Le traitement thermique de la fonte présente des similitudes et des différences par rapport à celui de l’acier. Le traitement thermique de la fonte ne permet pas d’améliorer la morphologie ni la répartition du graphite dans la microstructure initiale. Pour la fonte grise, l’effet de concentration des contraintes engendré par le graphite en flocon constitue le facteur déterminant des propriétés mécaniques ; ainsi, l’effet renforçateur du traitement thermique sur la fonte grise est nettement moins important que pour l’acier ou la fonte nodulaire. Par conséquent, les procédés de traitement thermique de la fonte grise comprennent principalement la recuisson et la normalisation, entre autres.
Pour la fonte nodulaire, le graphite étant sphéroïdal, l’effet de fragmentation sur la matrice est considérablement réduit. La structure de la matrice peut alors pleinement jouer son rôle grâce au traitement thermique, ce qui améliore sensiblement les propriétés mécaniques de la fonte nodulaire. Ainsi, à l’instar de l’acier, la fonte ductile fait l’objet de traitements tels que la recuisson, la normalisation, la trempe et le revenu, ainsi que la trempe multi‑température, la trempe par induction et les traitements thermiques de surface.
Processus de traitement thermique de la fonte :
1. Recuit de détente des contraintes
En raison de l’épaisseur de paroi non uniforme des pièces moulées, des contraintes efficaces et des contraintes structurales se développent lors du chauffage, du refroidissement et des transformations de phase. De plus, les contraintes internes des pièces de grande taille ont tendance à persister après l’usinage ; toutes ces contraintes internes doivent donc être éliminées. La température générale de recuisson de détente des contraintes est comprise entre 500 et 550 °C, avec un temps de maintien de 2 à 8 heures, suivi d’un refroidissement au four (pour la fonte grise) ou à l’air (pour la fonte nodulaire). Ce procédé permet d’éliminer 90 à 95 % des contraintes internes de la pièce moulée, sans toutefois modifier sa microstructure. Toutefois, si la température dépasse 550 °C ou si le temps de maintien est trop long, cela peut entraîner une graphitisation, diminuant ainsi la résistance et la dureté de la pièce.
2. Recuisson à haute température visant à éliminer la fonte blanche
Lors du refroidissement de la pièce moulée, une zone blanche apparaît souvent à la surface et dans les sections minces. Cette microstructure blanche est dure et fragile, présentant une faible usinabilité et une tendance à s’écailler facilement. Il convient donc d’appliquer un procédé de recuisson (ou de normalisation) afin d’éliminer cette structure blanche. Procédé de recuisson : chauffage à 550–950 °C pendant 2 à 5 heures, puis refroidissement au four jusqu’à 500–550 °C, suivi d’un refroidissement à l’air hors du four. Au cours de l’isolement à haute température, la cémentite libre et la cémentite eutectique se décomposent en graphite et en austénite, tandis que la cémentite secondaire et la cémentite eutectoïde se décomposent également lors du refroidissement ultérieur, conduisant à la graphitisation. En raison de la décomposition de la cémentite, la dureté diminue, ce qui améliore l’usinabilité.
3. Normalisation de la fonte ductile
Le but de la normalisation de la fonte ductile est d’obtenir une structure à matrice perlitique, de raffiner les grains et d’uniformiser la microstructure, afin d’améliorer les propriétés mécaniques des pièces moulées. Parfois, la normalisation sert également à préparer la pièce en vue d’un trempage de surface de la fonte ductile, sur le plan microstructural. La normalisation peut être divisée en normalisation à haute température et en normalisation à basse température. La température de normalisation à haute température ne dépasse généralement pas 950 à 980 °C, tandis que la normalisation à basse température est effectuée dans la plage de température eutectoïde, soit 820 à 860 °C. Après la normalisation, un traitement visant à éliminer les contraintes internes générées lors de ce procédé est souvent nécessaire.
4. Trempage et revenu de la fonte ductile
Afin d’améliorer les propriétés mécaniques de la fonte ductile, les pièces moulées sont généralement chauffées à une température comprise entre 30 et 50 °C au‑dessus de Afc1 (Afc1 correspondant à la température finale de formation de la phase A lors du chauffage), puis trempées dans l’huile après un maintien à cette température afin d’obtenir une structure martensitique. Pour réduire efficacement les contraintes résiduelles après la trempe, il est en général recommandé d’effectuer un revenu post‑trempe. La microstructure obtenue par revenu à basse température est constituée de martensite revenue, de bainite et de graphite sphéroïdal. Cette structure présente une excellente résistance à l’usure et est utilisée pour des pièces nécessitant à la fois une haute résistance à l’usure et une grande résistance mécanique. Le revenu à moyenne température s’effectue entre 350 et 500 °C ; après ce traitement, la microstructure comprend de la troostite revenue et du graphite sphéroïdal, adaptée aux pièces épaisses requérant une bonne résistance à l’usure ainsi qu’une certaine stabilité et élasticité. Enfin, le revenu à haute température se réalise entre 500 et 600 °C ; la microstructure résultante est de la sorbite revenue associée à du graphite sphéroïdal, offrant d’excellentes propriétés combinées de ténacité et de résistance, ce qui explique son utilisation très répandue dans la production.
5. Trempe isotherme de la fonte ductile
La fonte ductile peut obtenir une résistance élevée, une bonne plasticité et une bonne ténacité après une trempe isotherme. Le choix de la température de chauffage pour la trempe isotherme tient principalement à l’obtention d’une structure initiale entièrement austénitique, sans présence de ferrite résiduelle, tout en évitant la croissance des grains d’austénite. La température de chauffage se situe généralement 30 à 50 °C au-dessus de Afc1, afin de garantir l’obtention d’une structure de bainite inférieure présentant des propriétés mécaniques globales optimales. Après trempe isotherme, la fonte nodulaire au magnésium‑aluminium contenant des terres rares atteint une résistance à la traction σ b de 1200 à 1400 MPa, une ténacité α k de 3 à 3,6 J/cm² et une dureté HRC de 47 à 51. Cependant, il convient de noter qu’un recuit de revenu doit être ajouté après la trempe isotherme.
6. Durcissement de surface
Afin d’accroître la dureté de surface, la résistance à l’usure et la résistance à la fatigue de certaines pièces moulées, on peut recourir à la trempe de surface. Les pièces moulées en fonte grise comme en fonte ductile peuvent être soumises à ce procédé. On utilise généralement la trempe de surface par induction à haute (ou moyenne) fréquence ainsi que la trempe de surface par contact électrique.
7. Traitement thermique chimique
Pour les pièces moulées nécessitant une résistance à l’usure de surface, une bonne résistance à l’oxydation et à la corrosion, il est possible d’adopter des traitements thermochimiques similaires à ceux appliqués à l’acier, tels que la chloruration douce gazeuse, la chloruration, la boruration, la sulfurisation, etc.