METALLURGIE DESCRIPTIVE

METALLURGIEMETALLURGIE

DESCRIPTIVEDESCRIPTIVE

Composites

Cér

amiq

uesPolym

ères

MétalliquesAlliages ferreux

FontesAciers

Alliages non-ferreux

Alliagesd’Aluminium

Alliagesde Cuivre

Alliagesde titane

Les différentes familles de matériaux

Les alliages ferreux représentent encore une très grande proportion dans l’utilisation des alliages métalliques (50% des métaux dans une automobile).

Chapitre II - Les fontes

Sommaire

Introduction et définitions

Les différentes familles de fontes

Désignation normalisée des fontes

Introduction et définitions

Diagramme Fer-Carbone : Fontes

Fontes(2% < %m C < 6,67%)

Définitions :

Les fontes sont des alliages dont la teneur en carbone est supérieure à 2% en masse

Les fontes subissent toujours la transformation eutectique (vers 1140°C)

Fontes blanches :carbone se retrouve toujours sous forme de cémentite

Fontes grises :carbone se retrouve sous forme de graphite libre (carbone pur) et de cémentite

Introduction : les fontes

La dénomination de fontes concerne un grand nombre d’alliages de fer dont les microstructures et les propriétés physiques sont très diverses. La teneur en carbone est supérieure à 2%

Lors du refroidissement : passage du palier eutectique (1153°C)

solidification de l’eutectique (4,25 % C)

mélange biphasé

98 % de + 2 % de carbone pur sous forme de graphite (diagramme stable fer-graphite)

52 % de + 48 % de Fe3C

mélange dit « lédéburite » (diagramme métastable fer-cémentite)

Réglée par v de refroidissement et par la présence d’éléments d’addition - « graphitisants » (Si)- ou « antigraphitisants » (Mn)

Introduction : les fontes

Au passage du palier eutectoïde (0,8 % C, 723°C), toute l’austénite tend à se décomposer pour les deux cas en perlite

Refroidissement rapidement

La totalité du carbone peut se combiner au fer pour former : la cémentite

et les fontes blanches

Refroidissement lent

La cémentite (composé métastable) se décompose en graphite et ferrite avec une teneur en carbone élevée et des éléments d’addition graphitisants, toutes les conditions sont réunies pour la formation de fontes grises

structure de la fonte blanche structure d’une fonte grise

Les différents types de fontes

Les différents types de fontes : fontes blanches

Fontes blanches (à cémentite)

- Pas de graphite - Souvent un peu de Mn

A gauche de la composition eutectique :

Fonte blanche hypoeutectique

A l’équilibre et à T ambiante : - Matrice cémentite et - Blocs de perlite (décomp. phase à 723°C)

A droite de la composition eutectique :

Fonte blanche hypereutectique

A T ambiante : - Plaquettes de cémentite primaire (formées au-dessus de 1153°C) - Entourées de cémentite secondaire (formée entre 1153 et 723°C) et de perlite

Les différents types de fontes : fontes blanches

Fontes blanches (à cémentite)

Matrice quasi continue de cémentite:- Pas de déformation à froid- Tenue aux chocs faible- Résistance à l’usure bonne- Usinabilité difficile- Résistance mécanique ~ 250 à 500 MPa (en traction)- Dureté HB ~ 400 à 600

Ténacité et ductilité ~ fontes grises à graphite sphéroïdal- Aptitude au moulage en faible épaisseur- Facilement usinables. - Résistance mécanique ~ 350 à 700 MPa avec A variant de 15 à 2 % respectivement

éliminer le C de la cémentite ou précipiter partiellement le C sous forme de graphite

Fontes malléables à cœur noirFontes malléables à cœur blanc

structure de la fonte blanche Traitements thermiques :

Nouvelles propriétés :

Les différents types de fontes : fontes grises

Fontes grises (à graphite)

Carbone sous forme de graphite (phase de carbone pur)- Très faible résistance mécanique- Faible densité- Se délite en feuillets minces

Selon la teneur en C et les éléments d’addition et selon les conditions de refroidissement différentes microstructures à T ambiante : - [graphite + perlite + cémentite]

- ou [graphite + perlite + ferrite] - ou [graphite + perlite]

La morphologie des grains de graphite permet de distinguer deux types : fontes grises à graphite lamellaire et fontes grises à graphite sphéroïdal

Les différents types de fontes : fontes grises

Fontes grises (à graphite)

Propriétés mécaniques- Graphite faible résistance mécanique - Sensibilité à la fissuration liée à la forme de la phase (entaille de forme sphérique

à lamellaire)- Capacité d’amortissement considérable

Les fontes grises lamellaires- Les plus économiques et les plus utilisées- Ductilité faible (A < 1 %) - Résistance mécanique médiocre en traction (Rm = 150 à 300 MPa)- Résistance en compression très bonne (Rm = 600 à 1200 MPa). - Usinabilité bonne

Les fontes grises à graphite sphéroïdal - Matrice perlitique résistante en traction (Rm = 600 à 800 MPa) - Peu ductile (A ~ 1 à 5 %).

Fortement alliées, les fontes grises se « spécialisent » : - résistance à la corrosion - résistance en haute température - résistance aux chocs thermiques...

Les différents types de fontes : fontes malléables

Fontes malléables

Fontes qui acquièrent une résistance et une capacité de déformation par des traitements thermiques appropriés

Pièces petites et moyennes exigeant résistance et capacité de déformation

Les différentes type de fontes malléables :

- Malléables à cœur blanc

- Malléables nodulaires ferritiques

- Malléables nodulaires perlitiques

- Malléables nodulaires bainitiques

Nuances perlitiques constituent environ 50% de la production totale

La plus forte baisse a concerné la fonte malléable à cœur blanc qui, dans certains pays, comme la France, a presque complètement disparu


Différentes types de fontes malléables :

Malléables à coeur blanc - Soudabilité : unique fonte exempte de graphite parfaitement et facilement

soudable sans risque de création de carbures - Grande facilité de galvanisation à chaud (faible taux de Si et absence de graphite en surface)- Bonne tenue à chaud - Bonne aptitude au polissage

Malléables nodulaires perlitiques - Caractéristiques mécaniques élevées ;- Bon comportement à l’usure par frottement ;- Bonne usinabilité (obtention de la structure perlitique par traitement thermique)- Bonne aptitude aux traitements superficiels (trempe à haute fréquence)

Malléables nodulaires ferritiques- Excellente usinabilité (présence de nodules de graphite) - Bonne résistance aux chocs à basse température - Limite et module d’élasticité élevés - Bonne aptitude à la galvanisation à chaud


Différentes types de fontes malléables :

Malléables nodulaires bainitiques - Très hautes caractéristiques mécaniques associées à une bonne ductilité - Possibilité d’écrouissage en service augmentation de la limite de fatigue - Très bonne résistance à l’usure par frottement et abrasion

Application des fontes malléables :

- Automobile et poids-lourds : carters et boîtiers de différentiel, culbuteurs, fourchettes, moyeux, pièces de freins et de boîtes de vitesses automatiques, etc

- Tracteurs et machinisme agricole

- Matériel ferroviaire : wagons, selles de rails, supports d’appareillage de contrôle, coussinets de glissement d’aiguillage, pièces de suspension de caténaires, etc. - Matériel de travaux publics

- Électrification : capots d’isolateurs, palonniers, pinces, etc. (pièces galvanisées) - Quincaillerie : raccords, chapeaux de bouteilles de gaz, étaux et outillage à main - Robinetterie : vannes, volants

- Bâtiment : pièces d’étais et d’échafaudages, pièces de précontrainte - Équipement routier : pièces de garde-corps et de signalisation - Electroménager : pièces de compresseurs et de conditionneurs d’air


Élaboration des fontes malléables :

Objectif : graphitiser la cémentite des fontes blanches.

Traitement comporte plusieurs étapes :

- Chauffage lent (50°C/h) jusqu’à atteindre une T comprise entre 850°C et 950°C

- Maintien en atmosphère neutre, pendant ~ 40 h, à la T atteinte à la fin du chauffage

- Refroidissement lent (25°C/h) jusqu’à 750°C

- Refroidissement très lent (2 à 3°C/h) jusqu’à 720°C

- Refroidissement au four jusqu’à T ambiante

Ce traitement permet de former les nodules de graphite dans la matrice ferritique.

Les différentes variétés de fontes malléables sont obtenues en jouant sur les vitesses de refroidissement


Les fontes malléables :

Structure de fonte malléable ferritique Structure de fonte malléable perlitique

Structure de fonte malléable bainitique

Les différents types de fontes : fontes à graphite sphéroïdal (GS)

Les fontes à graphite sphéroïdal (GS)

Les fontes à graphite sphéroïdal alliages fer-carbone-silicium

Composition

- Teneur en Carbone > 3 % - Teneur en Silicium ~ 1,5 à 4 % - Présence de manganèse- Teneur en phosphore < 0,08 % - Teneur en souffre < 0,02 %

Additions et traitements

Addition de cérium et surtout de magnésium

(~ 0,02 à 0,10 %)

Traitements métallurgiques appropriés

+ Graphite sous forme sphérique



Addition de produit sphéroïdisant – précaution d’usage

Le magnésium : très avide d’oxygène et de soufre

Lors de son introduction dans le bain métallique, Mg se combine avec S et l’élimine

presque totalement

Intérêt de disposer d’une fonte de base désoxydée et contenant très peu de S pour éviter une

perte du produit sphéroïdisant

Le produit sphéroïdisant est introduit :- Soit dans la poche de traitement- Soit dans le moule- Parfois dans les deux simultanément

En raison du caractère carburigène du magnésium, il est indispensable de pratiquer une inoculation ou addition tardive de ferrosilicium pour éviter la présence de carbures et obtenir une structure grise



Propriétés physiques

Propriétés mécaniques et physiques des fontes leur structure métallique (contenant du carbone libre)

C sous sa forme naturelle : lamellaire

Fragiliser l’ensemble

Les lamelles, solution de continuité, constituant autant

d’amorces de rupture

C sous forme de sphéroïdes ou de nodules

Disparition de la fragilité Amélioration de l’allongement

Amélioration du comportement à la fatigue



Carbone libre aux fontes des avantages indiscutables :

- Bon comportement à la compression, permettant une certaine élasticité de l’ensemble

- Dans certains milieux, bon comportement au regard de la corrosion(cheminement ralenti ou arrêté par C qui se comporte alors comme un maillage filtrant)

- Comportement en fatigue satisfaisant, surtout pour les fontes ferrito-perlitiques : il suffit pour s’en convaincre de rappeler que des bras de suspension de véhicule sont quotidiennement réalisés en fonte à graphite sphéroïdal

Économiquement, les fontes à graphite sphéroïdal sont intéressantes pour :

- Qualités de fonderie ~ fontes lamellaires

- Leurs températures de coulée et leur coulabilité sont très voisines

- Retraits < à ceux des fontes lamellaires et des aciers risque de criques

Fontes à graphite sphéroïdal en progression dans tous les secteurs industriels et tous les pays La maîtrise de leur procédé d’élaboration en fait un produit parfaitement fiable



Caractéristiques mécaniques mesurées sur des éprouvettes usinées dans des échantillons coulées à part (d’après la norme NF EN 1563)



Norme : NF EN 1560-1

Désignation symbolique des fontes

EN-GJ L 150S

Ces lettres indiquent qu’il s’agit d’une fonte Une ou deux lettres

Ces lettres indiquent :1ère Structure du graphite2nde Structure particulière

Codé selon 3 variantes



Signification des 2 lettres après EN-GJ EN-GJ L 150S

Première lettre : Structure du graphite

L : Lamellaire

S : Sphéroïdale

M : Graphite de recuit (malléable)

Y : Structure spéciale

N : Absence de graphite

Seconde lettre : structure spécifiée

A : Austénitique

F :Ferritique

P : Perlitique

L : Lédeburitique

Q : État trempé

T : État trempé revenu

B : Malléable à coeur noir

W : Malléable à coeur blanc



Codage de la dernière zone : 3 variantes

EN-GJL 400C 150RT1ère variante :

Ces lettres indiquent qu’il s’agit d’une fonte

de type graphite lamellaire

Un nombre suivi d’une lettre

Le nombre suivi de RT ou LT représente la résilience

mini mesurée à Room Temperature (RT) ou à Low

Temperature (LT)Le nombre seul représente l’allongement minimal exigé en %

La lettre indique le mode de prélèvement de l’éprouvette

S : échantillon coulé séparément

U : échantillon attenant

C : échantillon prélevé sur la pièce

N.B. : Dans le cas ou l’on voudrait afficher un allongement ET une résilience, il faut les séparer par un tiret




EN-GJS HB1802nde variante :

Ces lettres indiquent qu’il s’agit d’une fonte

de type graphite sphéroïdal

La lettre H

indique que la fonte est classée suivant sa dureté

suivie d’une lettre qui renseigne sur le type d’essai

B pour Brinell,

V pour Vickers,

R pour Rockwell,

et enfin, un nombre qui indique la dureté prescrite




EN-GJN X 300 Cr Ni Si 9-5-2 3ème variante :

Ces lettres indiquent qu’il s’agit d’une fonte de type sans graphite

(fonte blanche) La lettre X suivie d’une série de

symboles chimiques puis de nombres

dont le système est rigoureusement le même que celui d’un acier

fortement allié : 3 % de C9% de Cr

5% de Ni 2% de Si

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