Fonte (métallurgie)

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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 maximum). Elle se distingue des aciers au carbone par une sursaturation en carbone, qui peut précipiter sous la forme de graphite au moment de la solidification.

Caractéristiques principales[modifier | modifier le code]

Les fontes sont toutes des alliages destinés à la fonderie. Elles 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 éprouvette en colimaçon de section triangulaire).

La fonte a une température de fusion allant de 1 135 °C à 1 350 °C, essentiellement en fonction du pourcentage de carbone et de silicium qu'elle contient. Lorsqu'elle est en fusion, sa teneur maximale en carbone dépend de sa température. Au moment de la solidification, la quantité de carbone précipitant sous la forme de graphite dans la matrice métallique dépend des autres éléments présents (essentiellement le silicium) et des vitesses de refroidissement.

Elle peut être un précurseur dans la fabrication de l'acier à partir de minerai de fer. C'est l'alliage qui sort du haut fourneau et qui sera affiné en acier (par décarburation). On l'appelle alors fonte brute, pour la distinguer de la fonte de fonderie, généralement issue d'une fusion au cubilot, de composition déterminée, et destinée à la production de pièces moulées.

Histoire[modifier | modifier le code]

La fonte a été découverte en Chine durant la période des Royaumes combattants (IVe siècle av. J.-C.). En Europe, c'est durant le XIXe siècle que la fonte prit une place essentielle dans l'économie, par la généralisation 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 attribuée à ce type de fonte et des réticences de certains maîtres de forge.

Compositions des fontes[modifier | modifier le code]

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-carbone 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. Dans le cas d'un alliage pur de fer et de carbone (cas théorique car la fonte contient toujours du silicium et du manganèse en quantités non négligeables), on relève les seuils suivants :

  • fonte hypoeutectique : de 2,11 à 4,3 % de carbone ;
  • fonte eutectique : 4,3 % de carbone ;
    cette fonte a la température de fusion la plus basse à 1 148 °C ;
  • fonte hypereutectique : de 4,3 à 6,67 % de carbone.

Les aciers cristallisent dans le diagramme fer-carbone métastable fer-cémentite (représenté ci-contre), bien que ce soit le graphite qui soit 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) Erratum: la composition de la cementite est Fe3C et non FeC3 comme affiché sur le diagramme

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 dissous 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 % de carbone, et fond à une température de 1 153 °C.

On a donc deux types de fontes :

  • les fontes blanches, à cémentite ;
  • les fontes grises, à graphite.

Désignation normalisée[modifier | modifier le code]

La norme européenne EN 1560 indique :

  • le préfixe EN-GJ, indiquant qu'il s'agit de fonte ;
  • la famille de fonte :
    • L : fonte à graphite lamellaire (fonte grise),
    • S : fonte à graphite sphéroïdal (fonte grise),
    • MB : fonte à cœur noir, fonte blanche malléable,
    • MW : fonte à cœur blanc, fonte blanche malléable,
    • N : fonte sans graphite,
    • V : fonte vermiculaire,
    • Y : fonte de structure spéciale ;
  • la résistance à la rupture Rm, en MPa ;
  • éventuellement l'allongement à la rupture A%.

L'ancienne norme française NF A 02-001 indiquait :

  • la nature de la fonte :
    • FB : fonte blanche, ou fonte à cémentite, de matrice martensitique,
    • FGL : fonte à graphite lamellaire, ou fonte grise à graphite lamellaire,
    • FGS : fonte à graphite sphéroïdal, ou fonte grise à graphite sphéroïdal,
    • MB : fonte malléable à coeur blanc,
    • MN : fonte malléable à coeur noir (structure ferritique) ;
  • résistance à la rupture Rm en MPa ;
  • éventuellement l’allongement à la rupture A en %.

P. ex. : EN-GJL-150 (anciennement FGL 150) : fonte à graphite lamellaire de résistance à la rupture Rm = 150 MPa

Fonte blanche[modifier | modifier le code]

Solution de perlite et de cémentite. Le carbone s'y trouve sous forme de carbure de fer (Fe3C)[1]. Possédant une bonne coulabilité, et un aspect blanc brillant, la fonte blanche est principalement utilisée pour les pièces d'aspect, les pièces d'usure (telles que les pointes de socs) et la fonderie d'art. La présence de carbure la rend très résistante à l'usure et à l'abrasion, mais la rend aussi très difficilement usinable.

En fonction de la teneur des éléments d'alliages, il est possible d'obtenir des fontes blanches perlitiques ou martensitiques.

Les principales qualités des fontes blanches sont :

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

Leur principal défaut est d'être :

  • difficilement usinables

La distinction entre fonte blanc ou grise (et noire) date du XVIIIe siècle. Elle a été établie à partir de l'observation de leur faciès de rupture. L'obtention d'une fonte grise ou blanche dépend à la fois de leur composition et de la vitesse de refroidissement[1] :

« Si on sait que le silicium est un élément graphitisant, contrairement au manganèse, qui facilite la formation de cémentite, on sait aussi que la composition chimique ne suffit pas à elle seule pour définir le caractère blanc ou gris de la fonte, car la sélection de la structure se fait au moment de la solidification. Lorsque la vitesse de solidification est rapide, on obtient de la fonte blanche et, lorsqu'elle est lente, il se forme une fonte grise. C'est la zone de vitesse critique qui est fonction de la composition chimique. À partir de la même composition, on peut donc fabriquer une fonte blanche ou grise, selon la vitesse de refroidissement. De plus, si on refond une fonte grise, on la transforme en fonte blanche par solidification rapide, et si on refond cette même fonte blanche, on la transforme à nouveau en fonte grise par solidification lente, à condition de travailler à composition constante, en protégeant la fonte liquide de toute réaction chimique avec l'oxygène de l'air qui aurait pour effet de brûler du silicium et du carbone, et donc de modifier la composition. En pratique, on produit couramment des pièces dont la surface refroidie rapidement est blanche et dure, avec un cœur gris refroidi plus lentement, moins dur, et donc moins fragile[1]. »

— Jean Le Coze, Histoires de fontes. Entre le phlogistique et la plombagine : où situer la « fonte à l'oxygène » ?

Fonte grise[modifier | modifier le code]

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[1].

L'appellation de fonte grise est due à l'aspect de la cassure qui est grise contrairement au fonte blanche dont la couleur de la cassure est blanche[note 1].

Il existe des fontes dont l'aspect est gris et blanc, ce sont les fontes truitées (ressemblance à la peau).

Fonte GL (graphite lamellaire)[modifier | modifier le code]

C'est la plus courante des fontes grises. Le graphite s'y trouve sous forme de lamelles.

Les principales qualités des fontes GL sont :

  • facilité d'usinage ;
  • très bonne résistance à la corrosion et à la déformation à chaud ;
  • très bonne absorption des vibrations ;
  • stabilité dimensionnelle (réalisation de machine outil silencieuse et stable géométriquement) ;
  • excellente coulabilité ;
  • prix du métal peu élevé ;

Les principaux défauts :

  • relativement fragile comparé aux aciers et aux fontes GS

Les principales utilisations :

  • toutes pièces mécaniques (différentes grades de résistance) ;
  • 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, aussi appelée fonte ductile)[modifier | modifier le code]

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.

Obtention d'une fonte GS[modifier | modifier le code]

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 désulfurée 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.

Structures des fontes à graphite sphéroïdal[modifier | modifier le code]

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 :

Propriétés mécaniques et structures des fontes GS normalisées Norme européenne EN 1563
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
  • résistante
  • ductile
  • bonne coulabilité
  • soudabilité
Principales utilisations

Fonte GV (graphite vermiculaire)[modifier | modifier le code]

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
  • bloc moteur véhicule industriel : camion, automobile

Utilisations[modifier | modifier le code]

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)

  • La fonte, et particulièrement la fonte FGS, est très utilisée par l'industrie automobile pour la fabrication, par moulage puis usinage partiel, des blocs moteur, des étriers et chapes de frein à disque, des tambours de freins ou encore des volants moteurs, organes de suspension, arbre à came, vilebrequin etc.
  • La fonte FGL est utilisée pour la fabrication de disques de freins, contrepoids (chariot élévateur), pour la réalisation d'éléments de chauffage, particulièrement ceux de haut de gamme.
  • La fonte FGL est incontournable pour la réalisation des plaques de cheminée et d'inserts de cheminée.
  • La fonte FGS est particulièrement utilisée en éléments de voirie comme les grilles et regards d'assainissement (grille d'égout)
  • Les fontes FGS et FGL sont utilisées pour la réalisation de mobiliers urbains comme les bancs et les rambardes ouvragées (Bouches de métro Guimard), et en ornementation de bâtiments comme les appuis de fenêtre, les rosaces de portail, les pics de grille. Là, la FGS est appréciée pour sa soudabilité.
  • La fonte FGL est utilisée pour la fabrication de conduites et de tuyaux. À l’exclusion, depuis quelques années, des conduites de gaz de ville car elle est trop cassante vis-à-vis des sollicitations du trafic des véhicules lourds et particulièrement lors de l’utilisation de rouleaux compresseurs à vibration par les travaux de voirie.
  • La fonte FGL est préférée pour la réalisation des bâtis de machines-outils car elle a une très bonne capacité d'absorption des vibrations.

Mise en œuvre[modifier | modifier le code]

Les fontes peuvent être mises en œuvre par :

  • moulage : l'empreinte de la forme est obtenue par un moulage sable, coquille métallique, …
  • centrifugation : fabrication des tuyaux,
  • coulée continue : fabrication d'un profil en continu au travers d'une filière (dans le cas des fontes la coulée continue est horizontale).

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, … dossier coulée continue

Toxicologie, santé au travail[modifier | modifier le code]

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[2].

Autres utilisation du terme fonte[modifier | modifier le code]

Le terme fonte est parfois utilisé pour désigner d'autres alliages, tous ces usages sont incorrects [réf. souhaitée]:

  • le terme fonte d'aluminium (de cuivre, de zinc, …) est parfois utilisé pour désigner une pièce (alliage) fabriquée par moulage ; voir Alliages d'aluminium pour fonderie ;
  • le terme fonte d'acier est parfois utilisé, notamment pour les articles de jardinage ou les barbecues, et désigne en réalité de la fonte grise ; un alliage ferreux ne pouvant être à la fois une fonte et un acier, la référence à l'acier est faite pour éviter la confusion avec les fontes d'aluminium, mais en réalité cette référence est commercialement plus valorisante que la dénomination fonte grise ;
  • le terme fonte d'inox ou fonte inoxydable est parfois utilisé, notamment en robinetterie et pour les ustensiles de cuisines ; ce terme est volontairement trompeur car il n'existe pas de fonte normalisée inoxydable (l'oxydation posant peu de problème à la fonte) ; cette appellation désigne au mieux un alliage d'aluminium chromé, et ne donne en réalité aucune information quant aux matériaux employés et est souvent employée pour créer la confusion avec les aciers inoxydables.

Il convient donc d'être prudent quant aux articles qui utilisent cette dénomination.

Notes et références[modifier | modifier le code]

Notes[modifier | modifier le code]

  1. À l'époque où la fonte était coulée en gueuses, la séparation d'une gueuse de la grappe coulée dans le sable se faisait en cassant le chenal d'amenée de la fonte. La morphologie de la cassure renseigne alors le fondeur sur la qualité de la fonte coulée.

Références[modifier | modifier le code]

  1. a, b, c et d Jean Le Coze, « Histoires de fontes. Entre le phlogistique et la plombagine : où situer la « fonte à l'oxygène »? », Comptes Rendus de chimie, vol. 11,‎ juin-juillet 2008, p. 772–787 (lire en ligne)
  2. Monographie CIRC 2007, vol. 98, in Traduction de la liste (02/12/2009) (vol 1 à 100A) du site www.iarc.fr des évaluations faites par le CIRC (groupes 1, 2A, 2B) sur les risques de cancérogénécité pour l'homme et commentaires sur l'utilisation des agents cités. Cette liste est majorée des conclusions des monographies 100B à 100F dont les résultats des évaluations sont publiés au 02/12/2009, travail piloté par le Dr B. FONTAINE, consulté 2010 01 06