thumb|Lampe à gaz en fonte à Vienne.
La fonte, en métallurgie, est un alliage de fer et de carbone dont la teneur en carbone est supérieure à 2 %. Le carbone, qui est en sursaturation dans les fontes, peut précipiter sous forme de graphite ou de cémentite Fe3C. Les fontes se distinguent des autres alliages de fer par leur excellente coulabilité.
Plusieurs classifications des fontes existent, mais la plus utilisée, basée sur le faciès de rupture d'un témoin, définit deux catégories : les fontes blanches, à cassure blanche, constituées de fer et de cémentite et les fontes grises, à cassure grise, constituées de fer et de graphite.
Caractéristiques Les fontes sont toutes des alliages. Elles se distinguent des autres alliages par leur excellente coulabilité (ce terme regroupe l'inertie thermique et la fluidité de l'alliage en fusion, elle est mesurée de façon normalisée par une éprouvette en colimaçon de section triangulaire).
La fonte a une température de fusion allant de , essentiellement en fonction du pourcentage de carbone et de silicium qu'elle contient. Lorsqu'elle est en fusion, sa teneur maximale en carbone dépend de sa température. Au moment de la solidification, la quantité de carbone précipitant sous la forme de graphite dans la matrice métallique dépend des autres éléments présents (essentiellement le silicium) et des vitesses de refroidissement.
Elle peut être un précurseur dans la fabrication de l'acier à partir de minerai de fer. C'est l'alliage qui sort du haut fourneau et qui sera affiné en acier (par décarburation). On l'appelle alors fonte brute, pour la distinguer de la fonte de fonderie, généralement issue d'une fusion au cubilot, de composition déterminée, et destinée à la production de pièces moulées.
Histoire
La fonte a été découverte en Chine durant la période des Royaumes combattants (). En Europe, c'est durant le que la fonte prit une place essentielle dans l'économie, par la généralisation du « procédé indirect » (production de fer au haut fourneau avec obtention de la fonte en produit intermédiaire).
La fonte était produite dans des hauts fourneaux à charbon de bois. Abraham Darby, qui, à l'origine, était torréfacteur de malt (pour la fabrication de la bière), réussit à produire de la fonte à l'aide de coke (le « coak » que l'on écrivit plus tardivement « coke », de l'anglais to cook, cuire). En 1709, en utilisant du charbon peu soufré, il réalisa la première coulée de fonte au coke, dans son usine de Coalbrookdale. Mais le produit, réputé de moins bonne qualité que la fonte au bois, mit cinquante ans avant de s'imposer et de devenir l'un des produits majeurs de l'industrialisation. Entre 1777 et 1779, Abraham Darby III édifia à Coalbrookdale le pont d'Iron Bridge, le premier grand pont métallique de l'histoire, entièrement réalisé en fonte. La production de fonte au bois persista néanmoins, pour partie en raison du protectionnisme pratiqué par les pays producteurs (France, Allemagne), en partie en raison de la qualité attribuée à ce type de fonte et des réticences de certains maîtres de forge.
Compositions des fontes
D'un point de vue chimique, les fontes sont des alliages fer-carbone contenant une phase eutectique, appelée lédéburite. Sur le diagramme de phase fer-carbone métastable, il s'agit donc des alliages fer-carbone ayant plus de 2,11 % de carbone (mais ce diagramme n'est plus valable en présence d'éléments d'alliage).
On distingue les différentes fontes par leur pourcentage de carbone. Dans le cas d'un alliage pur de fer et de carbone (cas théorique car la fonte contient toujours du silicium et du manganèse en quantités non négligeables), on relève les seuils suivants : fonte hypoeutectique : de 2,11 à 4,3 % de carbone ; fonte eutectique : 4,3 % de carbone ; cette fonte a la température de fusion la plus basse à ; fonte hypereutectique : de 4,3 à 6,67 % de carbone.
Les aciers cristallisent dans le diagramme fer-carbone métastable fer-cémentite (représenté ci-contre), bien que ce soit le graphite qui soit thermodynamiquement stable : la cémentite devrait se décomposer en Fe3C → 3Feα + C(graphite)
mais la mobilité des atomes de carbone n'est pas suffisante pour que cela ait lieu.
Le cas est différent pour les fontes qui ont une teneur plus importante en carbone, et peuvent ainsi cristalliser dans le diagramme fer-carbone stable : fer-graphite. La différence entre ces 2 diagrammes réside en premier lieu dans la vitesse de refroidissement : quand la vitesse de refroidissement est rapide, le carbone dissous dans le fer γ n'a pas le temps de migrer sur de grandes distances et forme des carbures Fe3C, la cémentite, sur place ; alors que si la vitesse de refroidissement est assez lente, le carbone peut se « rassembler » et former du graphite.
Sur le diagramme fer-carbone stable, l'eutectique est à une teneur de 4,25 % de carbone, et fond à une température de .
On a donc deux types de fontes : les fontes blanches, à cémentite ; les fontes grises, à graphite.
La distinction entre fonte blanche et grise (ou noire) date du . L'obtention d'une fonte grise ou blanche dépend à la fois de leur composition et de la vitesse de refroidissement.
L'ajout d'éléments d'alliage peut favoriser la solidification de la fonte soit selon le diagramme stable (graphite), soit selon le diagramme métastable (cémentite). On retrouve notamment comme éléments d'alliage le silicium qui va favoriser la solidification de la fonte selon le diagramme stable ou encore le manganèse qui va favoriser la formation de perlite (lamelles de ferrite et de cémentite). Une fonte n'est cependant pas considérée comme alliée si le manganèse est compris entre 0,5 et 1,5 %, le silicium est compris en 0,5 et 3 %, le phosphore entre 0,05 et 2,5 %
Une fonte est dite alliée si, en plus des éléments ci-dessus, elle contient, en quantité suffisante, au moins un élément d’addition tel que : nickel, cuivre (plus de 0,30 %) ; chrome (plus de 0,20 %) ; titane, molybdène, vanadium, aluminium (plus de 0,10 %). De même, une fonte renfermant plus de 3 % de silicium ou plus de 1,5 % de manganèse est considérée comme spéciale (c'est notamment le cas des fontes GS à matrice ferritique renforcée).
Fonte blanche vignette|Microstructure d'une fonte blanche (grossissement 100:1) La fonte blanche est une solution de perlite et de cémentite (Fe3C). La présence de cette cémentite fait des fontes blanches des alliages durs et fragiles. On obtient ce type de fonte par une température de coulée basse, un refroidissement rapide, une haute teneur en éléments perlitisants (ex: manganèse, cuivre, etc.) ou une faible teneur en éléments graphitisants (ex: silicium). Les fontes blanches sont constituées de perlite et de lédéburite.
Possédant une bonne coulabilité, et un aspect blanc brillant, la fonte blanche est principalement utilisée pour les pièces d'aspect, les pièces d'usure (telles que les pointes de socs) et la fonderie d'art. La présence de carbure la rend très résistante à l'usure et à l'abrasion, mais la rend aussi très difficilement usinable. La fonte de haut fourneau destinée à l'affinage au convertisseur (qui, à la fin du , représente la quasi-totalité de la fonte produite), bien qu'elle soit techniquement une « fonte blanche », n'est jamais appelée ainsi. Cette « fonte brute » en fusion n'a en effet de valeur que par sa composition chimique et sa température. La classification des fontes de moulages, qui fait intervenir leur refroidissement et d'éventuels traitements, n'est donc généralement pas pertinente dans la fabrication de l'acier.
En fonction de la teneur des éléments d'alliages, il est possible d'obtenir des fontes blanches perlitiques ou martensitiques.
Les principales qualités des fontes blanches sont : une excellente résistance à l'usure et à l'abrasion à froid et à chaud un bel aspect une excellente coulabilité
Leurs principaux défauts sont : difficilement usinables (dureté brinell: 350 à 500HB) pièces fragiles
Fonte grise Famille des fontes où le carbone se trouve sous forme de graphite. La structure graphitique du carbone est obtenue par un refroidissement très lent de la fonte, ou l'ajout de composants graphitisants comme le silicium. L'appellation de fonte grise est due à l'aspect de la cassure qui est grise contrairement à la fonte blanche dont la couleur de la cassure est blancheÀ l'époque où la fonte était coulée en gueuses, la séparation d'une gueuse de la grappe coulée dans le sable se faisait en cassant le chenal d'amenée de la fonte. La morphologie de la cassure renseigne alors le fondeur sur la qualité de la fonte coulée.. Il existe également des fontes dont l'aspect est gris et blanc, ce sont les fontes truitées (ressemblance à la peau).
Bien que le début du refroidissement se fasse selon le diagramme stable (fer-graphite), lorsque la température s'abaisse les facteurs de graphitisation n'ayant plus d'effet, le refroidissement se fait selon le diagramme métastable. In fine, la microstructure peut contenir de la ferrite, de la perlite, de la cémentite et du graphite sous forme lamellaire ou sphéroïdal. La proportion de chacune de ces phases dépend de la composition de l'alliage et de la vitesse de refroidissement.
Fonte GL (graphite lamellaire) C'est la plus courante des fontes grises. Le graphite s'y trouve sous forme de lamelles. C'est cette forme lamellaire du graphite (effet d'entaille) qui rend les fontes GL fragiles. Par contre, le graphite améliore les caractéristiques de frottement de la fonte et donc favorise l'usinage.
Les principales qualités des fontes GL sont : facilité d'usinage ; très bonne résistance à la corrosion et à la déformation à chaud ; très bonne absorption des vibrations ; stabilité dimensionnelle (réalisation de machine-outil silencieuse et stable géométriquement) ; excellente coulabilité ; prix du métal peu élevé ;
Les principaux défauts : relativement fragile comparé aux aciers et aux fontes GS
Les principales utilisations : toutes pièces mécaniques (différentes grades de résistance) ; bâtis de machines-outils, bonne résistance aux vibrations ; tuyaux et canalisation (il est possible de couler des tubes de grande taille via le coulage par centrifugation).
Fonte GS (graphite sphéroïdal, aussi appelée fonte ductile) vignette|Microstructure d'une fonte à graphite sphéroïdal Les fontes GS ont été développées depuis 1948. Fonte dans laquelle le graphite se trouve sous forme de nodules (sphéroïdes). Cette microstructure particulière est obtenue par l'ajout de magnésium dans la fonte peu de temps avant le moulage (si la fonte est maintenue en fusion, elle perd les spécificités des fontes GS au bout d'une dizaine de minutes) : c'est le traitement de sphéroïdisation. Le magnésium s'évapore mais provoque une cristallisation rapide du graphite sous forme de nodules. Cette micro-structure lui donne des caractéristiques mécaniques proches de l'acier. En effet la forme sphéroïdale du graphite confère à la fonte une bonne ductilité .
Obtention d'une fonte GS