La différence entre la fonte ductile et la fonte grise réside dans la forme du graphite : la fonte ductile le porte sous forme de sphéroïdes, la fonte grise sous forme de lamelles, et chaque propriété qui les distingue — limite d'élasticité, allongement, résistance aux chocs, amortissement, usinabilité, prix — découle de ce seul fait. La fonte ductile est le matériau pour une pièce qui doit supporter une charge, la fonte grise pour une pièce qui doit rester immobile, absorber les vibrations ou la chaleur, et s'usiner à moindre coût.
Qu'est-ce que la fonte ductile
La fonte ductile est une fonte dont le graphite a été forcé en sphéroïdes par un traitement au magnésium du métal en fusion juste avant la coulée. L'ASTM A536, la spécification pour les fontes à usage général pièces moulées en fonte ductile, la définit comme une fonte dont le graphite est “ sensiblement sphéroïdal en forme ”. La fonte de base conserve le point de fusion, la fluidité et l'usinabilité de la fonte grise ; le nodule arrondi n'entaille pas la matrice comme le fait une lamelle, de sorte que la fonte cède et s'étire avant de se rompre.
Parce que la fonte cède et s'étire, l'A536 peut promettre trois chiffres pour chaque nuance, et le nom de la nuance est la promesse : 65-45-12 signifie une résistance à la traction minimale de 65 ksi, une limite d'élasticité minimale de 45 ksi à 0,2 % de décalage, et un allongement minimal de 12 %. Les nuances à usage général vont de 60-40-18, une fonte ferritique avec un allongement de 18 %, en passant par 65-45-12 et 80-55-06, toutes deux atteignables à l'état brut de coulée, jusqu'à 100-70-03 et 120-90-02, qui sacrifient l'allongement pour la résistance et nécessitent un traitement thermique pour y parvenir.
Qu'est-ce que la fonte grise
La fonte grise est une fonte dont le graphite est sous sa forme naturelle de lamelles, et l'ASTM A48, la spécification pour les fontes à usage général les pièces moulées en fonte grise, la classe par un seul chiffre : la résistance minimale à la traction d'une barre d'essai coulée séparément, en ksi, de la classe 20 à la classe 60. Il n'y a ni limite d'élasticité ni allongement dans l'A48.
La limite d'élasticité et l'allongement sont absents parce que les lamelles les rendent sans signification. Chaque lamelle est une fente à extrémité pointue dans la matrice ; sous tension, la contrainte se concentre aux pointes des lamelles, une fissure démarre à la lamelle la plus longue et se propage, et la barre se rompt avec un allongement proche de zéro, avant tout point de limite d'élasticité contre lequel vous pourriez concevoir. En compression, les lamelles sont simplement fermées, c'est pourquoi la fonte grise supporte bien plus dans ce sens qu'elle ne le fera jamais en tension.
Les lamelles qui ruinent la tension sont aussi la source des avantages de la fonte grise. Les lamelles connectées transportent la chaleur à travers la pièce coulée, dissipent l'énergie vibratoire à chaque interface graphite-matrice, et cassent le copeau court à l'outil. Ces trois effets sont les plus forts dans les classes basses : une classe plus élevée est atteinte en affinant les lamelles plus courtes, et la conductivité et l'amortissement chutent avec la longueur des lamelles. La classe 20 ou 30 est la fonte silencieuse et conductrice de chaleur ; la classe 50 ou 60 a rendu une partie de cela pour la résistance.
Fonte ductile vs fonte grise
La fonte ductile gagne chaque ligne qui concerne le support de charge ; la fonte grise gagne les lignes concernant l'amortissement, le flux thermique, l'usinage et le prix, et les deux sont à égalité sur l'usure.
| Propriété | Fonte ductile | Fonte grise |
|---|---|---|
| Forme du graphite | Sphérique/nodulaire | En forme de lamelles |
| Résistance à la traction | Élevée | Moderate |
| Limite d'élasticité | Clairement définie | Généralement pas une propriété de conception primaire |
| Allongement | Moderate to high | Très faible |
| Résistance aux chocs | Excellente | Mauvaise |
| Résistance à la fatigue | Meilleure | Plus faible |
| Amortissement des vibrations | Moderate | Excellente |
| Usinabilité | Bonne | Excellente |
| Résistance à l'usure | Bonne | Bonne |
| Conductivité thermique | Moderate | Plus élevé |
| Étanchéité sous pression | Généralement meilleure | Bonne avec une qualité de coulée appropriée |
| Coût typique | Légèrement plus élevé | Plus faible |
| Applications courantes | Boîtiers, engrenages, pièces de suspension, tuyaux | Socles de machines, blocs moteurs, composants de frein |
Dans la paire la plus courante pour laquelle les boîtiers sont chiffrés, classe 30 contre 65-45-12, les minimums ASTM sont de 30 ksi en traction sans rien d'autre de promis contre 65 ksi en traction, 45 ksi en limite d'élasticité et 12 % d'allongement. Une fonte grise de classe 60 correspond à la 60-40-18 en traction ; ce que la fonte grise ne peut fournir à aucune classe, c'est une limite d'élasticité pour concevoir et un allongement pour absorber un choc.
L'amortissement est l'écart le plus large du tableau. Mesuré à composition similaire, la capacité d'amortissement relative de la fonte grise est de 1,0 contre 0,14 pour la fonte ductile ; les nodules n'ont pas les interfaces lamelle-matrice qui absorbent l'énergie.
L'étanchéité sous pression est la ligne à lire attentivement. Les nodules ne créent pas de chemin de fuite à travers la paroi comme peut le faire un réseau de lamelles connectées — c'est le “ généralement meilleure ” — mais la fonte ductile rétrécit davantage lors de la solidification, et un boîtier avec des masselottes insuffisantes fuit à travers la porosité de retrait, quelle que soit la nuance.
Lequel choisir
Choisissez la fonte ductile lorsque la pièce supporte une charge sous laquelle elle ne doit pas céder — choc, cyclique, flexion, pression interne — et la fonte grise lorsque le rôle de la pièce est la masse, l'amortissement, le flux thermique ou un usinage économique et que rien ne lui demande de céder. La plupart des pièces sur un plan d'équipement lourd se classent ainsi : les boîtiers de boîte de vitesses et de paliers, les corps de pompes et de vannes, les manifolds hydrauliques et tout ce qui est frappé ou pressurisé vont en ductile ; les socles de machines, les contrepoids, les composants de frein et de moteur vont en grise.
Si votre calcul nécessite une limite d'élasticité, le choix est déjà fait, car la fonte grise n'en a aucune que vous puissiez mettre sur papier.
Le cas difficile est une pièce qui veut l'amortissement de la fonte grise et plus de résistance que la classe 30 ne donne. Monter en classe 50 ou 60 achète de la traction en raccourcissant les lamelles, ce qui est exactement ce qui dépense l'amortissement, donc à ce stade, la 65-45-12 donne la résistance plus une limite d'élasticité et vous acceptez un amortissement modéré. La propriété que vous pouvez vous permettre de perdre décide, pas le chiffre de traction.
La prime de la fonte ductile est le traitement au magnésium et le contrôle plus strict du métal en fusion qu'il exige, plus le recuit ou la trempe et revenu lorsque la nuance en nécessite un. La fonte ductile nécessite également des masselottes que l'expansion du graphite de la fonte grise permet souvent d'éviter, donc moins de livres coulées finissent dans la pièce. Par rapport au coût d'un boîtier fissuré, la prime est faible.
Conclusion
Toute la différence réside dans le graphite, et les deux spécifications l'encodent : l'A536 promet traction, limite d'élasticité et allongement pour chaque nuance de fonte ductile ; l'A48 promet une traction sur barre d'essai pour la fonte grise et rien de plus. Choisissez selon ce que la pièce doit faire — supporter une charge, ou rester immobile et dissiper — et écrivez la spécification en conséquence.