Types de pièces moulées en fer
Types de Fonte de ferings
Ce chapitre abordera les différents types de pièces moulées en fer.
Fonte de fonte grise
La caractéristique de Fonte grise La microstructure graphique, responsable des fractures et de l'aspect gris de la fonte, est la plus courante. Ce type de fonte est le plus fréquemment utilisé, notamment en termes de poids. La plupart des fontes grises sont composées de 2,5 % à 4 % de carbone, de 1 % à 3 % de silicium et de fer pour le reste.
Ce type de fonte présente une résistance à la traction et une résistance aux chocs inférieures à celles de l'acier. Sa résistance à la compression est comparable à celle des aciers à faible et moyen carbone.
Toutes ces propriétés mécaniques sont contrôlées par la forme et la taille des paillettes de graphite, qui sont présentes dans la microstructure de la fonte grise.
Fonte de fer blanc
Ce type de fonte présente des surfaces de fracture blanches dues à la présence d'un précipité de carbure de fer appelé cémentite. Le carbone contenu dans la fonte blanche précipite du bain de fusion sous forme de cémentite, une phase stable, plutôt que sous forme de graphite. Ce résultat est obtenu grâce à une faible teneur en silicium comme agent de graphitisation et à une vitesse de refroidissement plus rapide. Après cette précipitation, la cémentite se forme en grosses particules.
Lors de la précipitation du carbure de fer, le précipité attire le carbone du bain fondu initial, rapprochant ainsi le mélange d'un état eutectique. La phase restante est une austénite de fer carbonée, qui se transforme en martensite par refroidissement.
Ces carbures eutectiques sont trop gros pour permettre un durcissement structural. Dans certains aciers, on peut trouver des précipités de cémentite beaucoup plus petits, susceptibles de limiter la déformation plastique en entravant le mouvement des dislocations à travers la matrice de ferrite de fer pur. Ils présentent l'avantage d'accroître la dureté globale de la fonte, du fait de leur propre dureté et de leur fraction volumique. De ce fait, la dureté globale peut être approximée par une règle des mélanges.
Cette dureté se fait de toute façon au détriment de la ténacité. La fonte blanche peut généralement être classée comme un ciment, car le carbure constitue une part importante du matériau. Trop fragile pour être utilisée dans les éléments de structure, la fonte blanche, grâce à sa bonne dureté, sa résistance à l'abrasion et son faible coût, peut servir de revêtement d'usure pour les pompes à boues.
Il est difficile de refroidir des pièces moulées épaisses suffisamment rapidement pour solidifier le métal en fusion en fonte blanche. Cependant, un refroidissement rapide permet de solidifier une grande quantité de fonte blanche, puis le reste de la pièce est refroidi plus lentement pour former un cœur en fonte grise. Cette pièce moulée, dite trempée, présente l'avantage d'avoir une surface dure et un cœur plus résistant.
Les alliages de fonte blanche à haute teneur en chrome permettent le moulage en sable de pièces massives, comme une roue à aubes d'environ 10 tonnes. Ceci s'explique par le fait que le chrome réduit la vitesse de refroidissement nécessaire à la formation de carbures à travers de grandes épaisseurs de matériau. Les éléments de chrome produisent également des carbures présentant une excellente résistance à l'abrasion.
Fonte de fonte malléable
La fonte malléable est obtenue à partir d'une pièce de fonte blanche, puis traitée thermiquement à des températures d'environ 950 °C pendant deux jours ou un seul, et enfin refroidie pendant la même durée.
Sous l'effet de ce processus de chauffage et de refroidissement, le carbone contenu dans le carbure de fer se transforme en graphite et en ferrite, toujours en présence de carbone. Ce processus, bien que lent, permet à la tension superficielle de transformer le graphite en particules sphéroïdales plutôt qu'en paillettes.
Les sphéroïdes sont relativement courts et plus espacés les uns des autres en raison de leur faible rapport d'aspect. Ils présentent également une section transversale plus faible, une fissure en propagation et un photon. Contrairement aux lamelles, leurs contours sont arrondis, ce qui contribue à atténuer les problèmes de concentration de contraintes rencontrés dans la fonte grise. En définitive, les propriétés de la fonte malléable sont plus proches de celles de l'acier, qui est un acier doux.
Fonte de fonte ductile
Parfois appelée fonte nodulaire, cette fonte présente un graphite sous forme de minuscules nodules, le graphite étant organisé en couches concentriques qui forment ainsi les nodules. De ce fait, les propriétés defonte ductilesont celles d'un acier spongieux qui ne présente aucun effet de concentration de contraintes produit par les paillettes de graphite.
La teneur en carbone est d'environ 3 à 4 %, et celle en silicium d'environ 1,8 à 2,8 %. L'ajout de faibles quantités de magnésium (0,02 à 0,1 %) et de cérium (0,02 à 0,04 %) à ces alliages ralentit la vitesse de précipitation du graphite en se liant aux bords des pistes de graphite.
Grâce à une maîtrise précise des autres éléments et à un timing optimal lors de la solidification du matériau, le carbone peut se séparer en particules sphéroïdales. Les particules obtenues sont similaires à la fonte malléable, mais permettent de couler des pièces comportant des sections plus grandes.
Éléments d'alliage
Les propriétés de la fonte sont modifiées par l'ajout de divers éléments d'alliage. Le silicium, au même titre que le carbone, a la capacité de chasser ce dernier de la solution. Un faible pourcentage de silicium ne permet pas d'obtenir un résultat aussi complet, car il laisse le carbone en solution, formant ainsi du carbure de fer et produisant de la fonte blanche.
Une plus grande proportion ou concentration de silicium permet de chasser le carbone de la solution, formant ainsi du graphite et produisant de la fonte grise. Parmi les autres éléments d'alliage non mentionnés, on trouve le manganèse, le chrome, le titane et le vanadium. Ces éléments neutralisent l'action du silicium et favorisent la rétention du carbone, et donc la formation de carbures. Le nickel et le cuivre présentent l'avantage d'accroître la résistance et l'usinabilité, mais ils ne peuvent modifier la quantité de carbone formée.
Le carbone présent sous forme de graphite confère au fer une texture plus douce, réduisant ainsi le retrait, ce qui diminue sa résistance et sa densité. Le soufre, quant à lui, est généralement un contaminant ; il forme du sulfure de fer qui empêche la formation de graphite et augmente la dureté.
L'inconvénient du soufre est qu'il rend la fonte en fusion visqueuse, ce qui engendre des défauts. Pour compenser et éliminer les effets du soufre, on ajoute du manganèse à la solution. En effet, leur combinaison forme du sulfure de manganèse au lieu du sulfure de fer. Le sulfure de manganèse ainsi obtenu est plus léger que la fonte en fusion et a tendance à remonter à la surface pour se retrouver dans le laitier.
La quantité approximative de manganèse nécessaire pour compenser les effets du soufre est de 1,7 unité de soufre, plus 0,3 % supplémentaires. Un excès de manganèse entraîne la formation de carbure de manganèse, ce qui accroît la dureté et la résistance à la trempe, sauf dans le cas de la fonte grise où jusqu'à 1 % de manganèse peut augmenter la résistance et la densité. Le nickel est un élément d'alliage très courant car il affine la perlite et la structure du graphite, améliorant ainsi la ténacité et uniformisant la dureté en fonction de l'épaisseur.
On ajoute du chrome en petites quantités pour réduire le graphite libre et provoquer une trempe. En effet, le chrome est un puissant stabilisateur de carbures et, dans certains cas, il peut agir en synergie avec le nickel. On peut également remplacer le chrome par une petite quantité d'étain. On ajoute du cuivre dans la poche de coulée ou le four, à raison de 0,5 % à 2,5 %, pour abaisser la trempe, affiner le graphite et améliorer la fluidité. On peut aussi ajouter du molybdène, à raison de 0,3 % à 1 %, afin d'augmenter la trempe, d'affiner le graphite et la structure perlitique.
Il est généralement ajouté en association avec le nickel, le cuivre et le chrome pour produire des fontes à haute résistance. Le titane est ajouté comme dégazeur et désoxydant, et améliore la fluidité. Des proportions de 0,15 % à 0,5 % de vanadium sont ajoutées à la fonte et contribuent à stabiliser la cémentite, ce qui augmente la dureté et la résistance à l'usure et aux effets de la chaleur.
Le zirconium, qui contribue à la formation du graphite, est ajouté en proportions d'environ 0,1 % à 0,3 %. Cet élément participe également à la désoxydation et à l'amélioration de la fluidité. Dans les fontes de fer malléable, pour augmenter la quantité de silicium pouvant être ajoutée, on incorpore du bismuth à raison de 0,002 % à 0,01 %. Dans le fer blanc, on ajoute du bore, qui favorise la malléabilité du fer et atténue l'effet de grossissement des grains induit par le bismuth.