Types de pièces moulées en fer
Types de pièces moulées en fer
Ce chapitre abordera les différents types de pièces moulées en fer.
Moulage de fonte grise
La caractéristique de la fonte grise est sa microstructure graphique, capable de provoquer des fractures dans le matériau et d'avoir un aspect gris. Celui-ci est le type de fonte le plus couramment utilisé et également le matériau de fonte couramment utilisé en fonction du poids. La majorité des fontes grises ont une décomposition chimique de 2,5 à 4 pour cent de carbone, 1 à 3 pour cent de silicone et le reste est une composition de fer.
Ce type de fonte a moins de résistance à la traction et aux chocs que l’acier. Sa résistance à la compression est comparable à celle de l'acier à faible et moyenne teneur en carbone.
Toutes ces propriétés mécaniques sont contrôlées par la forme des paillettes de graphite et la taille des paillettes de graphite, présentes dans la microstructure de la fonte grise.
Moulage de fer blanc
Ce type de fer présente des surfaces fracturées qui sont blanches en raison de la présence d'un précipité de carbure de fer appelé cémentite. Le carbone contenu dans la fonte blanche précipite hors de la fonte sous forme de cémentite en phase stable plutôt que sous forme de graphite. Ceci est obtenu avec une teneur plus faible en silicium comme agent graphitisant et une vitesse de refroidissement fournie plus rapide. Après cette précipitation, la cémentite se forme sous forme de grosses particules.
Lors de la précipitation du carbure de fer, le précipité extrait le carbone de la masse fondue d'origine, déplaçant ainsi le mélange vers un mélange plus proche de l'eutectique. La phase restante consiste à réduire le fer en austénite carbonée, qui se transforme en martensite une fois refroidie.
Ces carbures eutectiques contenus sont trop gros pour offrir le bénéfice du durcissement par précipitation. Dans certains aciers, il peut y avoir des précipités de cémentite beaucoup plus petits qui pourraient entraîner la déformation du plastique en empêchant le mouvement des dislocations à travers la matrice de ferrite de fer pur. Ils présentent un avantage car ils augmentent la dureté apparente de la fonte simplement en raison de leur propre dureté et de leur fraction volumique. Il en résulte que la dureté globale peut être approchée par une règle de mélanges.
Cette dureté est dans tous les cas proposée au détriment de la ténacité. La fonte blanche peut généralement être classée comme ciment, car le carbure constitue une fraction plus importante du matériau. Le fer blanc est trop fragile pour être utilisé dans les composants structurels, mais en raison de sa bonne dureté, de sa résistance à l'abrasion et de son faible coût, il peut être utilisé comme surface d'usure des pompes à lisier.
Il est difficile de refroidir des pièces moulées épaisses à une vitesse plus rapide, ce qui est suffisant pour solidifier la fonte sous forme de fonte blanche, mais un refroidissement rapide peut être utilisé afin de solidifier une sacrée fonte blanche et après cela, un reste sera refroidir à un rythme plus lent formant ainsi un noyau de fonte grise. Le moulage obtenu est appelé moulage réfrigéré et présente les avantages d'avoir une surface dure mais un intérieur plus résistant.
Les alliages de fer blanc à haute teneur en chrome avaient la capacité de permettre le moulage massif d'une roue d'environ 10 tonnes en sable. Cela est dû au fait que le chrome réduit la vitesse de refroidissement nécessaire pour produire des carbures grâce aux plus grandes épaisseurs de matériau. Des carbures présentant une excellente résistance à l’abrasion sont également produits par des éléments en chrome.
Moulage de fonte malléable
La fonte malléable commence par une fonte blanche, puis est traitée thermiquement à des températures d'environ 950°C pendant deux ou une seule journée, puis elle est refroidie pendant la même période de temps.
Le carbone contenu dans le carbure de fer se transforme ensuite en graphite et en ferrite ainsi que en carbone grâce à ce processus de chauffage et de refroidissement. Il s'agit d'un processus faible, mais il permet à la tension superficielle de transformer le graphite en particules sphéroïdales plutôt qu'en flocons.
Les sphéroïdes sont relativement courts et plus éloignés les uns des autres en raison de leur faible allongement. Ils contiennent également une section transversale inférieure, une fissure se propageant et un photon. Contrairement aux éclats, ils contiennent des frontières émoussées qui contribuent à atténuer les problèmes de concentration de contraintes que l'on retrouve dans la fonte grise. Dans l’ensemble, les propriétés de la fonte malléable ressemblent davantage à celles de l’acier, qui est de nature douce.
Moulage de fonte ductile
Parfois appelée fonte nodulaire, cette fonte a son graphite sous forme de très minuscules nodules, le graphite ayant la forme de couches concentriques formant ainsi les nodules. De ce fait, les propriétés defonte ductilesont ceux d'un acier spongieux qui n'a pas d'effets de concentration de contraintes produits par les paillettes de graphite.
La concentration en carbone contenue est d'environ 3 à 4 pour cent et celle de silicium est d'environ 1,8 à 2,8 pour cent. De petites quantités de 0,02 à 0,1 pour cent de magnésium et seulement de 0,02 à 0,04 pour cent de cérium lorsqu'elles sont ajoutées à ces alliages ralentissent la vitesse à laquelle la précipitation du graphite se développe par liaison aux bords des pistes de graphite.
Le carbone peut avoir une chance de se séparer sous forme de particules sphéroïdales à mesure que le matériau se solidifie, en raison du contrôle minutieux des autres éléments et du timing approprié au cours du processus. Les particules résultantes sont similaires à celles de la fonte malléable, mais les pièces peuvent être coulées avec des sections plus grandes.
Éléments d'alliage
Les propriétés de la fonte sont modifiées et ajoutées à divers éléments d'alliage ou alliages dans la fonte. L’élément silicium est comparable au carbone car il a la capacité d’expulser le carbone de la solution. Un plus petit pourcentage de silicium ne peut pas atteindre cet objectif car il permet au carbone de rester dans la solution, formant ainsi du carbure de fer et produisant également de la fonte blanche.
Un pourcentage ou une concentration plus élevé de silicium est capable d'expulser le carbone de la solution, puis de former du graphite et également de produire de la fonte grise. D'autres agents d'alliage non mentionnés comprennent le manganèse, le chrome, le titane puis le vanadium. Ceux-ci neutralisent le silicium, favorisent également la rétention de carbone et donc également la formation de carbures. Le nickel et l'élément cuivre ont un avantage car ils augmentent la résistance et l'usinabilité, mais ils ne peuvent alors pas modifier la quantité de carbone formée.
Le carbone sous forme de graphite donne un fer plus doux, réduisant ainsi l'effet de retrait, diminuant la résistance et diminuant la densité contenue. Le soufre est principalement un contaminant lorsqu'il est contenu et il forme du sulfure de fer qui empêche la formation de graphite et augmente également la dureté.
L'inconvénient du soufre est qu'il rend la fonte fondue visqueuse, ce qui provoque des défauts. Pour compenser et éliminer les effets du soufre, du manganèse est ajouté à la solution. Cela est dû au fait que lorsque les deux sont combinés, ils forment du sulfure de manganèse au lieu du sulfure de fer. Le sulfure de manganèse résultant est plus léger que la masse fondue et a tendance à flotter hors de la masse fondue et à pénétrer dans les scories.
La quantité approximative de manganèse nécessaire pour annuler les effets du soufre est de 1,7 unités de teneur en soufre et 0,3 pour cent supplémentaires sont ajoutés en plus. L'ajout d'une quantité supérieure à cette quantité de manganèse entraîne la formation de carbure de manganèse, ce qui augmente la dureté et le refroidissement, sauf dans la fonte grise où jusqu'à 1 pour cent de manganèse peut augmenter la résistance et la densité contenue. Le nickel est l'un des éléments d'alliage les plus généraux car il a tendance à affiner la perlite et la structure du graphite, améliorant ainsi la ténacité et égalisant la différence de dureté entre les épaisseurs de section.
Le chrome est ajouté en petites quantités pour réduire le graphite libre et produire un refroidissement. En effet, le chrome est un puissant stabilisant du carbure et, dans certains cas, il peut fonctionner en conjonction avec le nickel. Pour le chrome également, une petite quantité d’étain peut être ajoutée. Le cuivre est ajouté dans la poche ou le four à raison de 0,5 à 2,5 pour cent pour réduire le refroidissement, affiner le graphite et augmenter la fluidité. Du molybdène peut également être ajouté dans une proportion de 0,3 à 1 pour cent afin d'augmenter également le refroidissement, d'affiner le graphite et d'affiner la structure perlite.
Il est généralement ajouté en association avec le nickel, le cuivre et le chrome pour produire des fers à haute résistance. L'élément titane est ajouté pour fonctionner comme dégazeur et désoxydant et augmenter la fluidité. Des proportions de 0,15 à 0,5 pour cent de l'élément vanadium sont ajoutées à la fonte et aident à stabiliser la cémentite, à augmenter la dureté et à résister à l'usure et aux effets de la chaleur.
Le zirconium aide à former du graphite et est ajouté dans des proportions d'environ 0,1 pour cent à 0,3 pour cent. Cet élément contribue également à désoxyder et à augmenter la fluidité. Dans les fontes malléables, pour augmenter la quantité de silicium pouvant être ajoutée, le bismuth est versé selon une échelle de 0,002 à 0,01 pour cent. Dans le fer blanc, l'élément bore est ajouté, ce qui facilite la production de fer malléable et réduit l'effet grossissant de l'élément bismuth.