La teneur en carbone est la variable la plus influente dans la métallurgie de la fonte. Fonte est défini par une teneur en carbone de 2,0% à 4,5% en poids — bien au-dessus de la plage de 0,02 à 2,0 % de l'acier. Dans cette plage, même un déplacement de carbone de 0,3 % peut modifier fondamentalement la microstructure, la résistance mécanique, la dureté, l'usinabilité et le compoutement thermique d'une pièce moulée. Comprendre comment le carbone interagit avec le fer – et avec d’autres éléments d’alliage – est la base de la production de pièces moulées qui fonctionnent de manière fiable en service.
Contrairement à l'acier, où le carbone est maintenu à un faible niveau pour maximiser la ductilité et la ténacité, la fonte conserve délibérément des niveaux de carbone élevés pour obtenir une coulabilité, un amortissement des vibrations et une résistance à l'usure supérieurs. La distinction clé réside dans la forme que prend le carbone dans la matrice métallique solidifiée.
Le carbone dans la fonte existe sous l'une des deux formes principales suivantes : graphite libre (carbone élémentaire précipité lors de la solidification) ou comme carbure de fer (Fe₃C, également appelé cémentite) . La forme dominante est déterminée par la teneur en carbone, la vitesse de refroidissement et la présence d'autres éléments, en particulier le silicium. Cette distinction n’est pas cosmétique ; il définit si le fer est gris, blanc, malléable ou ductile – chacun ayant des propriétés mécaniques profondément différentes.
Les différentes qualités de fonte ne constituent pas des catégories arbitraires : elles sont le résultat de gammes de carbone délibérément contrôlées combinées à des conditions de traitement spécifiques.
| Type en fonte | Teneur en carbone (%) | Forme de carbone | Caractéristiques clés |
|---|---|---|---|
| Fonte grise | 2,5 – 4,0 % | Graphite en paillettes | Bonne usinabilité, amortissement élevé, faible résistance à la traction |
| Fer blanc | 1,8 – 3,6 % | Cémentite (Fe₃C) | Extrêmement dur, cassant, excellente résistance à l'usure |
| Fonte malléable | 2,0 – 2,9 % | Carbone trempé (rosaces) | Bonne ductilité après recuit, résistant aux chocs |
| Fer ductile (nodulaire) | 3,2 – 4,2 % | Graphite sphéroïdal | Haute résistance à la traction, ductilité et résistance à la fatigue |
| Fer graphite compacté | 3,1 – 4,0 % | Graphite vermiculaire (en forme de ver) | Intermédiaire entre la fonte grise et la fonte ductile |
Le carbone n'agit pas de manière isolée. Le silicium et le phosphore contribuent également au comportement efficace « semblable au carbone » de la masse fondue. Les ingénieurs de fonderie utilisent le Formule d'équivalence carbone (CE) pour rendre compte de ces interactions :
CE = %C (%Si %P) / 3
Le fer pur se solidifie à 1 538°C. Le point eutectique du système fer-carbone se situe à CE = 4,3% , qui est la composition ayant le point de fusion le plus bas (~1 150°C) et la meilleure fluidité. La plupart des fontes grises commerciales visent un CE de 3,9 à 4,3 % pour équilibrer la coulabilité et les performances mécaniques.
La relation entre la teneur en carbone et les propriétés mécaniques n’est pas linéaire : elle dépend fortement de la manière dont le carbone est réparti dans la matrice. Il existe cependant des tendances directionnelles claires.
Dans la fonte grise, augmentation générale du carbone total réduit la résistance à la traction car des flocons de graphite plus nombreux et plus grossiers agissent comme des concentrateurs de contraintes. La fonte grise atteint généralement des résistances à la traction de 150 à 400 MPa , par rapport à 400 à 900 MPa pour la fonte ductile où le même carbone est présent sous forme de sphères plutôt que de flocons. La morphologie du graphite compte plus que le pourcentage total de carbone.
Une teneur plus élevée en carbone sous forme de cémentite (fer blanc) augmente considérablement la dureté – le fer blanc atteint généralement 400 à 700 HBW , par rapport à 150 à 300 HBW pour la fonte grise. Cependant, cela se fait au prix d’une ductilité proche de zéro. Dans les pièces moulées réfrigérées, une couche superficielle de fer blanc et dur est intentionnellement créée au niveau des surfaces d'usure tandis que la masse reste grise.
La fonte grise a ductilité essentiellement nulle (allongement <0,5%) dû à des paillettes de graphite faisant office d'entailles internes. La fonte ductile, avec un carbone identique ou supérieur mais sous forme nodulaire, atteint des valeurs d'allongement de 2 à 18 % selon la qualité – une amélioration spectaculaire rendue possible uniquement par la modification de la morphologie du graphite grâce au traitement au magnésium, et non par la réduction du carbone.
Le graphite libre agit comme un lubrifiant intégré pendant l'usinage, c'est pourquoi la fonte grise est l'un des métaux les plus faciles à usiner . Une teneur plus élevée en graphite (plus élevée en carbone dans la fonte grise) améliore généralement l'usinabilité. La fonte blanche, en revanche, est extrêmement difficile à usiner en raison de sa teneur en cémentite et est généralement utilisée uniquement sous forme brute de coulée ou broyée.
Au-delà des propriétés mécaniques, la teneur en carbone affecte directement l’apparition de défauts de coulée courants – certains causés par une trop grande quantité de carbone, d’autres par une trop faible quantité.
Le carbone et le silicium favorisent tous deux expansion du graphite pendant la solidification . À mesure que le graphite précipite, il se dilate volumétriquement, neutralisant partiellement le retrait qui se produit lorsque le métal liquide refroidit. Une teneur plus élevée en carbone dans la fonte grise (CE proche de 4,3 %) produit une expansion du graphite suffisante pour obtenir retrait net proche de zéro , réduisant ainsi le besoin de grandes colonnes montantes. La fonte grise à faible teneur en carbone (CE ~ 3,6 %) peut présenter un retrait net de 0,5 à 1,5 % , nécessitant une conception minutieuse des colonnes montantes.
Dans les fers hypereutectiques (CE > 4,3 %), le graphite primaire précipite avant la réaction eutectique et peut flotter jusqu'à la surface supérieure de la pièce moulée ou du moule. Ceci graphite "kish" crée des vides de surface, des inclusions et des défauts cosmétiques. Le contrôle du carbone en dessous du seuil hypereutectique empêche la formation de kish.
Lorsque la teneur en carbone et la vitesse de refroidissement ne correspondent pas – en particulier dans les sections minces avec un CE limite – une formation partielle de fer blanc se produit à côté des régions de fer gris. Ceci microstructure "marbrée" produit une dureté imprévisible et non uniforme, rendant l'usinage incohérent et les performances mécaniques peu fiables. Ceci est considéré comme un défaut dans toutes les conceptions de coulée réfrigérée, sauf intentionnelle.
Le carbone n’agit jamais seul. Le silicium est l'élément graphitisant le plus puissant de la fonte et travaille en partenariat direct avec le carbone pour déterminer la microstructure finale. La teneur en silicium de la fonte commerciale varie généralement de 1,0% à 3,0% .
C'est pourquoi la spécification du carbone seul est insuffisante : les ingénieurs des fonderies spécifient toujours le carbone et le silicium ensemble et surveillent généralement le CE comme paramètre de contrôle du composite.
Le contrôle de la teneur en carbone dans la production est à la fois une discipline chimique et une discipline de processus. Les méthodes suivantes sont une pratique courante dans les fonderies modernes :
La teneur en carbone est la variable principale de la métallurgie de la fonte, mais son effet s'exprime toujours à travers son interaction avec la vitesse de refroidissement, la teneur en silicium et les conditions de traitement. Le carbone total détermine la quantité de graphite ou de carbure pouvant se former ; l'environnement de traitement détermine ce que l'on fait. Que l'objectif soit la capacité d'amortissement de la fonte grise, la résistance à l'usure de la fonte blanche ou la ténacité de la fonte ductile, l'obtention d'une qualité de coulée constante commence par un contrôle précis du carbone soutenu par une analyse de fusion en temps réel. Pour les ingénieurs de fonderie comme pour les acheteurs de pièces moulées, la spécification et la vérification du carbone – toujours aux côtés du silicium et du CE – ne sont pas facultatives ; c'est le point de départ de tout casting de qualité.
