Les fontes à graphite lamellaire et sphéroïdal

Construction de l' Iron Bridge métallique en 1779.

Construction de l' Iron Bridge métallique en 1779.

Les fontes à graphite lamellaire et sphéroïdale sont utilisées dans de nombreux domaines industriels. Si leur découverte a été progressive, avec les fontes GS après la deuxième guerre mondiale, leurs avantages sont multiples et leur faible coût d’élaboration leur ouvre de nombreux marchés.

L’âge de fer

On considère que « l’Age du Fer » commence vers 1000 ans avant notre ère et indépendamment, en plusieurs endroits sur la planète. Mais des indices laissent penser que les premiers objets en fer ont été réalisés bien avant… le fer ayant la détestable tendance à s’oxyder, il est possible -et même probable- que les objets antérieurs ont pour la plupart disparu. Le « fer » dont il s’agit (le « fer météoritique » était connu bien avant) est issu de la réduction dans des « bas-fourneaux » de son oxyde naturel par le carbone à haute température. Il est plus ou moins décarburé et est mis en forme par martelage. Dans la mythologie grecque, le fer est honoré d’une divinité, Héphaïstos (les Romains le rebaptiseront Vulcain), qui séjourne sous l’Etna. Les objets en fer restent pendant très longtemps coûteux et réservés à une élite. Ainsi dans l’Iliade, le vainqueur d’une épreuve d’athlétisme se voit offrir un disque de fer brut !

Un usage militaire de la fonte

Le fer devient de plus en plus présent avec une demande croissante pour des usages militaires comme des armes et armures. De manière assez paradoxale, la fonte en tant qu’alliage fer-carbone porté à l’état liquide (aujourd’hui l’alliage ferreux le plus facile à mettre en œuvre) apparaît bien plus tardivement, même si en Chine des pièces en fonte ont été réalisées dès 600 ans avant notre ère. En Europe, elle n’apparaît ainsi qu’avec l’avènement des premiers hauts-fourneaux à partir du XVe siècle (même si localement elle a pu être produite dès le XIIe). Elle est alors utilisée pour réaliser des gueuses destinées à être affinées et transformées en acier dit « naturel ». Elle n’est pas encore utilisée pour réaliser des pièces, probablement en raison de son caractère fragile. Les premiers canons en fonte sont ainsi réalisés vers 1550 seulement, en Angleterre, et le XVIIe siècle verra la réalisation d’autres pièces de fonderie (dont celles pour la célèbre machine hydraulique de Marly).

La maitrise des alliages fer-carbone

C’est néanmoins seulement tout au long du XVIIIe siècle que la connaissance progresse pour aboutir à une description correcte des phénomènes, en particulier l’influence de la teneur en carbone et celle des éléments présents dans le minerai initial comme le silicium et le phosphore. Le XVIIIe siècle verra également l’invention du cubilot par le Français Réaumur et la fabrication de pièces mécaniques (autorisant entre autres la construction de l’Iron Bridge en 1779, toujours en place). La fonte reste toutefois un matériau fragile bien utile pour les œuvres d’art, alors que parallèlement, l’acier autorise des sollicitations de plus en plus importantes, avec l’exemple de la tour Eiffel en 1889. Elle le restera jusqu’à la découverte fortuite des fontes « GS » lors de la Seconde Guerre Mondiale, la recherche d’éléments de remplacement du chrome ayant conduit à tester l’effet du magnésium.

La fonte issue de matière recyclée

De nos jours, la fonte reste toujours le passage obligé pour la fabrication de l’acier à partir du minerai de fer. Toutefois, la fonte à usage mécanique est désormais élaborée à partir de matières métalliques recyclées, au moyen de cubilots ou de fours à gaz ou électriques. La fonte de haut-fourneau dite « neuve » n’est plus utilisée en fonderie que pour sa teneur élevée en carbone et sa relativement faible teneur en éléments d’alliage.

La définition des fontes

Fonte à graphite lamellaire - (micrographie 100 X) le graphite en sombre.
Fonte à graphite lamellaire – (micrographie 100 X) le graphite en sombre.

Une fonte peut être définie à partir de sa « caractéristique métallurgique » qui est de présenter au cours de sa solidification, une phase eutectique. Le diagramme binaire Fer-Carbone indique que ceci se produit pour une teneur en carbone supérieure à 2% en masse. Cette valeur est à moduler en fonction de la présence d’autres éléments. Le silicium déjà évoqué, diminue ainsi cette valeur qui est de 1.7 % par exemple pour une teneur en silicium de 2%.

Cet eutectique (à 4.23% de carbone dans le cas du diagramme binaire Fer-Carbone, la présence d’autres éléments, comme vu précédemment, va modifier cette teneur) conduit à la présence simultanée dans la microstructure de Fer et de Graphite libre (sous forme de lamelles et dans des conditions particulières, de sphéroïdes) et fait des fontes « grises » un matériau composite avant l’heure, associant les qualités individuelles des deux constituants. Dans certaines conditions, le carbone en excès peut apparaitre sous forme de carbure de fer (de formule chimique Fe3C) qui a la particularité d’être métastable (la fonte est alors dite « blanche »).

Les avantages des fontes moulées

La présence d’un eutectique correspond (par définition même de l’eutectique) à une solidification à une température constante et minimale : 1150°C environ. Les fontes constituent ainsi une famille de matériaux pouvant être facilement fondus et coulés à des températures nettement plus basses que les aciers, même très alliés, autorisant une grande variété de formes utiles et/ou complexes. Les conséquences sont importantes en termes de coût, tant en énergie qu’en réfractairité des matériaux appelés à être au contact du métal liquide (moules et revêtements) : le sable de quartz suffit la plupart du temps.

Une faible contraction volumique à la solidification

En raison de la cristallisation de carbone libre sous forme de graphite, de faible masse volumique (2.7 g/cm3),  la fonte grise a la plus faible contraction à la solidification de tous les alliages ferreux. Par exemple, l’acier moulé subit généralement une contraction en volume de plus de 4% pendant la solidification, tandis que la contraction de la fonte grise peut être de moins de 1% selon la composition et les conditions de traitement. Cette différence de comportement permet aux produits d’être réalisés aux dimensions exactes beaucoup plus facilement en utilisant la fonte grise, avec une santé interne plus facile à obtenir.

La présence de graphite de faible densité, confère aux fontes une masse volumique inférieure de 10% environ relativement à l’acier. A résistance identique, les fontes autorisent ainsi un gain de masse appréciable, avantageux pour des pièces embarquées ou tournantes.

Une bonne résistance à l’usure

Toujours en raison de la présence de graphite, les fontes ont quelques propriétés physiques qui leur donnent un avantage concurrentiel par rapport à l’acier moulé. Tout d’abord, elles sont relativement résistantes à l’usure. En effet, les particules de graphite qui affleurent en surface retiennent l’huile et agissent également comme un agent d’autolubrification.

L’amortissement des vibrations

Par ailleurs, le graphite ralentit la propagation des ondes acoustiques et les atténue, rendant la fonte idéale pour les châssis de machines et d’autres composants où l’amortissement des vibrations est souhaitable (blocs-cylindres de moteurs thermiques).

Une très bonne conductivité thermique

Le graphite présente par ailleurs une conductivité thermique supérieure à celle du fer. Sa présence, surtout sous la forme de lamelles interconnectées, va donc améliorer la dissipation de la chaleur dans la matière, réduisant de ce fait les gradients thermiques et la sollicitation aux chocs thermiques. La fonte grise reste ainsi le matériau privilégié pour la fabrication des disques et tambours de frein.

Une très bonne usinabilité

Un autre avantage de la fonte grise par rapport à l’acier moulé est sa meilleure usinabilité. Cette amélioration de l’usinabilité, mesurée en vitesse de coupe et d’enlèvement de matière et en durée de vie des outils, est directement reliée à la présence de graphite libre, qui « casse » le copeau de fonte en petits fragments qui emportent avec eux l’énergie de coupe et évitent ainsi la surchauffe du matériau. Celle-ci est également réduite du fait de la meilleure conductivité thermique déjà signalée.

Enfin, la fonte présente une dissymétrie de la courbe de déformation sous effort de traction et de compression, qui se traduit par un déplacement de la fibre neutre d’une barre en flexion. La résistance à la rupture d’une barre en fonte est ainsi très supérieure à celle d’une barre identique en acier de même résistance mécanique.

La découverte des fontes GS

Fonte à graphite sphéroïdal - graphite sous forme de particules sphériques.
Fonte à graphite sphéroïdal – graphite sous forme de particules sphériques.

Malgré ces propriétés et les avantages économiques, l’utilisation de la fonte avant la Seconde Guerre mondiale était limitée en raison de son manque de ductilité, attribuable à la forme lamellaire des particules de graphite.

Pour parer à cette fragilité, il a d’abord été utilisé le fait que le carbure de fer pouvait se décomposer en fer et en graphite, lors d’un traitement thermique approprié. Le graphite formé à l’état solide prend la forme de particules de forme approchant la sphère mais avec une surface restant irrégulière. Ces fontes dites « malléables » obtenues par un long traitement thermique à haute température de fontes blanches, ont connu leurs heures de gloire, jusqu’à la découverte des fontes à graphite sphéroïdal.

L’effet d’une addition de magnésium –découvert par hasard aux USA durant la Seconde Guerre mondiale, en recherchant un élément de substitution du chrome- est de diminuer la teneur en soufre et en oxygène (éléments habituellement présents dans la fonte), d’augmenter considérablement la tension superficielle à l’interface graphite-fer et au final, de modifier profondément la forme des particules de graphite, laquelle devient sphéroïdale … et la fonte devient ductile.

Avec le développement de ces fontes « GS » à partir de 1948, les marchés précédemment dominés par les aciers moulés ou forgés ont été très progressivement ouverts aux fontes. Si la fabrication industrielle des vilebrequins pour moteur automobile et des éléments de voirie en fonte GS  date des années 1970 –et l’utilisation de cette fonte pour les pièces de sécurité, des années 1980 seulement- aujourd’hui, les fontes ductiles avec une large gamme de propriétés obtenues « brutes de coulée » ou  par traitement thermique, peuvent remplacer les aciers pour beaucoup de leurs applications mécaniques.

Conclusions

Au-delà des fontes GL et GS conventionnelles, d’autres types de fontes existent qui seront développées dans un prochain article sur MetalBlog qui décrira également le procédé d’inoculation, à la base de la technologie de production des fontes GS.

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