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Les propriétés mécaniques des nouvelles fontes GS à matrice ferritique les font se rapprocher des aciers.

On pourrait penser que les fontes, matériaux traditionnels par excellence, n’évoluent plus et ont atteint le maximum de leur potentiel. La nouvelle génération de fontes à graphite sphéroïdal à matrice ferritique renforcée nous prouve le contraire, avec un allongement passant de 3 % à 10 % pour 600 MPa de résistance et un rapport Re/Rm qui augmente de 0,65 à 0,8.

Trois nuances récemment normalisées

Trois nuances de fontes à graphite sphéroïdal ont fait leur entrée dans le périmètre de la dernière édition de la norme EN 1563:2011. Il s’agit des fontes dites « à matrice ferritique renforcée », ou selon la dénomination anglaise : « solid solution strengthened ferritic SG irons».

Des fontes dopées au silicium

Énergie de rupture en flexion par choc (barreau entaillé – essai Charpy) fonction de la température

L’addition progressive de silicium dans une fonte augmente la proportion de ferrite dans la matrice, jusqu’à un seuil pour lequel la ferrite devient le seul constituant de cette matrice. Une addition supplémentaire de silicium au-delà de cette teneur minimale, « renforce » la matrice ferritique, augmentant ainsi la résistance mécanique de la fonte. Les nouvelles nuances sont obtenues en exploitant l’effet de cette teneur élevée et précisément ajustée en silicium. Les teneurs en silicium à viser sont respectivement de 3,2 %, 3,8 % et 4,3 % pour les 3 nuances de fonte GS à matrice ferritique.

Propriétés et caractéristiques mécaniques

Ces nouvelles nuances de fonte GS présentent de nombreux avantages. Tout d’abord, on notera l’important gain en allongement à rupture, porté respectivement à 18, 14 et 10 % avec les 3 nouvelles nuances, alors qu’il n’était que de 10, 7 et 3% pour les nuances précédentes.

On constatera ensuite –en liaison directe avec la structure ferritique de leur matrice- que ces nouvelles nuances présentent une moindre « sensibilité à l’épaisseur » (diminution des propriétés mécaniques avec l’épaisseur) que les fontes GS « traditionnelles ». Ainsi lorsque l’on passe de 30 à 60 mm d’épaisseur de pièce, le Rm diminue de 50 MPa pour la nuance ferritio-perlitique EN-GJS-500-7 contre 20 MPa seulement pour la nuance ferritique renforcée EN-GJS-500-14.

Toutefois, c’est le rapport rapport Re/Rm (limite d’élasticité / résistance à la traction) de 0,8 dans le cas des fontes GS à matrice ferritique (contre 0,65 seulement dans le cas des fontes à matrice ferrito-perlitique) qui constitue le principal atout des nouvelles nuances. En effet, le dimensionnement des pièces étant fait sur la base de la limite d’élasticité (Re) du matériau employé, il apparaît immédiatement qu’une nuance à matrice ferritique peut être employée en lieu et place de la nuance à matrice perlito-ferritique d’une voire deux classes supérieures.

Du point de vue résilience et tenue au choc, les fontes GS à matrice ferritique renforcée sont équivalentes aux fontes ferrito-perlitique de même résistance. De même, du point de vue usinabilité, les fontes GS ferritiques ou ferrito-perlitiques se trouvent pratiquement à égalité, la structure de la matrice n’étant qu’un des paramètres affectant cette propriété.

La limite d’endurance en fatigue est par contre sensiblement plus faible dans le cas des fontes à matrice ferritique renforcée. Néanmoins, la limite d’endurance d’une fonte GS dépend certes de la structure de la matrice mais surtout de la qualité de la sphéroïdisation et de la présence d’inclusions (comme c’est le cas pour les aciers). Les conditions d’élaboration ont donc une influence déterminante et l’avantage des fontes perlitiques est tout-à-fait relatif.

Enfin, un retour d’expérience sur des productions industrielles montre une bien moindre dispersion des valeurs de résistance à la rupture et de limite d’élasticité avec les fonts à matrice ferritique renforcée en raison du nombre moindre de paramètres influents.

Elaboration métallurgique

Les fontes GS à matrice ferritique présentent également certains avantages du point de vue de l’élaboration en fonderie. Dans le cas des fontes à matrice ferrito-perlitique, la proportion de perlite nécessaire à l’obtention de la résistance requise est obtenue par une addition de cuivre, élément d’alliage de coût relativement élevé, ou par traitement thermique de normalisation.

Au contraire, pour élaborer les nuances ferritiques EN-GJS-450-18 et supérieures, le seul élément d’alliage à introduire est le silicium. Les essais effectués ont permis de montrer que les fontes GS ferritiques à matrice renforcée semblent très tolérantes vis-à-vis de la présence d’éléments réputés indésirables, tels que le phosphore, le bore, le manganèse, le cuivre, le chrome, le molybdène ou l’étain. Des tests ont permis ainsi d’obtenir des résultats satisfaisants avec des teneurs de 0,050% de phosphore, 0,7% de manganèse, 0,02% de bore, ou des teneurs simultanées de 0,1 % de chrome, de cuivre et de nickel.

Les essais réalisés montrent que pour la nuance EN-GJS-500-14, les caractéristiques mécaniques restent conformes même si la teneur en carbone varie de 3,2 à 3,9%. Une teneur minimale de 3,4% de carbone semble toutefois indispensable pour éviter l’apparition de carbures dans les parties minces (jusqu’à 6 mm d’épaisseur).

Une maîtrise rigoureuse de l’élaboration et du masselottage

Les performances prometteuses de ces fontes requièrent cependant une maîtrise rigoureuse de leur élaboration et un certain nombre de précautions de mise en œuvre. Si la teneur en carbone et en autres éléments de la fonte semble pouvoir varier d’une manière significative sans affecter les caractéristiques mécaniques, il n’en est pas de même de la teneur en silicium, puisque c’est elle qui fixe le niveau de durcissement de la matrice ferritique et par voie de conséquence, le niveau de résistance mécanique.

Ainsi pour obtenir une résistance à la traction comprise dans une plage de ±25 MPa, la teneur en silicium doit être maîtrisée dans une plage de ±0,2%. Il s’agit là d’une plage de variation étroite qui va évidemment impliquer une très bonne maîtrise du processus d’élaboration (proportion de retours et de ferrailles dans le lit de fusion, composition des alliages de traitement, variation des rendements d’introduction ), et la mise en place d’une chaîne de mesure très performante (calibration des spectromètre, mesure en début et en fin de fusion, …).

Les fontes GS ferritiques SiMo, également à teneur élevée en silicium, ont la réputation d’une tendance à la retassure plus marquée que les fontes GS conventionnelles. Il n’est donc pas étonnant que cette tendance soit constatée également pour les fontes GS à matrice ferritique renforcée dont il conviendra de soigner le masselottage des pièces.

Enfin, les essais effectués indiquent que la présence quasi-systématique d’une forte proportion de sphéroïdes de forme V, et même de particules de forme III, ne semble pas affecter de manière inacceptable les caractéristiques mécaniques. Les fontes GS à matrice ferritique renforcée sont moins sensibles à la dégradation de la nodularité, que leurs homologues à matrice ferrito-perlitique.

Un concurrent des aciers moulés et des fontes ferrito-perlitiques

La matrice ferritique renforcée qui différencie cette nouvelle génération de fontes des autres fontes GS normalisées, leur confère un éventail de propriétés qui élargit la palette de caractéristiques que couvraient les nuances traditionnelles, et qui, clairement, en font des concurrents sérieux des aciers moulés au carbone ou peu alliés.

Ces nouvelles fontes à matrice ferritique sont très prometteuses et pourraient dans un proche avenir, se substituer en partie aux fontes GS ferrito-perlitiques.