La famille des fontes : nuances, désignations et traitements

Une plaque d'immatriculation se lit toujours dans le même ordre, et chaque case dit quelque chose. La désignation européenne des fontes, fixée par l'EN 1560, fonctionne pareil, avec au plus six cases :

1. EN- : c'est une désignation européenne ;
2. GJ : G pour pièce moulée, J pour fonte (de l'anglais iron) ;
3. une lettre pour la forme du graphite : L lamellaire, S sphéroïdal, V vermiculaire, M graphite de recuit des malléables, N sans graphite (fonte blanche) ;
4. parfois une lettre pour la structure : A austénite, W cœur blanc, B cœur noir… ;
5. les propriétés garanties, le plus souvent la résistance minimale R_m en MPa et l'allongement minimal A en %, ou bien la composition pour les fontes fortement alliées ;
6. parfois des exigences supplémentaires, comme la lettre W qui signale une nuance destinée au soudage.

Ainsi EN-GJS-400-15 se lit : fonte à graphite sphéroïdal, au moins 400 MPa et 15 % d'allongement. EN-GJL-250 : fonte à graphite lamellaire d'au moins 250 MPa. EN-GJSA-XNiCr20-2 : fonte à graphite sphéroïdal, à matrice austénitique, fortement alliée à 20 % de nickel et 2 % de chrome.

Chaque nuance normalisée a aussi un numéro, plus court, utile dans les bases de données : EN-GJL-250 s'écrit EN-JL1040, EN-GJS-400-15 s'écrit EN-JS1030.

Tu croiseras encore d'anciennes désignations nationales, toujours coulées sur des pièces en service : en France FGL 250 et FGS 400-15, en Allemagne GG-25 et GGG-40, aux États-Unis ASTM A48 classe 35 et ASTM A536 60-40-18.

La désignation numérique suit le principe des numéros d'aciers : EN-J, la lettre du graphite, puis quatre chiffres. Le premier dit la caractéristique principale (1 traction, 2 dureté, 3 composition chimique), les deux suivants numérotent la nuance dans la norme, le dernier code une exigence particulière (0 aucune, 4 résilience à l'ambiante, 5 résilience à basse température ; d'autres chiffres codent par exemple le type d'échantillon).

Les classes ASTM sont en ksi (kilolivres par pouce carré) : 1 ksi ≈ 6,895 MPa. Les correspondances sont approximatives : les essais et les éprouvettes diffèrent d'une norme à l'autre. Les normes ISO utilisent leur propre écriture, par exemple ISO 1083/JS/400-15.

Un gâteau cuit vite sur les bords et lentement au cœur. Une pièce en fonte se solidifie de même : vite dans les parois minces, lentement dans les parties massives. Or la vitesse de refroidissement fixe la finesse du graphite et de la matrice (cours 1). Conséquence : la résistance d'une même fonte dépend de l'épaisseur de la paroi. Plus mince, elle résiste davantage, jusqu'au risque de trempe ; plus épaisse, elle résiste moins.

• Les fontes GL (EN 1561) se commandent par leur résistance, de EN-GJL-100 à EN-GJL-350, ou par leur dureté. Bon marché, faciles à couler et à usiner, amortissantes : bâtis, carters, blocs moteurs, disques de frein, corps de pompe. Elles sont très sensibles à l'épaisseur.
• Les fontes GS (EN 1563) vont de nuances ferritiques ductiles (EN-GJS-350-22, 400-15) à des nuances perlitiques résistantes (700-2, 800-2). Certaines garantissent une résilience à basse température (suffixe LT), d'autres sont durcies par du silicium en solution dans la ferrite (450-18, 500-14, 600-10). Elles sont moins sensibles à l'épaisseur, mais leurs garanties baissent dans les fortes épaisseurs.
• Les fontes GV (EN 16079), de EN-GJV-300 à 450 environ, se placent entre les deux : la conductivité thermique d'une GL et une résistance proche d'une GS. Elles servent pour les blocs et culasses de moteurs diesel très chargés.

Les fontes GL (EN 1561). Six nuances par la résistance, EN-GJL-100, 150, 200, 250, 300 et 350, mesurée sur une éprouvette coulée à part de 30 mm de diamètre, représentative d'une paroi d'environ 15 mm ; la valeur doit se situer entre n et n + 100 MPa. Six nuances par la dureté Brinell, de EN-GJL-HB155 à EN-GJL-HB255, utiles quand l'usinabilité ou l'usure comptent plus que la résistance. L'allongement n'est pas garanti : il reste inférieur à 1 %.

Valeurs indicatives de l'EN 1561 pour une pièce de forme simple et d'épaisseur uniforme : elles ne sont pas des exigences. Entre 5 et 80 mm, la résistance d'une GL perd environ 35 % ; une paroi de 50 mm en EN-GJL-250 n'offre qu'environ 170 MPa.

Les fontes GS (EN 1563), minimums sur éprouvettes coulées à part, pour une épaisseur relevante jusqu'à 30 mm :

Au-delà de 30 mm, les minimums baissent : pour EN-GJS-500-7, R_m ≥ 450 MPa entre 30 et 60 mm, et 420 MPa avec A ≥ 5 % entre 60 et 200 mm. Les nuances au silicium (3 à 4,3 % environ) ont une ferrite plus dure et plus homogène : à résistance égale, plus d'allongement et une dureté régulière, appréciée à l'usinage.

Les fontes GV (EN 16079) : par exemple EN-GJV-400, R_m ≥ 400 MPa, R_p0,2 ≥ 280 MPa, A ≥ 1 % ; EN-GJV-450 : 450, 315 et 1 %.

Un traitement thermique change la matrice d'une fonte, presque jamais la forme de son graphite. Le graphite sert même de réservoir : quand on chauffe dans le domaine de l'austénite, du carbone en sort et s'y dissout ; quand on refroidit lentement, il y retourne. Les grands traitements :

• le détensionnement, vers 500 à 600 °C : il relâche les contraintes de fonderie ou de soudage sans changer la structure ;
• le recuit de graphitisation, vers 900 à 950 °C : il décompose la cémentite des zones trempées ;
• le recuit de ferritisation : la perlite se décompose en ferrite et graphite ; la fonte devient douce et ductile ;
• la normalisation, chauffage vers 870 à 950 °C puis refroidissement à l'air : une perlite fine, plus résistante ;
• la trempe et le revenu, ou une trempe superficielle par induction ou au chalumeau, pour les pièces d'usure ;
• la trempe étagée d'une fonte GS, qui donne les fontes ADI (EN 1564), deux fois plus résistantes qu'une GS ordinaire à allongement égal.

La trempe étagée est un œuf mollet. On chauffe la pièce vers 850 à 950 °C, on la plonge dans un bain de sels vers 230 à 400 °C, et on l'y laisse le temps juste. De fines aiguilles de ferrite poussent dans l'austénite, qui se charge du carbone qu'elles rejettent et devient stable : c'est l'ausferrite. Trop court, l'austénite pas encore stabilisée devient martensite au refroidissement : dur et fragile. Trop long, des carbures précipitent : la ductilité s'effondre. Entre les deux, une fenêtre, d'autant plus étroite que le bain est chaud.

Les deux réactions de la trempe étagée. À la température d'austénitisation, l'austénite contient environ 0,7 à 1 % de carbone, fourni par le graphite. Dans le bain :

• réaction I : γ → α (aiguilles) + γ enrichie, à environ 1,8 à 2,2 % de carbone. Si chargée en carbone, cette austénite reste stable jusqu'à l'ambiante : c'est l'ausferrite ;
• réaction II : γ enrichie → α + carbures. C'est la bainite classique, plus fragile : à éviter.

La fenêtre de traitement s'étend de la fin de la réaction I (t₁) au début de la réaction II (t₂). Le modèle de la manipulation 3 la décrit par :

Dans la fenêtre, la température du bain fixe la finesse de l'ausferrite et donc la nuance : chaud (350 à 400 °C), une ausferrite grossière riche en austénite, ductile ; froid (230 à 300 °C), une ausferrite fine, résistante et dure. Le modèle prend R_m ≈ 1 450 − 4·(T_A − 250) MPa, et un allongement qui décroît avec la résistance, d'environ 11 % à 850 MPa jusqu'à 2 % à 1 450 MPa, en passant au-dessus des minimums de chaque nuance.

Pour les pièces épaisses, la trempe dans le bain doit éviter la perlite au cœur : on ajoute du nickel, du molybdène ou du cuivre pour augmenter la trempabilité. Sous charge, l'austénite enrichie peut se transformer localement en martensite : la surface d'une ADI durcit en service, ce qui lui donne une bonne tenue à l'usure, mais complique l'usinage après traitement.

Une fonte malléable commence sa vie en fonte blanche : des pièces minces, coulées avec peu de silicium pour que tout le carbone soit en cémentite. Dure et cassante, la pièce brute passe ensuite des jours au four. Deux recettes, deux résultats :

• à cœur blanc (EN-GJMW, la tradition européenne) : on chauffe vers 950 à 1 050 °C dans une atmosphère qui oxyde le carbone. Le carbone diffuse vers la surface et s'en va en gaz : la pièce se décarbure de l'extérieur vers l'intérieur. Une paroi mince devient presque entièrement ferritique, ductile et même soudable ; une paroi épaisse garde un cœur plus riche en carbone. Le nom vient de la cassure, claire ;
• à cœur noir (EN-GJMB, la tradition américaine) : on chauffe vers 900 à 960 °C en atmosphère neutre. Le carbone reste dans la pièce, mais la cémentite se décompose en amas de graphite de recuit (forme IV), répartis dans toute l'épaisseur. Un refroidissement lent donne une matrice ferritique, un refroidissement plus rapide une matrice perlitique. Le graphite rend la cassure sombre.

Ces fontes ont fait des millions de raccords de tuyauterie galvanisés, de maillons, de pièces de machines agricoles et d'automobiles. La fonte GS, obtenue directement à la coulée, les a remplacées dans beaucoup d'emplois, mais elles restent imbattables pour les petites pièces minces.

Le cœur blanc : une décarburation. L'atmosphère du four (gaz riche en CO₂ et en vapeur d'eau, ou minerai oxydant dans les procédés anciens) brûle le carbone en surface : C + CO₂ → 2 CO, C + H₂O → CO + H₂. Le carbone de l'intérieur diffuse dans l'austénite vers la surface, et la cémentite se dissout derrière lui. Un front de décarburation avance comme la racine du temps :

C'est pourquoi le procédé à cœur blanc est réservé aux pièces minces, et pourquoi l'EN 1562 fixe les propriétés des nuances à cœur blanc selon le diamètre de l'éprouvette : la même fonte n'a pas les mêmes propriétés à 6 mm et à 15 mm.

Le cœur noir : une graphitisation. Premier stade, vers 900 à 960 °C pendant quelques dizaines d'heures : la cémentite eutectique se dissout dans l'austénite et le carbone précipite en amas de graphite de recuit, compacts, sans arêtes. Le modèle décrit la part graphitisée par f = 1 − exp[−(t/τ)^1,5], avec τ ≈ 15 h à 950 °C et environ deux fois moins à 1 000 °C. Second stade : soit un refroidissement très lent dans le domaine critique (environ 760 à 690 °C, quelques degrés par heure) pour une matrice ferritique, soit un refroidissement à l'air, éventuellement suivi de trempe et revenu, pour une matrice perlitique. L'épaisseur ne limite pas le procédé.

La nuance EN-GJMW-360-12 (numéro EN-JM1020), décarburée presque à cœur dans les faibles épaisseurs, est la plus soudable des malléables : elle sert notamment à des pièces soudées sur des tubes d'acier.

Fais glisser un caillou sur une lame : si le caillou est plus dur, il la raye ; s'il est plus tendre, il s'use lui-même. L'usure par abrasion obéit à cette règle. Le sable, la roche, le minerai sont faits surtout de quartz, très dur (environ 1 000 à 1 200 HV). Pour lui résister, il faut une surface qui contienne des grains encore plus durs.

• Les fontes blanches résistantes à l'abrasion (EN 12513) en sont pleines : des carbures en réseau ou en bâtonnets, tenus par une matrice. Non alliée, la cémentite est à peine plus dure que le quartz. Avec 3,5 à 5 % de nickel et 1,5 à 2,5 % de chrome, les fontes Ni-Hard gardent la cémentite mais ont une matrice martensitique. Avec 12 à 28 % de chrome, les fontes au chrome forment des carbures M₇C₃ plus durs que le quartz. Concasseurs, broyeurs, blindages, pompes à boue : on les désigne souvent par leur dureté, EN-GJN-HV350 à EN-GJN-HV600.
• Les fontes austénitiques (EN 13835, souvent appelées Ni-Resist) contiennent 13 à 36 % de nickel : matrice austénitique, résistante à la corrosion (pompes d'eau de mer), à la chaleur (carters de turbocompresseurs), amagnétique, tenace jusqu'aux très basses températures selon la nuance. Elles existent à graphite lamellaire (EN-GJLA) ou sphéroïdal (EN-GJSA).
• Les fontes au silicium : vers 14 à 18 % de silicium, elles résistent aux acides comme l'acide sulfurique, mais sont dures et très fragiles. Vers 4 à 5 % de silicium avec un peu de molybdène, des fontes GS ferritiques (EN 16124) résistent à l'oxydation et à la chaleur : collecteurs d'échappement, carters de turbocompresseurs.

La règle du rapport de dureté. Une phase est rayée efficacement quand l'abrasif est nettement plus dur qu'elle ; l'usure chute fortement quand la phase dépasse environ 0,8 fois la dureté de l'abrasif. Dans le modèle :

Résultat du modèle dans le sable siliceux : fonte GL perlitique 100, fonte blanche perlitique ≈ 45, Ni-Hard ≈ 21, fonte au chrome ≈ 11. Contre le corindon, plus dur que tous les carbures, l'avantage se réduit (≈ 63, 36, 32). Contre un calcaire tendre, toutes s'usent peu.

Le compromis usure-ténacité. Plus de carbures, c'est moins d'usure mais plus de fragilité. Les carbures doivent être assez gros pour ne pas partir avec un copeau, et bien répartis. Dans les fontes au chrome, les M₇C₃ forment des bâtonnets discontinus, alors que la cémentite des fontes non alliées et des Ni-Hard forme un réseau continu, une « éponge » de carbure où une fissure court facilement : à usure égale, les fontes au chrome sont plus tenaces.

Exemples de désignations de l'EN 13835 : EN-GJLA-XNiCuCr15-6-2 (graphite lamellaire, nickel, cuivre, chrome), EN-GJSA-XNiCr20-2 (pompes, vannes), EN-GJSA-XNiMn23-4 (tenace à très basse température), EN-GJSA-XNiSiCr35-5-2 (tenue à chaud), EN-GJSA-XNi35 (très faible dilatation).

La matrice d'une fonte ordinaire ne résiste pas mieux à la corrosion que celle d'un acier : c'est du fer. Mais le graphite change la façon dont elle se corrode. Plus noble que le fer, il forme avec lui une multitude de petites piles : dans l'eau ou dans un sol humide, le fer se dissout autour du graphite. Il reste un squelette de graphite cimenté par des oxydes, qui garde exactement la forme de la pièce. C'est la corrosion graphitique.

Une conduite en fonte GL ainsi attaquée paraît intacte : même diamètre, même épaisseur. Mais la couche graphitisée se raye au couteau, sonne mat sous le marteau, et n'a presque plus de résistance. Le paradoxe, c'est que cette couche adhérente freine ensuite la corrosion : après un démarrage plus rapide que celui de l'acier, l'attaque ralentit, et des conduites en fonte posées il y a plusieurs siècles sont encore en service. Dans une GS, le graphite n'est pas interconnecté : la corrosion graphitique pénètre moins. Les tuyaux modernes en fonte ductile sont en plus protégés par un revêtement de zinc à l'extérieur et un mortier de ciment à l'intérieur (EN 545).

Schéma qualitatif : l'acier s'amincit, la fonte GL se graphitise en gardant sa forme, la fonte GS se graphitise moins profondément.

Pour choisir une fonte, on part de la fonction : amortir et conduire la chaleur (GL), résister et se déformer avant de rompre (GS), supporter la fatigue thermique d'un moteur (GV), porter de fortes charges (ADI), faire de petites pièces minces ductiles (malléables), résister à l'usure (blanches), à la corrosion ou à la chaleur (austénitiques, au silicium). Puis on vérifie les propriétés minimales, l'épaisseur, et, si la pièce doit être soudée ou risque d'être réparée, la soudabilité.

Le mécanisme. Dans un électrolyte (eau, sol humide, eau de mer), le graphite joue le rôle de cathode, où l'oxygène dissous est réduit ; la matrice ferreuse voisine joue le rôle d'anode et se dissout : Fe → Fe²⁺ + 2 e⁻. Les produits de corrosion, volumineux, restent pris dans le réseau de graphite. La vitesse d'attaque est d'abord plus forte que sur un acier, puis diminue à mesure que la couche graphitisée s'épaissit et gêne le transport des espèces : sur la durée, une fonte peut donc perdre moins qu'un acier, mais la couche perdue ne porte plus rien.

Les parades. Revêtements (zinc, peinture, bitume, mortier de ciment), manchons de polyéthylène, protection cathodique ; ou des fontes résistantes : austénitiques au nickel pour l'eau de mer, au silicium pour les acides, SiMo et austénitiques pour l'oxydation à chaud.

Pour le soudage, les fontes forment le groupe 7 de l'ISO/TR 15608, subdivisé selon la famille ; la qualification des modes opératoires de soudage des fontes relève de l'ISO 15614-3 et les produits d'apport de l'ISO 1071 (cours 3 et 4).

Cherche chaque question sur papier avant d'ouvrir la correction. Les valeurs viennent des normes citées et des modèles des manipulations ; le défi se rejoue dans la manipulation 3.