Fonte grise ou fonte ductile ? Comparaison des types de fonte à usage industriel

La fonte est un matériau multifonctionnel utilisé dans de nombreuses industries. Le terme "fonte" est le nom générique des alliages fer-carbone contenant plus de 2% de carbone. Les sous-classes de la fonte sont nombreuses, certaines d'entre elles étant la fonte grise et la fonte ductile. Dans cet article, nous passerons en revue les différences entre la fonte ductile, la fonte grise et la fonte afin d'aider les ingénieurs à sélectionner un matériau approprié pour leurs projets.

Aperçu de la fonte

La fonte est un alliage de fer et de carbone, contenant généralement plus de 2,11% de carbone. Elle contient également des oligo-éléments tels que le silicium, le manganèse, le soufre et le phosphore, qui augmentent ses propriétés de coulabilité, d'usinabilité, de résistance à l'usure et d'absorption des chocs. Le point de fusion relativement bas de la fonte, associé à sa grande fluidité, permet de la couler facilement dans des moules et d'obtenir des géométries complexes. La fonte est donc devenue un matériau omniprésent dans de nombreuses applications.

Types de fonte

Les fontes sont classées en plusieurs types, principalement en fonction de la structure et de la morphologie de la teneur en carbone. Les principales catégories sont la fonte grise et la fonte ductile, chacune ayant des propriétés et des utilisations différentes.

Les autres types de fonte sont les suivants :

• Fonte malléable : Type de fonte fabriqué en exposant de la fonte blanche à un traitement thermique de recuit.
• Fonte blanche : Elle présente une teneur élevée en carbone et un aspect blanc et brillant qui attire l'attention.
•  Fer graphite vermiculaire : le graphite est présent sous la forme d'un ver, d'une tige aux bords arrondis.

Qu'est-ce que le fer gris ?

Le fer gris se distingue par la présence de graphite lamellaire. Ce graphite forme une microstructure assez particulière dans laquelle le carbone se présente sous la forme de grandes feuilles en forme de flocons noyés dans la matrice métallique. Les principaux éléments du fer gris sont le fer, le carbone, le silicium, le manganèse, le soufre et le phosphore.

Tableau 1. Composition de la fonte grise

Le fer	C	Si	Mn	P	S
Reste	2.0%～4.0%	1.0%～2.0%	0,5%～1,4%	0.05%～0.50%	0.02%～0.20%

Microstructure

La matrice du fer gris est généralement constituée de ferriteLa présence de flocons de graphite perturbe la continuité de la matrice métallique, ce qui rend le matériau moins résistant à la tension. La présence de paillettes de graphite perturbe la continuité de la matrice métallique, ce qui rend le matériau moins résistant à la traction. Par conséquent, la résistance à la traction est plus faible, mais le matériau se comporte extrêmement bien sous les charges de compression. Des concentrations de contraintes se produisent à l'extrémité des paillettes de graphite, qui peuvent se propager en fissures et réduire la ténacité.

Le traitement thermique ne peut pas modifier la morphologie et la distribution du graphite dans la fonte grise, de sorte que l'utilisation du traitement thermique pour améliorer les performances de la fonte grise n'est pas significative. Le traitement thermique de la fonte grise est principalement utilisé pour éliminer les contraintes internes des pièces moulées, obtenir des dimensions stables, améliorer les performances de coupe et augmenter la dureté de la surface et la résistance à l'usure.

Propriétés mécaniques

Voici quelques-unes des principales propriétés mécaniques :

Résistance à la traction. La résistance à la traction de la fonte grise se situe entre 100 et 700 MPa, ce qui est relativement modéré et reflète une résistance moyenne à l'arrachement. La résistance dépend de la composition de la matrice, les matrices perlitiques offrant une résistance à la traction plus élevée que les matrices ferritiques.

Limite d'élasticité. La limite d'élasticité de la fonte grise varie entre 65,5 et 420 MPa, ce qui prouve qu'elle peut résister à une contrainte modérée avant l'apparition d'une déformation plastique.

Allongement à la rupture. La fonte grise possède généralement un allongement compris entre 1,0 et 15,0%. Les paillettes de graphite entraînent une fragilité ; on peut donc s'attendre à une très faible déformation avant la rupture.

Dureté. La dureté de la fonte grise se situe entre 150 et 300 HB, ce qui permet d'obtenir une dureté de surface suffisante pour résister à l'usure dans les applications sans impact. La dureté dépend de la quantité de perlite présente dans la matrice ; plus la teneur en perlite est élevée, plus la dureté est importante.

Tableau 2. Propriétés mécaniques de la fonte grise

Matériaux	Résistance à la traction	Limite d'élasticité	Élongation	Dureté
Fer gris	100-700 MPa	65,5-420 MPa	1.0-15.0 %	150-300HB

Propriétés de transformation

Casting : Excellentes propriétés de coulée, idéal pour les formes complexes avec une bonne fluidité et un faible taux de retrait.

Usinabilité : Bon, car la présence de graphite agit comme un lubrifiant naturel, réduisant l'usure de l'outil et la force de coupe.

Apparence

La fonte grise présente normalement une surface de rupture gris foncé avec une texture rugueuse. Le processus de coulée peut également introduire des défauts tels que des trous de sable et des porosités, bien que ceux-ci soient normalement réduits au minimum dans des conditions de production contrôlées.

Qu'est-ce que la fonte ductile ?

La fonte ductile, également connue sous le nom de fonte nodulaire et de fonte à graphite sphéroïdal (fonte S.G.), est produite par l'ajout d'une petite quantité de nébuliseur à la fonte en fusion, généralement du magnésium. Le traitement forme des sphères de graphite et améliore considérablement les propriétés mécaniques du matériau, car il y a une réduction de la concentration de contraintes qui se produit à l'interface graphite-matrice.

Microstructure

La microstructure de la fonte ductile contient des particules de graphite sphériques qui sont dispersées uniformément dans la matrice, qui peut être de la ferrite, de la perlite ou un mélange des deux. La présence de graphite sphérique réduit l'effet négatif sur la matrice, ce qui se traduit par de meilleures propriétés mécaniques et un meilleur équilibre des performances.

Propriétés mécaniques

Voici les principales propriétés mécaniques de la fonte ductile :

Résistance à la traction. La résistance à la traction de la fonte ductile est comprise entre 400 et 800 MPa, une mesure de sa capacité à résister à des forces de traction plus importantes, l'extrémité supérieure de la fourchette la plaçant au même niveau que certains aciers en termes de résistance.

Limite d'élasticité. La fonte ductile a une limite d'élasticité comprise entre 250 et 500 MPa, ce qui représente une bonne résistance à la déformation permanente sous n'importe quelle contrainte. Combinée à sa ductilité, elle est plus durable sous charge que la fonte grise.

Élongation. La fonte ductile présente une plage d'allongement de 2-18%, ce qui indique une ductilité moyenne à élevée par rapport aux autres fontes. La présence de nodules de graphite sphéroïdal dans sa structure réduit l'effet des concentrations de contraintes, ce qui permet au matériau de se déformer davantage avant de se rompre.

Dureté. Sa dureté se situe entre 130 et 350 HB, en fonction du traitement thermique et de la composition de la matrice. Les valeurs de dureté les plus élevées correspondent à une meilleure résistance à l'usure, tandis que les valeurs les plus faibles indiquent une meilleure usinabilité.

Tableau 3. Propriétés mécaniques de la fonte ductile

Notes	Résistance à la traction	Limite d'élasticité	Élongation	Dureté	Matrice
QT400-18	400 MPa	250 MPa	18%	130-180 HB	ferrite
QT400-15	400 MPa	250 MPa	15%	130-180 HB	ferrite
QT450-10	450 MPa	310 MPa	10%	160-210 HB	ferrite
QT500-7	500 MPa	320 MPa	7%	170-230 HB	ferrite+perlite
QT600-3	600 MPa	370 MPa	3%	190-270 HB	ferrite+perlite
QT700-2	700 MPa	420 MPa	2%	225-305 HB	perlite
QT800-2	800 MPa	480 MPa	2%	245-350 HB	perlite

Propriétés de transformation

Casting : La fonte ductile possède de bonnes caractéristiques de coulée, mais elle est beaucoup plus difficile à traiter que la fonte grise. Des traitements de localisation et d'inoculation sont nécessaires, et ce matériau présente un taux de retrait plus élevé au cours du processus de solidification.

Usinabilité : Comme la fonte grise, la fonte ductile bénéficie de l'effet lubrifiant du graphite, mais la résistance plus élevée augmente la force de coupe et l'usure de l'outil par rapport à la fonte grise.

Apparence

La fonte ductile se fracture généralement avec une surface gris argenté, avec une finition plus lisse que la fonte grise. En raison de la résistance élevée et du faible taux de défauts, l'apparence devient plus raffinée, ce qui se traduit par un meilleur attrait esthétique dans les applications à haute performance.

Fonte grise et fonte grise

En tant que branche importante de la fonte, la fonte grise présente les caractéristiques du graphite lamellaire et convient aux scénarios de résistance à l'usure et d'absorption des chocs. La fonte, en tant que classification du ferIl existe de nombreux types de graphite, dont les performances et les domaines d'application varient considérablement en fonction des différentes formes de graphite.

Tableau 4. Comparaison entre la fonte grise et la fonte grise

Caractéristiques	Fer gris	Fonte
Définition	Le graphite est réparti sous forme de paillettes et la surface de rupture est grise.	Les alliages fer-carbone contiennent généralement 2% à 4% de carbone et comprennent de nombreux types.
Forme graphite	Flocon	Selon le type, il peut se présenter sous forme de flocons, de boules ou de vers.
Propriétés mécaniques	Résistance élevée à la compression et bonne résistance à l'usure, mais faible résistance à la traction et ténacité.	Les propriétés des différents types de fonte varient considérablement.
Capacité de traitement	Bonnes propriétés de coupe	Les performances de traitement varient en fonction de la morphologie du graphite et de la structure de la matrice.
Caractéristiques des fractures	La fracture est grise, rugueuse et contient du graphite.	La couleur de la fracture varie en fonction de la forme du graphite ou du carbone.
Prix	Coût inférieur	Les coûts varient selon le type

Fonte ductile et fonte

La fonte ductile fait partie de la famille des fontes. Elle se caractérise par une grande solidité, une grande ténacité et une grande résistance aux chocs. La fonte est une vaste catégorie de fer dont les propriétés et les applications varient considérablement en fonction du type.

Tableau 5. Comparaison entre la fonte ductile et la fonte grise

Caractéristiques	Fonte ductile	Fonte
Définition	Le graphite est distribué sous forme sphérique, ce qui réduit la concentration des contraintes et améliore la résistance et la ténacité.	Les alliages fer-carbone contiennent généralement 2% à 4% de carbone et comprennent de nombreux types.
Forme graphite	Sphérique	Selon le type, il peut se présenter sous forme de flocons, de boules ou de vers.
Propriétés mécaniques	Il présente une résistance élevée à la traction et une bonne ténacité, proche ou même supérieure à celle de l'acier ordinaire.	Les propriétés des différents types de fonte varient considérablement.
Capacité de traitement	Bonne performance de coupe, mais une dureté légèrement plus élevée peut facilement entraîner l'usure de l'outil.	Les performances de traitement varient en fonction de la morphologie du graphite et de la structure de la matrice.
Caractéristiques des fractures	La fracture est brillante, la surface est lisse et le graphite est uniformément réparti.	La couleur de la fracture varie en fonction de la forme du graphite ou du carbone.
Prix	Le coût est plus élevé, mais les performances sont excellentes et la durée de vie longue.	Les coûts varient selon le type

Fonte ductile et fonte grise

Morphologie du graphite : La fonte grise possède un graphite en forme de flocon qui forme un réseau qui traverse la matrice métallique. La fonte ductile contient du graphite sphérique, qui améliore la résistance globale du matériau en minimisant les perturbations de la matrice.

Structure matricielle : La matrice de la fonte grise est très affectée par la présence de paillettes de graphite, ce qui réduit son uniformité et ses propriétés mécaniques. La matrice de la fonte ductile est moins affectée par le graphite et conserve donc mieux ses propriétés mécaniques.

Résistance à la traction : La résistance à la traction de la fonte grise se situe entre 100 et 300 MPa, tandis que la résistance à la traction de la fonte ductile est bien meilleure et se situe entre 400 et 800 MPa.

Résistance à la compression : Les deux matériaux ont une bonne résistance à la compression, mais la fonte ductile a un rapport plus équilibré entre la résistance à la compression et la résistance à la traction de 1,5 à 2,0, alors que la fonte grise est de l'ordre de 3 à 4.

Plasticité et ténacité: La fonte grise présente une plasticité et une ténacité faibles. Dans la fonte ductile, cependant, on observe une élongation beaucoup plus importante - 2% à 18% - et une plus grande résistance aux chocs.

Casting : La fonte grise possède de bonnes caractéristiques de coulée, ce qui la rend bien adaptée aux formes complexes avec un faible retrait. La fonte ductile est encore plus complexe à traiter, mais elle présente toujours une bonne aptitude à la coulée, bien qu'elle ait tendance à se rétracter davantage lors de la solidification.

Usinage : Les deux matériaux ont une bonne usinabilité ; cependant, la fonte ductile nécessite généralement plus de force dans le processus d'usinage en raison de sa plus grande résistance.

Surface de rupture : La fonte grise présente une surface de rupture rugueuse de couleur gris foncé, tandis que la fonte ductile se fracture en gris argenté avec une finition plus lisse.

Qualité de la surface : La fonte, quant à elle, présente davantage de défauts de surface, tels que des trous de sable ; la fonte ductile présente une finition de surface beaucoup plus compacte et raffinée.

Conclusion

Les différences entre la fonte ductile et la fonte grise résident dans la microstructure, les propriétés mécaniques et les caractéristiques technologiques. Par rapport à la fonte grise, la fonte ductile présente des avantages en termes de résistance et de ténacité grâce au graphite sphérique, mais ses propriétés de coulée et d'usinage sont plus faibles ; en revanche, la fonte grise présente de meilleures propriétés de coulée et d'usinage. La fonte grise est préférée dans les applications nécessitant des formes complexes et une bonne absorption des chocs, tandis que la fonte ductile convient mieux aux applications soumises à de fortes contraintes, où la résistance et la ténacité doivent prévaloir. Il est essentiel de comprendre ces différences pour sélectionner le bon matériau pour une application spécifique, garantissant ainsi des performances maximales, une longue durée de vie et un coût minimal.

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