Le traitement thermique modifie la matrice d'une pièce moulée en fonte ductile — en ferrite, perlite, martensite trempée ou ausferrite — et avec elle le compromis entre résistance, dureté, ductilité et usinabilité ; les nodules de graphite sont fixés dans la poche de coulée et ne changent pas. La plupart des pièces moulées n'en ont jamais besoin. ASTM A536 attribue les nuances 65-45-12 et 80-55-06 à l'état brut de coulée, et ces deux nuances couvrent la plupart des pièces moulées en fonte ductile que nous coulons.
Le traitement thermique intervient lorsque la nuance ou le service exige quelque chose que la matrice brute de coulée ne peut pas offrir : un recuit de ferritisation pour le 60-40-18, une normalisation ou une trempe et revenu pour le 100-70-03 et le 120-90-02, un austempering pour les nuances ADI de l'A897, et un détensionnement pour toute pièce qui doit conserver ses dimensions lors de l'usinage de finition.
Procédés courants de traitement thermique de la fonte ductile
Sept traitements couvrent la fonte ductile en pratique, et ce qui les distingue est moins la température de pointe — la plupart austénitisent dans la même plage de 850 à 950 °C — que la manière dont la pièce moulée redescend, car le chemin de refroidissement est ce qui détermine la matrice.
| Traitement thermique | Température typique | Objectif principal | Structure résultante |
|---|---|---|---|
| Détensionnement | 500–650 °C | Réduire les contraintes résiduelles de moulage/usinage | Matrice existante largement inchangée |
| Recuit de ferritisation | 850–950 °C, suivi d'un refroidissement contrôlé | Augmenter la ductilité et l'usinabilité | Principalement de la ferrite |
| Recuit complet | ~850–950 °C | Adoucir la pièce moulée et réduire la dureté | Ferrite + graphite |
| Normalisation | 870–950 °C, refroidissement à l'air | Augmenter la résistance et la dureté | Perlite fine |
| Trempe et revenu | Austénitisation ~850–950 °C, trempe, puis revenu | Haute résistance et résistance à l'usure | Martensite trempée |
| Austempering | Austénitisation ~850–950 °C, puis maintien à ~230–400 °C | Très haute résistance avec une bonne ténacité | Ausferrite |
| Durcissement superficiel | Chauffage local rapide + trempe | Améliorer la résistance à l'usure de surface | Surface martensitique dure |
Le durcissement superficiel est un cycle local par induction ou par flamme sur un tourillon ou un alésage fini, et le recuit complet est le recuit de ferritisation mené jusqu'à une matrice entièrement ferritique. Les cinq qui suivent sont ceux qui sont spécifiés sur les dessins.
Recuit de ferritisation
Un recuit de ferritisation convertit la perlite brute de coulée en ferrite et produit la fonte ductile la plus douce, la plus ductile et la plus usinable — c'est le traitement que l'A536 attribue au 60-40-18, et à aucune autre nuance. Spécifiez-le lorsque l'allongement ou l'usinabilité importe plus que la résistance : un corps de vanne avec beaucoup de perçage et de taraudage, ou une pièce qui subit des chocs à basse température.
La chimie détermine l'efficacité du recuit. Le manganèse, le phosphore, le chrome et le molybdène ralentissent tous la transformation perlite-ferrite, donc une commande de 60-40-18 est mieux coulée à partir d'une fonte pauvre et à faible teneur en manganèse plutôt que recuite à partir d'une coulée perlitique.
Normalisation
La normalisation — austénitisation à 870–940 °C, puis refroidissement à l'air calme — transforme la matrice en perlite fine et est le moyen le plus économique d'augmenter la résistance et la dureté d'une pièce moulée ; avec un revenu après, l'A536 l'accepte comme voie vers le 100-70-03 et le 120-90-02, et c'est pour le 100-70-03 qu'elle est généralement utilisée. Il n'y a pas de trempe, donc la distorsion reste faible et les pièces à parois minces la supportent.
Que le refroidissement à l'air produise une perlite complète dépend de l'épaisseur et de la chimie. La fonte a besoin d'au moins une teneur modérée en manganèse, autour de 0,3–0,5 % ou plus, et d'une teneur en silicium pas trop élevée. Une section épaisse refroidit trop lentement pour devenir entièrement perlitique à moins de contenir du nickel, du molybdène ou du manganèse supplémentaire pour la trempabilité, tandis qu'une section mince de la même fonte peut dépasser la cible et devenir martensitique ou aciculaire. Informez la fonderie de la plage d'épaisseurs lorsque vous spécifiez une nuance normalisée, car l'alliage est choisi en fonction de celle-ci.
Un revenu suit généralement, à 425–650 °C, pour amener la dureté dans la plage cible. Le prix de la normalisation est l'usinabilité et l'allongement — le 100-70-03 donne 3 % contre les 12 % du 65-45-12 brut de coulée.
Détensionnement
Le détensionnement maintient la pièce moulée à 510–565 °C pour la fonte ductile non alliée — plus élevé pour les nuances alliées, jusqu'à 650 °C — assez longtemps pour que les contraintes résiduelles de la solidification et de l'ébauche se relâchent, sans changer la matrice, afin que la pièce conserve ses dimensions lors de l'usinage de finition et en service.
Il trouve sa place sur les pièces moulées avec des alignements d'alésages ou des faces d'accouplement usinées en finition après ébauche — un carter de boîte de vitesses, un corps de pompe avec une ligne de joint boulonnée — et sur les formes avec de grandes variations d'épaisseur, où les contraintes verrouillées à la solidification sont les plus importantes. Le maintien est d'une heure plus une heure par pouce d'épaisseur, suivi d'un refroidissement au four, donc cela coûte un cycle complet de four dans le planning, pas seulement le temps de maintien.
Le détensionnement n'est pas sans effets secondaires. Plus la température est élevée, plus les contraintes sont complètement éliminées, mais l'extrémité supérieure retire également une partie de la dureté et de la résistance à la traction. Lorsqu'un minimum de dureté est indiqué sur le dessin, maintenez le détensionnement à l'extrémité basse de sa plage.
Trempe et revenu
La trempe et le revenu atteignent la dureté et la résistance les plus élevées que la fonte ductile conventionnelle offre — c'est la voie habituelle pour le 120-90-02 et une voie acceptée pour le 100-70-03 — en austénitisant à 845–925 °C, en trempant pour obtenir de la martensite, et en revenant pour atteindre la dureté et la ténacité dont la pièce a besoin. À l'état trempé, la matrice est de la martensite avec un peu d'austénite résiduelle, et elle atteint un pic de 55–57 HRC lorsqu'elle est austénitisée à l'extrémité inférieure, 845–870 °C.
Le revenu à 425–600 °C échange la dureté contre la ténacité à chaque augmentation de température ; le 120-90-02 se situe à l'extrémité tenace de cet échange, avec 2 % d'allongement. Plus le revenu est bas, plus la surface est dure et plus elle résiste à l'usure, c'est pourquoi la trempe et le revenu, plutôt que la normalisation, sont la réponse lorsque l'exigence est une très haute dureté.
Deux mises en garde. La trempe déforme, et peut fissurer, une pièce coulée avec des changements de section brusques ou des angles internes vifs, donc la trempe et le revenu conviennent mieux aux sections compactes et uniformes qu'à un boîtier à parois minces, et l'usinage de finition doit être effectué après le revenu. Et pour une pièce nécessitant une limite d'élasticité de 90 ksi avec plus de ténacité que 2 % d'allongement, la Fonte Ductile Austempered (ADI) est la meilleure réponse.
Fonte Ductile Austempered — ADI
L'austempering — austénitiser à 815–925 °C, puis maintenir de manière isotherme à 230–400 °C au lieu de tremper à température ambiante — transforme la matrice en ausferrite, de la ferrite aciculaire dans de l'austénite stabilisée au carbone, et donne la fonte ductile la plus résistante qui existe : la ASTM A897/A897M les nuances vont de 110 ksi en résistance à la traction avec 11 % d'allongement à 230 ksi avec 1 %. C'est le traitement à envisager lorsqu'une pièce coulée en fonte ductile est comparée à une pièce en acier forgé ou traité thermiquement.
La température de maintien détermine la nuance. Une transformation basse, autour de 260 °C, donne une ausferrite fine, à haute résistance et résistante à l'usure ; une transformation haute, autour de 370 °C, donne une structure plus grossière avec une haute résistance à la fatigue et une bonne ductilité.
| Nuance | Résistance à la traction min, ksi | Limite d'élasticité min, ksi | Allongement min, % | Dureté typique, HBW |
|---|---|---|---|---|
| 110/70/11 | 110 | 70 | 11 | 241–302 |
| 130/90/09 | 130 | 90 | 9 | 269–341 |
| 150/110/07 | 150 | 110 | 7 | 302–375 |
| 175/125/04 | 175 | 125 | 4 | 341–444 |
| 200/155/02 | 200 | 155 | 2 | 388–477 |
| 230/185/01 | 230 | 185 | 1 | 402–512 |
Lisez le tableau par rapport au 120-90-02 trempé et revenu : le 130/90/09 donne la même limite d'élasticité de 90 ksi avec 9 % d'allongement contre 2 %. La dureté est indiquée à titre informatif uniquement et n'est pas une exigence d'acceptation, donc mettez la nuance sur le dessin, pas une plage HBW.
Trois conditions accompagnent la spécification de l'ADI. La pièce coulée est normalement usinée avant l'austempering, par accord, car l'ausferrite s'usine difficilement. La réparation par soudage n'est pas acceptable sur les pièces coulées austempered selon A897, donc la pièce coulée doit être saine avant d'y entrer. Et la norme permet que la coulée, l'usinage et l'austempering soient effectués par différents fabricants, donc déterminez qui certifie les propriétés.
Comment le Traitement Thermique Modifie la Fonte Ductile
Le traitement thermique ne modifie que la matrice entre les nodules de graphite ; les nodules eux-mêmes — leur nombre, leur taille et leur rondeur — sont fixés lorsque la fonte est traitée au magnésium et inoculée en poche, et aucun cycle de four ne répare une mauvaise nodularité. Chaque propriété que le traitement thermique modifie est une propriété de la matrice : résistance, dureté, allongement, usinabilité.
La matrice est déterminée par le chemin descendant depuis l'austénite. Le refroidissement au four donne de la ferrite ; le refroidissement à l'air donne de la perlite ; la trempe donne de la martensite avec un peu d'austénite résiduelle ; le maintien isotherme dans la plage de 230–400 °C donne de l'ausferrite. Le revenu adoucit la matrice normalisée ou trempée en ferrite portant de petites particules de carbure de fer. Le détensionnement n'atteint jamais l'austénite du tout, et laisse donc la matrice existante en place et ne fait que la relaxer.
Choisir le Bon Traitement
Commencez par la propriété que la pièce doit avoir, nommez la nuance A536 ou A897 qui la porte, et laissez la nuance définir le traitement — la norme le fait déjà : 65-45-12 et 80-55-06 à l'état brut de coulée, 60-40-18 par recuit de ferritisation, 100-70-03 et 120-90-02 par trempe et revenu, normalisation et revenu, ou traitement isotherme, et toute nuance A897 par austempering. Pour la plupart des pièces coulées de pompes, vannes et boîtiers, la bonne réponse est l'une des deux nuances brutes de coulée et aucun traitement thermique du tout.
| Propriété requise | Traitement typique |
|---|---|
| Usinabilité maximale | Recuit de ferritisation |
| Allongement élevé | Recuit de ferritisation |
| Stabilité dimensionnelle | Détensionnement |
| Résistance modérée à élevée | Normalisation |
| Résistance à l'usure plus élevée | Normalisation ou trempe et revenu |
| Très haute dureté | Trempe et revenu |
| Très haute résistance + ténacité | Austempering / ADI |
| Surface dure avec noyau ductile | Durcissement superficiel |
Mettez la nuance sur le dessin, pas le cycle ; un simple “ normaliser ” sans nuance derrière laisse la fonderie deviner la propriété que vous vouliez. L'exception est le détensionnement, qui ne change aucune nuance et doit être spécifié comme une note de processus, avec l'étape d'usinage après laquelle il intervient.
Deux coûts accompagnent le choix. Le temps de four varie avec la section — une heure par pouce est la règle pratique pour le recuit, la normalisation et le détensionnement — donc une pièce coulée lourde passe beaucoup plus de temps dans le cycle qu'une légère. Et tout traitement qui passe par l'austénite (normalisation, trempe et revenu, austempering) ajoute une distorsion que la surépaisseur d’usinage doit absorber, ce qui est une raison de plus pour rester à l'état brut de coulée lorsque la nuance le permet.
Conclusion
La fonte ductile est traitée thermiquement pour modifier sa matrice, et la nuance que vous spécifiez décide déjà si elle en a besoin : 65-45-12 et 80-55-06 sont expédiées à l'état brut de coulée, 60-40-18 est recuite, 100-70-03 et 120-90-02 sont normalisées ou trempées et revenues, et les nuances A897 sont austempered. Le détensionnement est le seul traitement choisi pour la pièce plutôt que pour la nuance. Choisissez la propriété, nommez la nuance, indiquez à la fonderie la plage de sections, et le cycle suit.