Types de fonte, classification, composition, propriétés, marquage et application

2024 Auteur: Howard Calhoun | [email protected]. Dernière modifié: 2023-12-17 10:27

Aujourd'hui, il n'y a presque aucun domaine de la vie humaine où la fonte n'est pas utilisée. Ce matériau est connu de l'humanité depuis assez longtemps et a fait ses preuves d'un point de vue pratique. La fonte est à la base d'une grande variété de pièces, d'assemblages et de mécanismes, et dans certains cas même d'un produit autonome capable de remplir les fonctions qui lui sont assignées. Par conséquent, dans cet article, nous porterons une attention particulière à ce composé contenant du fer. Nous découvrirons également quels sont les types de fonte, leurs caractéristiques physiques et chimiques.

Définition

La fonte est un alliage vraiment unique de fer et de carbone, dans lequel Fe est supérieur à 90 % et C n'est pas supérieur à 6,67 %, mais pas inférieur à 2,14 %. En outre, le carbone peut être trouvé dans la fonte sous forme de cémentite ou de graphite.

Le carbone donne à l'alliage une dureté suffisamment élevée, mais en même temps, il réduit la malléabilité et la ductilité. Par conséquent, la fonte est un matériau fragile. De plus, des additifs spéciaux sont ajoutés à certaines qualités de fonte, ce qui peut conférer au composé certaines propriétés. Le rôle des éléments d'alliage peut être: nickel, chrome, vanadium, aluminium. L'indice de densité de la fonte est de 7200 kilogrammes par mètre cube. D'où l'on peut conclure quele poids de la fonte est un indicateur qu'on ne peut pas qualifier de petit.

Contexte historique

La fonte du fer est connue depuis longtemps de l'homme. La première mention de l'alliage remonte au VIe siècle av. J.-C.

Dans les temps anciens, la Chine produisait de la fonte avec un point de fusion assez bas. La fonte a commencé à être produite en Europe vers le XIVe siècle, lorsque les hauts fourneaux ont été utilisés pour la première fois. À cette époque, cette fonte était utilisée pour la production d'armes, d'obus, de pièces de construction.

En Russie, la production de fonte a commencé activement au XVIe siècle, puis s'est rapidement développée. À l'époque de Pierre Ier, l'Empire russe a pu dépasser tous les pays du monde en termes de production de fer, mais cent ans plus tard, il a recommencé à perdre du terrain sur le marché de la métallurgie ferreuse.

La fonte est utilisée pour créer une variété d'œuvres d'art depuis le Moyen Âge. En particulier, au 10ème siècle, les maîtres chinois ont coulé une figure de lion vraiment unique, dont le poids dépassait 100 tonnes. À partir du XVe siècle en Allemagne, puis dans d'autres pays, la fonte s'est généralisée. Des clôtures, des treillis, des sculptures de parc, des meubles de jardin, des pierres tombales en ont été fabriqués.

Dans les dernières années du 18ème siècle, la fonte du fer était la plus impliquée dans l'architecture de la Russie. Et le XIXe siècle était généralement appelé "l'âge de la fonte", car l'alliage était très activement utilisé en architecture.

Caractéristiques

Il existe différents typesfonte, cependant, le point de fusion moyen de ce composé métallique est d'environ 1200 degrés Celsius. Ce chiffre est inférieur de 250 à 300 degrés à celui requis pour la fabrication de l'acier. Cette différence est associée à une teneur en carbone assez élevée, ce qui conduit à ses liaisons moins étroites avec les atomes de fer au niveau moléculaire.

Au moment de la fusion et de la cristallisation ultérieure, le carbone contenu dans la fonte n'a pas le temps de pénétrer complètement dans le réseau moléculaire du fer, et donc la fonte s'avère finalement assez fragile. À cet égard, il n'est pas utilisé lorsqu'il existe des charges dynamiques constantes. Mais en même temps, il est excellent pour les pièces qui ont des exigences accrues en matière de résistance.

Technologie de production

Absolument tous les types de fonte sont produits dans un haut fourneau. En fait, le processus de fusion lui-même est une activité plutôt laborieuse qui nécessite de sérieux investissements matériels. Une tonne de fonte nécessite environ 550 kilogrammes de coke et près d'une tonne d'eau. Le volume de minerai chargé dans le four dépendra de la teneur en fer. Le plus souvent, on utilise du minerai contenant au moins 70% de fer. Une concentration plus faible de l'élément n'est pas souhaitable, car il ne serait pas économique de l'utiliser.

Première étape de production

La fusion du fer est la suivante. Tout d'abord, le minerai est versé dans le four, ainsi que les qualités de charbon à coke, qui servent à pressuriser et à maintenir la température requise à l'intérieur de la cuve du four. De plus, ces produits pendant le processus de combustion sont activement impliqués dans les réactions chimiques en cours dansrôle des réducteurs de fer.

Dans le même temps, un flux est chargé dans le four, qui sert de catalyseur. Il aide les roches à fondre plus rapidement, ce qui favorise la libération de fer.

Il est important de noter que le minerai subit un prétraitement spécial avant d'être chargé dans le four. Il est broyé dans une usine de concassage (les petites particules fondent plus rapidement). Il est ensuite lavé pour éliminer les particules sans métal. Après cela, la matière première est cuite, de ce fait, le soufre et les autres éléments étrangers en sont retirés.

Deuxième étape de production

Le gaz naturel est fourni au four chargé et prêt à fonctionner grâce à des brûleurs spéciaux. Le coke réchauffe la matière première. Dans ce cas, du carbone est libéré, qui se combine avec l'oxygène et forme un oxyde. Cet oxyde participe ensuite à la récupération du fer du minerai. Notez qu'avec une augmentation de la quantité de gaz dans le four, la vitesse de la réaction chimique diminue et lorsqu'un certain rapport est atteint, elle s'arrête complètement.

L'excès de carbone pénètre dans la fonte et se joint au fer, formant éventuellement de la fonte. Tous ces éléments qui n'ont pas fondu sont à la surface et sont finalement éliminés. Ces déchets sont appelés scories. Il peut également être utilisé pour produire d'autres matériaux. Les types de fonte ainsi obtenus sont appelés fonte de fonderie et fonte brute.

Différenciation

La classification moderne des fontes prévoit la division de ces alliages dans les types suivants:

• Blanc.
• Demi.
• Gris avec graphite lamellaire.
• Graphite nodulaire haute résistance.
• Ductile.

Regardons chacun séparément.

Fonte blanche

Cette fonte est celle dans laquelle presque tout le carbone est lié chimiquement. En génie mécanique, cet alliage n'est pas utilisé très souvent, car il est dur, mais très cassant. De plus, il ne peut pas être usiné avec divers outils de coupe et est donc utilisé pour couler des pièces qui ne nécessitent aucun traitement. Bien que ce type de fonte permette le meulage avec des meules abrasives. La fonte blanche peut être à la fois ordinaire et alliée. Dans le même temps, le soudage pose des difficultés, car il s'accompagne de la formation de diverses fissures lors du refroidissement ou du chauffage, ainsi que de l'hétérogénéité de la structure qui se forme au point de soudage.

Les fontes blanches anti-usure sont obtenues par cristallisation primaire d'un alliage liquide lors d'un refroidissement rapide. Ils sont le plus souvent utilisés pour les applications de friction à sec (par exemple, les plaquettes de frein) ou pour la production de pièces présentant une résistance accrue à l'usure et à la chaleur (rouleaux de laminoir).

Au fait, la fonte blanche tire son nom du fait que l'apparence de sa fracture est une surface rayonnante cristalline légère. La structure de cette fonte est une combinaison de ledeburite, de perlite et de cémentite secondaire. Si cette fonte est alliée, alors la perlite se transforme entroostite, austénite ou martensite.

Demi fonte

La classification des fontes serait incomplète sans mentionner cette variété d'alliages métalliques.

Cette fonte se caractérise par une combinaison d'eutectiques au carbure et de graphite dans sa structure. En général, la structure à part entière a la forme suivante: graphite, perlite, ledeburite. Si la fonte est soumise à un traitement thermique ou à un alliage, cela conduira à la formation d'austénite, de martensite ou de troostite aciculaire.

Ce type de fonte est assez fragile, son utilisation est donc très limitée. L'alliage lui-même tire son nom du fait que sa fracture est une combinaison de zones sombres et claires de la structure cristalline.

Le matériau d'ingénierie le plus courant

La fonte grise GOST 1412-85 contient environ 3,5 % de carbone, de 1,9 à 2,5 % de silicium, jusqu'à 0,8 % de manganèse, jusqu'à 0,3 % de phosphore et moins de 0,12 % de soufre.

Le graphite dans une telle fonte a une forme lamellaire. Il ne nécessite pas de modification spéciale.

Les plaques de graphite ont un fort effet d'affaiblissement et, par conséquent, la fonte grise se caractérise par une très faible résistance aux chocs et une absence presque complète d'allongement (moins de 0,5%).

La fonte grise est bien usinée. La structure de l'alliage peut être la suivante:

• Ferrite-graphite.
• Ferrite-perlite-graphite.
• Perlite-graphite.

La fonte grise fonctionne beaucoup mieux en compression qu'en traction. Il a aussise soude assez bien, mais cela nécessite un préchauffage, et des tiges de fonte spéciales à haute teneur en silicium et en carbone doivent être utilisées comme matériau de remplissage. Sans préchauffage, le soudage sera difficile car la fonte blanchira dans la zone de soudure.

La fonte grise est utilisée pour produire des pièces fonctionnant sans à-coups (poulies, couvercles, bancs).

La désignation de cette fonte se fait selon le principe suivant: SCH 25-52. Deux lettres indiquent qu'il s'agit de fonte grise, le chiffre 25 est un indicateur de la résistance à la traction (en MPa ou kgf/mm 2), le chiffre 52 est la résistance à la traction du moment de flexion.

Fonte ductile

La fonte nodulaire est fondamentalement différente de ses autres "frères" en ce qu'elle contient du graphite nodulaire. Il est obtenu en introduisant des modificateurs spéciaux (Mg, Ce) dans l'alliage liquide. Le nombre d'inclusions de graphite et leurs dimensions linéaires peuvent être différents.

Qu'est-ce qui est bien avec le graphite sphéroïdal ? Le fait qu'une telle forme affaiblisse au minimum la base métallique, qui, à son tour, peut être perlitique, ferritique ou perlitique-ferritique.

Du fait de l'utilisation d'un traitement thermique ou d'un alliage, la base en fonte peut être aciculaire-troostite, martensitique, austénitique.

Les nuances de fonte ductile sont différentes, mais en termes généraux, sa désignation est la suivante: VCh 40-5. Il est facile de deviner que HF est en fonte à haute résistance, le nombre 40 est un indicateurrésistance à la traction (kgf/mm2), le chiffre 5 est relatif à l'allongement, exprimé en pourcentage.

Fonte ductile

La structure de la fonte ductile est la présence de graphite sous forme feuilletée ou sphérique. Dans le même temps, le graphite lamellaire peut avoir une finesse et une compacité différentes, ce qui, à son tour, a un impact direct sur les propriétés mécaniques de la fonte.

La fonte ductile industrielle est souvent produite avec une base ferritique, qui offre une plus grande ductilité.

L'aspect de rupture de la fonte ductile ferritique a un aspect velouté noir. Plus la quantité de perlite dans la structure est élevée, plus la fracture sera légère.

En général, la fonte ductile est obtenue à partir de pièces moulées en fonte blanche en raison d'un long séjour dans des fours chauffés à une température de 800 à 950 degrés Celsius.

Aujourd'hui, il existe deux façons de fabriquer de la fonte ductile: européenne et américaine.

La méthode américaine consiste à languir l'alliage dans du sable à une température de 800-850 degrés. Dans ce processus, le graphite se situe entre les grains de fer le plus pur. En conséquence, la fonte devient visqueuse.

Dans la méthode européenne, les pièces moulées languissent dans le minerai de fer. La température en même temps est d'environ 850-950 degrés Celsius. Le carbone passe dans le minerai de fer, grâce à quoi la couche superficielle des pièces moulées est décarburée et devient molle. La fonte devient malléable, tandis que le noyau reste cassant.

Marquage de la fonte malléable: KCh 40-6, où KCh est, bien entendu, de la fonte malléable; 40 - indice de résistance à la traction;6 – allongement, %.

Autres indicateurs

En ce qui concerne la division des fontes par résistance, la classification suivante est appliquée ici:

• Résistance typique: σv jusqu'à 20 kg/mm2.
• Résistance accrue: σv=20 - 38 kg/mm2.
• Haute résistance: σv=40 kg/mm2 et plus.

Selon la ductilité, les fontes sont divisées en:

• Inflexible - moins de 1 % d'allongement.
• Plastique faible - de 1 % à 5 %.
• Plastique - de 5 % à 10 %.
• Plasticité accrue - plus de 10 %.

En conclusion, je voudrais également noter que les propriétés de toute fonte sont affectées de manière assez significative, même par la forme et la nature de la coulée.