La fonte est un alliage à base de fer contenant environ 2 à 4 % de carbone, ainsi que du silicium, du manganèse et de faibles quantités de soufre et de phosphore. C'est cette teneur en carbone qui distingue principalement la fonte de l'acier. Un alliage de fer doit contenir plus de 2 % de carbone pour pouvoir être classé comme fonte ; à titre de comparaison, l'acier moulé contient généralement entre 0,1 et 0,5 % de carbone.
Ce nom peut prêter à confusion. Comme il contient le mot « fer », on pense parfois que la fonte est proche du fer pur. En réalité, les aciers au carbone contiennent une proportion de fer plus élevée que la plupart des fontes. La fonte n’est pas un métal unique, mais une famille d’alliages, et les différences entre les membres de cette famille sont plus importantes que ne le laisse supposer leur nom commun. Cette famille d'alliages a une longue histoire : les fonderies chinoises produisaient déjà de la fonte dès le VIe siècle avant J.-C., et celle-ci reste aujourd'hui largement utilisée dans les applications industrielles.
De quoi est composée la fonte ?
La fonte est un alliage dont le métal de base est le fer et dont l'élément caractéristique est le carbone. La teneur en carbone varie généralement entre 2 et 4 %, du silicium et du manganèse y étant ajoutés en petites quantités, tandis que les teneurs en soufre et en phosphore sont maintenues à un faible niveau. Ces éléments sont ajoutés délibérément afin de modifier les propriétés du métal et d'obtenir des caractéristiques spécifiques nuances de fonte.
La forme que prend le carbone a une incidence concrète. Le graphite rend le métal plus tendre et plus facile à usiner, tandis que le carbure de fer le rend plus dur et plus cassant. Le silicium favorise la formation de graphite lors du refroidissement, c'est pourquoi sa teneur est contrôlée en même temps que celle du carbone.
| Élément | Montant habituel | Fonction |
|---|---|---|
| Fer (Fe) | Équilibre | Métal commun ; confère résistance et propriétés magnétiques |
| Carbone (C) | 2–4% | Se présente sous forme de graphite (plus tendre, plus facile à usiner) ou de carbure de fer (plus dur, plus cassant) |
| Silicium (Si) | 1–3% | Favorise la formation de graphite lors de la solidification |
| Manganèse (Mn) | 0,5–11 TP3T | Compense l'effet néfaste du soufre |
| Soufre (S) | Jusqu'à environ 0,081 TP3T | À maintenir à un faible niveau ; un excès de soufre augmente la fragilité |
| Phosphore (P) | Jusqu'à environ 1% | Améliore la fluidité et la rigidité |
La composition détermine la structure, et la structure détermine les propriétés de la pièce finie. Deux pièces moulées portant toutes deux le nom de « fonte » peuvent présenter des comportements très différents si leur composition ou leur refroidissement diffèrent.
Comment fabrique-t-on la fonte ?
C'est du processus de fabrication que provient ce nom. Le minerai de fer est réduit dans un haut fourneau pour obtenir du fer fondu, qui est ensuite coulé en lingots bruts, appelés traditionnellement « pigs ». Les lingots sont refondus dans un four à coupole avec de la ferraille et des éléments d'alliage ; la composition est ajustée pour atteindre la teneur souhaitée, puis la masse fondue ainsi préparée est coulée dans un moule.
La fonte en fusion s'écoule plus facilement que l'acier et fond à une température plus basse. Ces deux caractéristiques la rendent particulièrement adaptée au moulage : les cavités complexes des moules se remplissent plus facilement et l'énergie nécessaire à la fusion reste raisonnable.
La solidification n'est pas la dernière étape. Les canaux de coulée, les masselottes et les bavures sont éliminés une fois la pièce moulée refroidie ; selon la nuance de l'acier et le plan, cette étape peut être suivie d'un traitement thermique, d'un usinage, d'une finition de surface ou d'un contrôle. Le moule donne sa forme à la pièce ; les opérations ultérieures déterminent ses propriétés finales.
Types de fonte
La fonte est classée en fonction de la forme de son carbone. Cette caractéristique structurelle unique détermine l'usinabilité, la ténacité, la résistance à l'usure et les propriétés d'amortissement ; il convient donc d'identifier le type avant de choisir une nuance.
Fer gris
Fer gris contient du graphite sous forme de paillettes. Lorsqu’une pièce moulée en fonte grise se fracture, la fissure suit le tracé des paillettes et la surface de rupture présente une couleur grise, d’où son nom. La structure en paillettes rend la fonte grise facile à usiner et lui confère une grande capacité d’amortissement des vibrations.
Ces flocons présentent toutefois un inconvénient. La fonte grise est moins ductile que les autres types de fonte et présente une résistance à la traction inférieure. Elle convient aux pièces soumises principalement à des charges de compression ou devant répondre à des exigences en matière de contrôle des vibrations ; pour les pièces soumises à des chocs répétés, il est préférable d'envisager d'autres nuances.
Fer blanc
La fonte blanche ne contient pratiquement pas de graphite. Le carbone y est principalement présent sous forme de carbure de fer, ce qui confère à la surface de rupture un aspect blanc et rend le matériau dur et cassant. La fonte blanche offre une résistance élevée à la compression et une excellente résistance à l'usure ; elle est donc utilisée pour les corps de broyage, les plaques d'usure et d'autres pièces soumises à une forte abrasion.
Sa fragilité limite son utilisation. Le fer blanc ne se déforme pas avant de céder, et les applications qui l'utilisent acceptent ce comportement en échange d'une durée de vie supérieure à celle des matériaux plus tendres.
Fer malléable
La fonte malléable est initialement de la fonte blanche, qui est transformée par un traitement thermique prolongé. Ce traitement décompose le carbure de fer et libère du carbone sous forme de particules de graphite compactes, ce qui confère au matériau un comportement différent de celui de la fonte blanche fragile dont il est issu.
Ce procédé a été mis au point en France au XVIIIe siècle. La fonte malléable reste un choix privilégié pour les pièces moulées à parois minces et de forme complexe qui nécessitent une certaine résistance à la rupture, et ses propriétés sont proches de celles de la fonte ductile.
Fonte ductile
La fonte ductile, également appelée fonte à graphite sphéroïdal, est obtenue en ajoutant du magnésium à la masse fondue, ce qui fait que le graphite se solidifie sous forme de sphéroïdes plutôt que de paillettes. La forme arrondie du graphite améliore considérablement la ténacité et la résistance par rapport à la fonte grise et confère au matériau une meilleure résistance aux chocs.
La fonte ductile a été mise au point aux États-Unis et en Grande-Bretagne en 1948 et est devenue une famille majeure de matériaux d'ingénierie utilisés pour les engrenages, les matrices, les vilebrequins et de nombreuses pièces de machines. Une nuance apparentée, la fonte à graphite compacté, présente un graphite en forme de vers et se situe, en termes de performances, entre la fonte grise et la fonte ductile. Pour les pièces qui nécessitent la résistance de la fonte ductile à des volumes de production élevés, notre guide sur la fonte ductile doit être réexaminé avant que la note ne soit définitive.
Propriétés de la fonte
La fonte est choisie pour un ensemble de propriétés communes à toutes les nuances :
- Résistance à la compression. La fonte supporte des charges importantes sans se déformer, ce qui en fait un matériau idéal pour les colonnes, les socles de machines et les supports structurels.
- Dureté et résistance à l'usure. Le graphite et le carbure y contribuent tous deux, ce qui profite aux surfaces en contact permanent, telles que les engrenages, les pistons et les plaques d'usure.
- Amortissement. La fonte grise absorbe les vibrations environ 20 à 25 fois mieux que l'acier, une propriété dont les constructeurs de machines-outils tirent parti depuis plus d'un siècle.
- Usinabilité. La fonte grise, en particulier, se coupe proprement car les paillettes de graphite agissent à la fois comme brise-copeaux et comme lubrifiant sec.
- Rétention de la chaleur. La fonte emmagasine et conserve bien la chaleur ; ce principe s'applique également aux ustensiles de cuisine, aux moules, aux matrices et aux composants de four.
- Coût. Les éléments d'alliage sont courants et le procédé de fabrication est économique, ce qui fait que la fonte reste l'un des matériaux techniques les plus abordables.
Où utilise-t-on la fonte ?
La fonte est utilisée lorsque la dureté, la résistance à l'usure, les propriétés d'amortissement ou le rapport qualité-prix priment sur la ténacité à la traction. Les applications se répartissent naturellement en fonction de la nuance :
- Automobile et machines : disques de frein, engrenages, pignons, chaînes, segments de piston et blocs-moteurs.
- Manipulation des fluides : corps de pompe, corps de vanne et raccords de tuyauterie (voir notre Étude de cas sur la pièce moulée du corps de vanne).
- Outillage et pièces d'usure : matrices, moules, bancs de machines-outils et composants résistants à l'abrasion.
- Architecture et affaires communales : couvercles de regards, ferronnerie décorative, socles de structure et grilles.
- Énergie et exploitation minière : matériel minier, vilebrequins et carters robustes.
Fonte nodulaire – Fabricant de pièces moulées en fonte
C'est précisément le genre de décision pour laquelle une fonderie peut vous aider. Envoyez le plan, les conditions d'utilisation et les quantités à [nos ingénieurs](/contact-us/), et laissez-les passer en revue la nuance de l'acier, le processus de moulage et les étapes de finition avant de valider l'outillage. Il est moins coûteux de régler ces points dès le départ que de les corriger une fois la production lancée.
