réduire les temps de cycle. La fonte ductile se usine bien, mais nécessite des outils plus durs et des vitesses plus faibles pour obtenir la même finition.
Fonte nodulaire – Fabricant de pièces moulées en fonte
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