fonte (métallurgie)

Fonte, alliage métallique constitué principalement de fer et de carbone, dans lequel la quantité de carbone varie généralement de 2 à 5 p. 100 en poids. La fonte est préparée dans les hauts-fourneaux sidérurgiques à partir de minerai de fer, de coke et de fondant, généralement du calcaire. En raison des impuretés naturellement présentes dans le minerai de fer, la fonte brute obtenue possède une composition chimique variable mais comprend généralement environ 92 p. 100 de fer, 3 à 4 p. 100 de carbone, 0,5 à 3 p. 100 de silicium, 0,25 à 2 p. 100 de manganèse, ainsi que des traces de phosphore, de soufre et d'autres éléments.

La fonte est un matériau très utilisé dans l'industrie en raison de sa bonne fluidité à l'état liquide, de sa facilité de moulage et de son coût relativement faible. Elle sert à fabriquer des tuyaux, des blocs-moteurs, des plaques de cuisson, des radiateurs, des bâtis de machines, des contrepoids, des pièces mécaniques et de nombreux éléments de construction. Toutefois, sa forte teneur en carbone la rend généralement plus dure mais aussi plus cassante que l'acier.

Préparation de la fonte brute

Le traitement du minerai de fer était déjà connu au III^e millénaire av. J.-C., bien avant l'apparition des procédés sidérurgiques modernes. Cependant, les premiers foyers alimentés au charbon de bois n'atteignaient la température de fusion des minerais que lorsqu'un courant d'air suffisamment puissant venait activer la combustion. Les forgerons de l'époque savaient alors extraire le métal de la masse solide obtenue après démolition du four rudimentaire.

En Europe, l'industrie du fer s'est développée à partir du XIII^e siècle grâce à l'utilisation de l'énergie hydraulique, qui permettait d'actionner de puissants soufflets et donc de produire des courants d'air plus intenses. Mais il fallut attendre le XVe siècle pour voir apparaître les premiers véritables fours industriels qui allaient progressivement évoluer vers les hauts-fourneaux modernes.

Les hauts-fourneaux sont de très grands ouvrages métallurgiques pouvant atteindre environ 50 m de hauteur. Ils servent à extraire le fer contenu dans le minerai, généralement présent sous forme d'oxyde ferrique de formule Fe?O?. Cet oxyde est réduit chimiquement en fer métallique à haute température grâce au monoxyde de carbone (CO) produit par la combustion du coke et du fondant. La réaction chimique principale peut être résumée de la manière suivante :

Le minerai de fer, le fondant calcaire et le coke sont introduits dans le haut-fourneau par son ouverture supérieure appelée gueulard. Les matériaux descendent lentement par couches successives tout en rencontrant de l'air préchauffé à environ 1 000 °C, injecté dans la partie inférieure du four. À mesure qu'ils descendent, de nombreuses réactions chimiques complexes se produisent.

Dans la partie basse du haut-fourneau, appelée creuset, le mélange liquide peut atteindre une température voisine de 1 800 °C. À cette température, la fonte liquide et le laitier, constitué principalement des impuretés et des résidus minéraux, se séparent naturellement en raison de leur différence de densité. Le laitier, plus léger, flotte à la surface de la fonte liquide. Les deux produits sont ensuite évacués par des trous de coulée distincts.

La teneur en manganèse et en silicium du minerai, la proportion de coke utilisée, la quantité de fondant ajoutée et surtout la vitesse de refroidissement influencent fortement les propriétés finales de la fonte produite. Pour une même teneur en carbone, il est ainsi possible d'obtenir différentes fontes présentant des aspects, des structures cristallines et des comportements mécaniques très différents.

Les principales fontes

L'origine du minerai de fer, le choix du fondant, les proportions de coke et de calcaire, ainsi que les conditions de refroidissement déterminent la composition et les propriétés recherchées de la fonte. Selon leur teneur en carbone, leur structure interne et la manière dont le carbone est réparti dans le métal, les fontes présentent des caractéristiques mécaniques très variées.

Les fontes sont généralement faciles à couler dans des moules grâce à leur grande fluidité à l'état liquide. Cependant, leur forte teneur en carbone les rend souvent dures, fragiles et peu résistantes aux chocs. Elles se prêtent donc moins bien à certaines opérations d'usinage ou de déformation mécanique que l'acier.

Des traitements thermiques ou des procédés métallurgiques spéciaux permettent toutefois de modifier les propriétés de certaines fontes. Il est également possible, grâce à des fours de conversion, d'abaisser la teneur en carbone à moins de 2 p. 100. On obtient alors de l'acier, matériau plus ductile, plus malléable et mieux adapté à de nombreuses applications industrielles.

Les fontes grises

Les fontes grises présentent un aspect gris à la cassure en raison de la présence du carbone principalement sous forme de graphite dispersé dans la masse métallique. Leur fabrication nécessite généralement des minerais à forte teneur en silicium, de l'ordre de 1,5 à 3 p. 100, ainsi qu'une proportion relativement importante de coke.

Le graphite contenu dans les fontes grises améliore certaines propriétés, notamment la capacité d'usinage, l'amortissement des vibrations et la résistance à l'usure. C'est pourquoi ces fontes sont souvent utilisées pour fabriquer des bâtis de machines, des carters, des blocs de moteurs, des disques de frein ou des conduites.

Les fontes grises possèdent une température de fusion inférieure à celle de l'acier. Elles fondent généralement autour de 1 200 °C, contre environ 1 370 °C pour l'acier, ce qui facilite leur coulée dans des moules complexes. Très peu malléables et peu ductiles, elles restent néanmoins relativement faciles à usiner grâce à la présence de graphite, qui agit comme un lubrifiant naturel lors des opérations de coupe.

Les fontes blanches

Les fontes blanches présentent un aspect blanc brillant à la cassure, d'où leur nom. Cette apparence particulière est due au fait que le carbone qu'elles contiennent n'est pas présent sous forme de graphite libre, comme dans les fontes grises, mais qu'il est combiné chimiquement au fer sous forme de carbure de fer, également appelé cémentite.

La présence importante de cémentite confère aux fontes blanches une très grande dureté, mais aussi une forte fragilité. Contrairement aux fontes grises, elles sont obtenues à partir de minerais de fer pauvres en silicium mais relativement riches en manganèse. Le faible pourcentage de silicium empêche la formation du graphite libre et favorise au contraire la combinaison du carbone avec le fer.

Les fontes blanches sont très résistantes à l'usure et à l'abrasion, ce qui les rend utiles pour certaines applications particulières, comme les plaques de broyage, les cylindres de laminoirs, les mâchoires de concasseurs, les broyeurs ou certaines pièces soumises à un frottement intense. En revanche, elles sont très cassantes, absorbent mal les chocs et se prêtent difficilement au moulage de formes complexes ou à l'usinage.

En raison de leur dureté extrême, elles servent surtout de matière première pour la fabrication de l'acier. Dans ce cas, elles sont soumises à une opération de décarburation dans des fours spéciaux afin de réduire leur teneur en carbone et d'obtenir un métal plus malléable.

Des traitements thermiques appliqués à la fonte blanche, consistant en un chauffage prolongé suivi d'un refroidissement lent, permettent de transformer une partie du carbure de fer en nodules fins de graphite. Cette transformation donne naissance à des fontes malléables ou à des fontes tempérées, qui sont plus faciles à façonner, moins fragiles et mieux adaptées à certaines utilisations mécaniques.

Les fontes hématites et phosphoreuses

On trouve également à la sortie des hauts-fourneaux des fontes particulières, dont les propriétés dépendent directement de la pureté du minerai utilisé et de la nature des impuretés qu'il contient.

Les fontes hématites sont des fontes élaborées à partir de minerais très purs, notamment l'hématite. Elles présentent une très faible teneur en soufre et en phosphore, deux éléments généralement considérés comme nuisibles aux propriétés mécaniques du métal. Grâce à cette pureté, les fontes hématites possèdent de meilleures qualités de résistance et peuvent être utilisées dans des applications nécessitant un métal plus homogène.

Hématite est l'un des minerais de fer les plus importants dans l'industrie sidérurgique. Sa richesse en oxyde de fer et sa faible teneur en impuretés en font une matière première particulièrement recherchée pour la production de fontes de qualité.

Les fontes phosphoreuses, au contraire, sont obtenues à partir de minerais contenant une proportion importante de phosphore. Parmi elles figurent notamment les fontes Cleveland, qui contiennent généralement de 1,4 à 2 p. 100 de phosphore, ainsi que les fontes Thomas, dont la teneur en phosphore varie le plus souvent entre 1,6 et 2 p. 100.

Le phosphore améliore la fluidité de la fonte à l'état liquide et facilite le remplissage des moules complexes. Cependant, il rend également le métal plus fragile et plus cassant à froid. Pour cette raison, les fontes phosphoreuses sont rarement utilisées directement pour la fabrication de pièces mécaniques soumises à des efforts importants.

Elles sont surtout employées comme matières premières dans certains procédés sidérurgiques de fabrication de l'acier, où le phosphore peut ensuite être éliminé par affinage chimique dans des convertisseurs ou des fours spécialisés.