fonte

Alliage de fer et de carbone élaboré au haut fourneau à l’état liquide par fusion réductrice, directement à partir du minerai de fer et dont la teneur en carbone est supérieure à 2,5 p. 100.

Généralités

Le minerai de fer, généralement un oxyde type hématite Fe₂O₃ hydraté, est chargé au sommet du haut fourneau avec du coke et un fondant, du carbonate de calcium, ou castine. À la partie inférieure de l’appareil, on souffle par des tuyères de l’air chaud, ou vent, qui, réagissant avec le coke, forme un courant ascendant de gaz réducteur à base d’oxyde de carbone. Le fer réduit ainsi formé dissout du carbone jusqu’à 3 ou 4 p. 100 en formant la fonte, qui est recueillie liquide à la base du haut fourneau, dans le creuset. Suivant les conditions de marche du haut fourneau, particulièrement dans le réglage de la température, de la pression et du débit du vent, on obtient une allure plus ou moins chaude qui facilite l’incorporation dans la fonte du manganèse et du silicium, éléments déterminants sur la stabilité du carbone dans l’alliage. Ainsi, l’allure dite « moyennement chaude », permettant l’incorporation du manganèse et faiblement celle du silicium, conduit à la formation de fonte blanche dans laquelle le carbone se présente sous forme de carbure de fer, cémentite Fe₃C. L’allure chaude, favorisant l’incorporation du silicium, conduit à la formation de fonte grise, dans laquelle le carbone s’isole sous forme de particules de graphite.

Suivant la nature des minerais de fer, des impuretés telles que le soufre et le phosphore se retrouvent partiellement dans la fonte (fonte phosphoreuse à 1,7 p. 100 de phosphore). Pour des applications banales, la fonte peut être moulée directement, mais, lorsque des caractéristiques sont exigées, il est nécessaire d’élaborer une fonte de moulage par une seconde fusion dans un cubilot, four à cuve vertical imaginé vers 1720 par René Antoine Ferchault de Réaumur (1683-1757). On charge à la partie supérieure un mélange de fonte de première fusion, coke, castine et éventuellement des déchets d’acier (fabrication de fonte aciérée) ; un soufflage par des tuyères latérales permet d’affiner l’alliage, et l’on recueille une fonte épurée apte au moulage de pièces mécaniques. Le cubilot à revêtement acide avec soufflage de vent froid est utilisé couramment pour les fontes ordinaires de moulage, mais, pour l’obtention de fontes fines à basse teneur en soufre, la désulfuration doit être pratiquée dans un appareil à revêtement basique avec soufflage d’air chaud.

Avec une température de fusion, de l’ordre de 1 150 à 1 300 °C, les fontes ont une bonne coulabilité, ce qui explique leur utilisation spécifique comme alliages de fonderie.

Classification

Les différents types de fontes se distinguent d’après leur structure, laquelle résulte de la composition chimique, du mode d’élaboration, des conditions de refroidissement à la solidification et, pour certains, du traitement thermique ultérieur.

• Les fontes blanches, dures mais fragiles, présentent un aspect blanc à la cassure et dans leur structure ; le carbone est combiné sous forme de carbure de fer, cémentite Fe₃C. Leur grande dureté, leur difficulté d’usinage et leur aptitude réduite au moulage limitent l’application de ces fontes à des pièces coulées en coquille devant résister à l’usure et à l’abrasion (broyeurs) ou à des milieux corrosifs. Elles constituent essentiellement les fontes de base pour la fabrication de l’acier par affinage en aciérie et pour la fabrication des fontes malléables.

• Les fontes grises sont celles dans lesquelles le carbone, se présentant surtout sous forme de lamelles et de filaments de graphite, donne un aspect gris à la cassure. Une teneur plus élevée en silicium et plus basse en manganèse, ainsi qu’un refroidissement lent à la solidification favorisent cette structure stable. Par rapport aux aciers, dont elles ne possèdent pas les caractéristiques mécaniques, ces fontes sont intéressantes par leur plus bas point de fusion et surtout par leur aptitude au moulage. Usinables néanmoins, elles constituent les fontes dites « mécaniques » pour la réalisation soit d’ensembles (bâtis, supports), soit de pièces massives ou aux profils complexes, économiques pour l’industrie de la construction mécanique. De plus, leurs qualités de faible frottement, dues au graphite, sont appréciées pour la confection de paliers et de bagues.

• Les fontes malléables sont caractérisées par une aptitude à la déformation, bien que limitée, supérieure à celle des fontes grises. À partir d’une fonte blanche, la fonte malléable dite « à cœur noir » est obtenue par un recuit de malléabilisation de longue durée. Au cours d’un cycle thermique de plusieurs jours, le carbure de fer original est décomposé en fer (constituant ferrite) et en carbone, qui se présente sous forme de fins nodules de graphite. Ce type de fonte est particulièrement apte à être usiné.

La fonte malléable dite « à cœur blanc », obtenue par décarburation de fonte blanche sous l’action de produits oxydants, est abandonnée.

• Les fontes à graphite sphéroïdal, dites « fontes GS », ayant les caractéristiques générales des fontes malléables, remplacent progressivement ces dernières en raison de leur moindre coût d’élaboration. Pour obtenir une structure de graphite finement divisée au lieu d’effectuer une malléabilisation longue et coûteuse, on effectue une addition appropriée (magnésium par exemple) à la coulée de la fonte, ce qui permet d’obtenir directement du graphite sous forme sphéroïdale. Après un traitement thermique de trempe et de revenu, on réalise des pièces moulées et usinées de caractéristiques mécaniques proches de celles de l’acier, utilisées en construction mécanique et en automobile (vilebrequins).