Qu'est-ce que la fonte ductile?

1. Introduction

Fonte ductile, Souvent appelé fonte nodulaire ou fer à graphite sphéroïdal.

Dans 1948, Keith Millis a découvert que l'ajout d'une petite quantité de magnésium au fer en fusion a créé des nodules de graphite presque sphériques plutôt que des flocons.

Cette percée a donné une fonte ductile (DEPUIS), qui combine la coulée et l'économie avec une force et un allongement de traction nettement améliorées.

Cet article plonge dans la nature fondamentale de la fonte ductile, sa chimie et sa microstructure, performance mécanique, routes de traitement, résistance à la corrosion,

applications clés, Avantages et limitations, et des comparaisons avec des matériaux alternatifs.

2. Qu'est-ce que la fonte ductile?

Fonte ductile (DEPUIS) se qualifie comme une famille en fonte caractérisée par le sphéroïdal (nodulaire) Inclusions de graphite uniformément dispersées dans une matrice métallique.

Contrairement au graphite en forme de flocons de fer gris, sujet à la concentration de stress, Les nodules en graphite de DI arrêtent la propagation des fissures, permettre un comportement ductile.

Ponts ductile en fer L'écart de performance entre le fer gris et l'acier à faible alliage.

Les fabricants exploitent la fonte ductile pour les composants sous charges cycliques, où la résistance à la résistance et à l'impact à haute résistance.

De plus, La machinabilité de DI et les capacités de forme quasi-réseau réduisent les coûts de traitement en aval.

3. Composition chimique et systèmes en alliage

Composition de base: Fe - C - Si - Mn - P - S

La fondation de la fonte ductile se trouve dans une charge de fer gris typique -fer (Fe), carbone (C), silicium (Et), manganèse (Mn), phosphore (P.), et du soufre (S).

Une gamme chimique représentative pour une note commune (ASTM A536 65-45-12) pourrait être:

• C: 3.5 – 3.8 wt %
• Et: 2.2 – 2.8 wt %
• Mn: 0.1 – 0.4 wt %
• P.: ≤ 0.08 wt %
• S: ≤ 0.025 wt %

Silicium élevé (≥ 2 wt %) favorise la formation de graphite plutôt que la cémentite, tandis que le faible soufre (< 0.025 wt %) empêche des inclusions excessives qui interfèrent avec la formation des nodules.

Éléments nodulisés: Magnésium (Mg), Cérium (Ce), et des terres rares (CONCERNANT)

Nodularité en fonte ductile résulte de l'ajout de magnésium - généralement 0.03% – 0.05% Mg—Pour fondu.

Les fonderies introduisent le magnésium via Alliages de maître Mg - Fe ou fils carotés. La forte affinité du magnésium pour les formes de soufre MGS, Ils contrôlent donc étroitement le soufre pour rester sous 0.025%.

De nombreuses fonderies ajoutent également 0.005 – 0.01 % en poids de cérium ou de terres rares Pour affiner la forme et la taille des nodules, Améliorer la cohérence mécanique, surtout dans les sections épaisses.

Ces ajouts réduisent encore la sensibilité aux variations du soufre et de l'oxygène.

Alliage supplémentaire: Cuivre (Cu), Nickel (Dans), Molybdène (Mo), Chrome (Cr)

Pour personnaliser la force, dureté, ou résistance à la corrosion, Les fonderies intègrent des éléments d'alliage secondaire:

• Cuivre (Cu): 0.2 – 0.5 wt % stimule la formation de perlite, augmenter la force de 10 – 20 %.
• Nickel (Dans): 0.5 – 1.5 wt % améliore la ténacité à basse température et la résistance à la corrosion.
• Molybdène (Mo): 0.2 – 0.4 wt % Améliore la durabilité et la résistance au fluage pour un service à plus haute température.
• Chrome (Cr): 0.2 – 0.5 wt % confère une légère résistance à la corrosion et une microstructure plus ferme.

Typiquement, Les grades en fonte ductile restent à l'intérieur 1 – 2 wt % de Cu combiné + Dans + Mo + Cr, Assurer la rentabilité tout en atteignant des objectifs de performance.

Normes et notes

• ASTM A536 (USA): 60-40-18, 65-45-12, 80-55-06 notes.
• OIN 1083 (Europe): EN-GJS-400-15, GJS-450-10, GJS-700-2.
• Votre seul 1563 (Allemagne): GG-25, GS-32, Équivalents GS-45.

4. Propriétés physiques et mécaniques de la fonte ductile

Résistance à la traction, Limite d'élasticité, et ductilité

La signature du fer ductile est son combinaison de haute résistance et de ductilité appréciable:

En revanche, Le fer gris standard donne uniquement 200 – 300 MPa force de traction avec pratiquement aucun allongement.

Parce que les nodules graphites de DI initiation des fissures, l'allongement saute dans les deux chiffres pour les grades de résistance inférieure.

Dureté et résistance à l'usure

Écart de dureté du fer ductile 170 – 320 HB, en fonction de la note et de la matrice:

• Une note ferritique (60-40-18) délivre autour 170 HB, adapté aux pièces moulées à usage général (collecteurs, cadres).
• Une qualité perlitique haute résistance (80-55-06) réaliser 260 – 320 HB, rivalisant avec une résistance à l'usure rivalisée pour les engrenages, pignon, et les cordes de pompage.

Lorsque la résistance à l'usure est critique, Les fabricants sélectionnent souvent fer ductile austère (Adi),

qui atteint 300 – 450 HB Après un traitement thermique, Équilibrer la dureté avec la ténacité résiduelle.

La vie de la fatigue et la ténacité à impact

Le graphite sphérique du fer ductile améliore considérablement les performances de la fatigue:

• Limite de fatigue se dresse généralement ≈ 40% de uts. Pour un 65-45-12 grade (Uts ≈ 500 MPa), L'endurance en fatigue atteint 200 MPa à 10⁷ cycles sous la flexion inversée.
• Résistance à l'impact (Charpy en V en V à 20 °C) va de 15 – 60 J., en fonction de la note. Inférieur, Les grades riches en ferritique absorbent 60 J., tandis que les notes entièrement perlititiques plongent à 15 J..

Ces valeurs dépassent le fer gris (10 – 20 J.) et aborder l'acier à faible alliage, Faire de la fonte ductile idéale pour les applications à cycle élevé comme les vileliers et les bielles de connexion.

Module d'élasticité et de capacité d'amortissement

Contrairement au fer gris 100 – 120 GPa module, Mesures du module du fer ductile 170 – 200 GPa, correspondant à peu près à celui de l'acier à faible alliage.

Cette forte raideur, combiné avec une capacité d'amortissement autour 0.005 à 0.010 (décrément logarithmique),

S'assure que les pièces ductiles en fonte résistent à la déviation sous charge tout en atténuant les vibrations - bénéficiel dans les composants du moteur et les bases de machines.

Conductivité thermique et coefficient de dilatation thermique

La conductivité thermique du fer ductile est parallèle à celle du fer gris et de l'acier, permettant une dissipation de chaleur efficace dans les blocs moteurs et les fines.

Son coefficient de dilatation thermique (~ 12 × 10⁻⁶ / ° C) s'aligne étroitement avec l'acier, Simplification de la conception multi-matériaux.

5. Comportement de corrosion et résistance environnementale

Films passifs et oxydation de surface

Le fer ductile forme un oxyde de fer (Fe₃o₄ / fe₂o₃) film lorsqu'il est exposé à l'oxygène. Cette couche passive ralentit davantage d'oxydation dans des environnements doux.

Ajout d'alliage comme 0.5 – 1.5% Dans ou 0.2 – 0.5% Cr Améliorer les performances corrosives en stabilisant le film passif.

Contrairement au fer gris - qui peut développer des piqûres - la matrice de la DI peut mieux résister à l'attaque localisée, Surtout lorsqu'il est enduit.

Taux de corrosion comparative vs. Fer gris et acier

Dans chaque cas, Le taux de corrosion de la fonte ductile reste à peu près 50% celui du fer gris et 30–40% celui de l'acier doux.

Application revêtements époxy ou polyuréthane réduit la corrosion de Di à < 0.01 mm / an dans des environnements agressifs.

Lorsqu'il est enterré ou submergé, Les concepteurs emploient Anodes sacrificielles en zinc ou en aluminium pour protéger les pipelines et les raccords en fonte ductile non revêtues.

Contrôle de la corrosion: Revêtements, Protection cathodique, et sélection de matériaux

• Revêtements: Époxy à haute construction (200 µm) ou pulvérisé par la flamme zinc / aluminium Les couches prolongent la durée de vie des usines de transformation marine ou chimique.
• Protection cathodique: Les anodes de courant ou sacrificielles impressionnantes maintiennent l'intégrité du tuyau en fonte ductile dans les installations souterraines ou sous-marines.
• Sélection des matériaux: Dans des conditions hautement corrosives (pH < 3 ou chlorure > 10 000 ppm), Les ingénieurs spécifient AT-ALLYED devient ou acier inoxydable au lieu de notes standard.

6. Processus de fabrication de la fonte ductile

Méthodes de moulage: Moulage au sable, Moulage de coque, et casting d'investissement

• Coulée de sable vert reste la méthode prédominante. Foundries emballe du sable de silice avec de l'argile ou des liants chimiques dans des flacons autour des motifs.
  Les moules de sable accueillent, cœurs, et les systèmes de déclenchement adaptés à la fluidité de DI. L'épaisseur de section minimale typique plane autour 6 – 8 mm Pour éviter les défauts de rétrécissement.
• Moulage de coque utilise un mélange de sable couché chauffé pressé autour d'un motif en métal chauffé.
  Ce processus donne finitions de surface de RA = 1–3 µm et tolérances ± 0.3 mm, à une prime de coût de ~ 20 % sur le sable vert.
• Moulage d'investissement (Cire perdue) facilite les sections minces (vers le bas 3 mm) et géométries complexes avec des tolérances ± 0.1 mm.
  Cependant, Commandement de fonds d'investissement en fonte ductile 2–3 × le coût des équivalents de sable, restreindre l'utilisation en pièces à faible volume ou complexes.

Traitement thermique: Recuit, Normalisation, Température orientale (Adi)

Le traitement thermique adapte la matrice de DI et les performances mécaniques:

• Recuit: Refroidissement lent de 900 °C à la température ambiante produit une matrice entièrement ferritique, Maximiser la ductilité (~ 18 % élongation) et usinabilité (400 MPA UTS).
• Normalisation: Chauffage à 900 – 920 °C suivi d'un refroidissement par air donne une microstructure ferritique - pearlitique équilibrée, Offrir des uts ≈ 450 MPA et 12 % élongation.
• Température orientale (Adi): La coulée en fonte ductile subit une solution à 900 °C pour dissoudre les carbures, puis éteindre dans un bain de sel à 250 – 375 °C pour 1 – 4 heures.
  Cela produit un ferrite bainitique + Austénite retenu en carbone structure.
  Les notes ADI vont de 400 MPa à 1 400 MPa UTS, avec allongement entre 2 – 12 %, et des performances de fatigue exceptionnelles (les limites d'endurance à 400 MPa).

Post-traitement: Usinage, Finition des surfaces, Revêtement

• Usinage: machines en fonte ductile similaire à l'acier au carbone. Vitesses de virage typiques pour 65-45-12 se pencher sur 150–250 m / i avec outillage en carbure.
  Range des vitesses de perceuse 50–100 m / i. La lubrification du liquide de refroidissement empêche le bord construit. Le manque de graphite de flocons de DI réduit l'écaillage des outils.
• Finition des surfaces:

• • Grenaillage avec grain en acier (20–40 maille) Supprime le sable et fournit une finition mate (Râ 2 – 5 µm).
  • Broyage / polissage Atteint RA < 0.8 µm pour les surfaces d'étanchéité.

• Revêtement:

• • Revêtement époxy / poudre: Dépose un film de 50 à 200 µm pour se prémunir contre la corrosion dans les environnements marins ou industriels.
  • Métallisation (Zinc ou aluminium): Le spray thermique applique un 100 – 150 µm Couche sacrificielle pour les pièces enterrées ou submergées.

7. Qu'est-ce que le fer ductile austère (Adi)

Fer ductile austère (Adi) représente une sous-classe spécialisée de fonte ductile qui offre une combinaison exceptionnelle de force, ductilité, et résistance à la fatigue.

Contrairement au fer ductile conventionnel - qui a généralement une matrice ferritique - pearlitique ou entièrement perlitique,

La microstructure unique d'ADI est constituée d'une amende plaques de ferrite bainitique immergé dans une matrice de Austénite retenu en carbone.

Cette microstructure provient d'un processus de traitement thermique en trois étapes: solution, éteindre à une température intermédiaire, et autemperring.

Une fois terminé, Le fer ductile austère offre des résistances à la traction aussi élevées que 1 400 MPa (dans l'Adi 900-650 grade) tout en préservant l'allongement dans le 2 – 5% gamme.

Austerred Ductile Fer Production Itiers: Solution, Trempe, et autemperring

Les étapes clés du traitement du fer ductile austère comprennent:

1. Solution: Chauffer le coulage du fer ductile pour 880 – 920 °C pendant 1 à 2 heures pour dissoudre les carbures et homogénéiser le carbone.
2. Trempe: Transférer dans un bain de sel à 250 – 375 °C. Cette température intermédiaire empêche la martensite.
3. Température orientale: Tenir jusqu'à ce que la matrice se transforme en ferrite bainitique plus Austénite retenu en carbone-typiquement 1–4 heures, Selon l'épaisseur de la section.
4. Refroidissement: Tremper d'air ou d'huile à température ambiante, verrouillage dans la microstructure bainitique.

Microstructure auctile en fer ductile: Ferrite bainitique et austénite enrichie en carbone

La microstructure d'Adi se compose de:

• Aiguilles de ferrite bainitique: Lames de ferrite α-fer extrême.
• Austénite retenue: Films d'austénite riche en carbone qui restent stables à température ambiante, absorber la tension et augmenter la ténacité.

Cette combinaison donne un «Tourning de transformation» effet: sous le stress appliqué, L'austénite retenue se transforme en martensite, renforçant localement la matrice.

Avantages mécaniques: Équilibre à haute résistance - duect, Résistance à la fatigue

Par rapport au fer ductile normalisé d'une composition similaire, Le fer ductile austère atteint jusqu'à 50% UTS plus élevé En conservant 2 – 5% élongation.

Son endurance de fatigue dépasse souvent 400 MPa, Surperformant à la fois le fer gris et de nombreux aciers en alliage sous la flexion inversée.

Applications typiques du fer ductile austère

Les ingénieurs utilisent du fer ductile austère où une résistance à l'usure élevée, haute résistance, et la vie de fatigue fiable:

• Automobile: Engrenages, vilebrequins, arbres à cames, et porter des cages.
• Machines agricoles: Pignons, Plaques de portage, et arbres à rouleaux.
• Huile & Gaz: Outils de trou descendants, arbres de pompe, et composants de la valve nécessitant une résistance à la fatigue de la corrosion.
• Équipement d'exploitation: Graies, rouleaux de broyeur, et les doublures de moulins soumises à la poussière abrasive.

8. Applications de la fonte ductile

Composants automobiles: Vilebrequin, Engrenages, Pièces de suspension

Les constructeurs automobiles exploitent la force de fatigue élevée de la fonte ductile (≥ 250 MPa) et amortissement pour les vileliers et les arbres à cames dans des moteurs moyens.

Les engrenages en fer ductile supportent la charge de choc tout en réduisant le bruit. Les bras de contrôle et les phalanges de direction bénéficient de la rigidité de DI (E ≈ 180 GPa) et résistance aux chocs.

Pipeline et manipulation du fluide: Tuyaux, Brise, Boîtiers de pompage, Corps de valve

Systèmes de tuyaux en fonte ductile (EN-GJS-400-15) transporter de l'eau potable ou des eaux usées à des pressions jusqu'à 25 bar.

Les vannes en fer ductile et les brides résistent aux surtensions de la pression cyclique. Les taux de corrosion sous pH alcalin ou neutre restent minimes, Rendre DI rentable par rapport à l'acier inoxydable dans de nombreuses applications de routage.

Équipement agricole et de construction: Pignons, Rouleaux, Cadres

Les composants de l'équipement de terrain sont régulièrement confrontés à des sols abrasifs et à des contraintes mécaniques élevées.

Les pignons en fonte ductile et les arbres à rouleaux atteignent porter la vie dépassant 1 000 heures dans des environnements graves,

tandis que les cadres et les moulages structurels minimisent les coûts de soudage et améliorent la durée de vie de la fatigue.

Secteur de l'énergie: Logements d'éoliennes, Enveloppes de boîte de vitesses, Composants du champ pétrolier

L'amortissement élevé de la fonte ductile amortit les vibrations de torsion dans les boîtes de vitesses d'éoliennes, Améliorer la fiabilité.

Les enveloppes de boîte de vitesses en ADI réduisent le poids par 10% par rapport à l'inertie en acier et au rotor inférieur.

Dans les champs de pétrole, Les outils de fond et les corps de soupape supportent 50 MPa.

Appareils et outils de consommation

La fonte ductile offre une masse thermique et une durabilité pour les ustensiles de cuisine (Fours néerlandais, Couchés en fonte).

Les clés à douille en fer ductile et les corps de pipe absorbent le choc sans fracturation, prolonger la durée de vie de l'outil.

9. Avantages et inconvénients de base de la fonte ductile

Avantages

Force et ténacité équilibrées:

Le fer ductile offre des résistances à la traction de 400–1 000 MPa et allongement de 2–18%, réaliser un rapport de force / poids supérieur.

Dans les applications automobiles, Par exemple, Le poids du vilebrequin peut passer 20–30% par rapport aux homologues en acier.

Excellente résistance à l'usure et à la fatigue:

Les nodules de graphite sphéroïdal minimisent les concentrations de contraintes, permettre à la fatigue des limites à 300 MPa.

Cela rend le fer ductile idéal pour les engrenages, composants de suspension, et d'autres pièces sous charge cyclique.

Couchabilité supérieure:

Avec un liquidus relativement faible de 1 150–1 200 °C et bonne fluidité, Le fer ductile forme des géométries complexes avec un minimum de retrait (0.8–1,0%).

Les coûts de coulée et d'usinage fonctionnent 30–50% inférieur que des forgues en acier comparables.

Corrosion et stabilité thermique:

Les nodules en graphite fournissent une barrière naturelle contre la corrosion. Après les traitements de surface, Les raccords en fonte ductile durent souvent un siècle dans les environnements du sol ou de l'eau.

Il résiste aux températures à 300 °C avec un faible coefficient d'expansion thermique.

Rentabilité:

Les matières premières sont peu coûteuses, Et la fusion nécessite une énergie relativement faible.

Grades modernes - comme le fer ductile austérien - approchez les performances en acier à haute résistance après un traitement thermique, Offrir des économies de coûts globales importantes.

Inconvénients

Contrôle de processus serré:

La réalisation de nodules uniformes exige un contrôle précis de Mg / quoi niveaux et minimum soufre / oxygène. L'assurance qualité ajoute à la complexité et au coût de la production.

Performances limitées à haute température:

Au-dessus de 350 °C, La résistance diminue fortement et le grossissement du graphite conduit à ramper.

Le fer ductile n'est pas adapté aux collecteurs d'échappement ou à d'autres composants soutenus à haute teneur.

Défis d'usinage:

Une teneur élevée en carbone nécessite un recuit pré-chauffage ou post-affaire pour éviter la fissuration.

Le graphite porte rapidement des outils, nécessiter des coupe-carbure et des stratégies d'usinage spécialisées.

Raideur plus faible:

Avec un module d'élasticité autour 160–170 GPA (contre l'acier ≈ 210 GPa), La fonte ductile se déforme plus sous charge. Les concepteurs ont souvent besoin de sections plus épaisses pour compenser.

Impact environnemental:

La fusion et la nodulation consomment une énergie importante et peuvent générer des polluants.

L'élimination des déchets doit respecter les normes réglementaires. Dans les environnements marins ou acides, La fonte ductile nécessite des revêtements protecteurs supplémentaires.

10. Comparaison avec d'autres matériaux

Lorsque les ingénieurs évaluent la fonte ductile (DEPUIS) pour une application particulière, Ils pèsent fréquemment ses propriétés à celles de la fonte grise, fonte malléable, alliages en acier, aluminium, et bronze.

Fonte grise VS. Fonte Ductile

Fer malléable VS. Fonte Ductile

Alloys en acier vs. Fonte Ductile

Fer ductile vs. Aluminium et bronze

Quand favoriser la fonte ductile

• Composants cycliques ou à charge élevée: La combinaison de DI de résistance à la traction (≥ 500 MPa), endurance fatigue (≥ 200 MPa), et l'amortissement le rend idéal pour vilebrequins, engrenages, et bras de suspension.
• Complexité de forme proche: Sand ou coquille en fonte ductile réduit les indemnités d'usinage par 30–50% par rapport à l'acier, Réduire le coût global de la pièce.
• Production à volume moyen sensible au coût: Lorsque des forgs en acier ou de l'aluminium usiné entraînent des coûts excessifs, Le fer ductile offre un équilibre de performance et d'économie.
• Raccords corrosifs ou résistants à l'usure: Avec des revêtements appropriés ou un alliage, Les pipelines en fonte ductile et les boîtiers de pompe perdurent des décennies dans des environnements agressifs.

Lorsque d'autres matériaux prévalent

• Exigences ultra-légères: Dans les peaux de fuselage aérospatiale, corps de véhicules électriques, ou électronique portable, Les alliages en aluminium ou en magnésium offrent des économies de poids inégalées.
• Environnements corrosifs extrêmes: Zones d'éclaboussures, Lignes de processus chlorée,
  ou le drainage acide exige souvent des aciers inoxydables (par ex., 316, duplex) dont les films passifs dépassent les barrières enduites ou alliées de Di.
• Service à haute température (> 350 °C): Dans les composants de la turbine ou les collecteurs d'échappement,
  Superalliages à base de nickel ou aciers résistants à la chaleur (par ex., 17-4 PH) maintenir la force où la fonte ductile souffrirait de fluage.
• Ténacité maximale et soudabilité: Les poutres en acier de structure et les pipelines plaqués restent préférés lors de la forge, soudage, ou la formation de froid nécessite cohérente, performance documentable.

11. Conclusion

La fonte ductile se démarque comme un polyvalent, Matériau d'ingénierie rentable.

C'est graphite sphéroïdal La microstructure offre un mélange rare de haute résistance à la traction, ductilité substantielle, et Excellente vie de fatigue.

Les fabricants peuvent jeter des formes de quas, minimiser l'usinage ultérieur, et adapter les propriétés par traitement thermique, notamment sous la forme de fer ductile austère (Adi).

Malgré une modeste vulnérabilité de la corrosion, La recyclabilité du fer ductile, capacité d'amortissement,

et un large éventail de notes standardisées le rendent indispensable à travers l'automobile, pipeline, agricole, énergie, et marchés de consommation.

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FAQ

Ce qui distingue la fonte ductile de la fonte grise?

Fonte ductile (DEPUIS) contient sphéroïdal (nodulaire) graphite plutôt que le graphite de flocons trouvés dans le fer gris.

Ces nodules sphériques propagation des fissures émoussées, donnant une résistance à la traction significativement plus élevée (400–900 MPA) et allongement (3–18 %) par rapport aux 200 à 300 MPa de Grey Iron et < 2 % élongation.

Quelles considérations d'usinage s'appliquent au fer ductile?

Les machines en fonte ductile similaire à l'acier au carbone mais nécessitent outillage en carbure En raison de ses nodules à haute teneur en carbone.

Les vitesses de coupe recommandées vont de 150–250 m / i, avec des aliments de 0,1 à 0,3 mm / révérend.

Une utilisation appropriée du liquide de refroidissement empêche le bord construit. Les notes élevées ou ADI peuvent nécessiter des vitesses plus lentes ou des outils en céramique pour éviter une usure prématurée.

Comment le fer ductile se compare-t-il au coût des matériaux alternatifs?

• Fer ductile vs. Fer gris: Les matières premières en fonte ductile coûtent ~ 10–20 % plus haut.
  Cependant, L'épaisseur de paroi réduite et les indemnités d'usinage donnent souvent des coûts de pièce totale 20 à 30 % Applications plus faibles en force critique.
• Acier VS. Fer à fonte ductile: Les pièces moulées en fer ductile coûtent fréquemment 20–50 % Fonds en acier moins qu'équivalents ou composants lourds.
• Aluminium / bronze vs. Fer à fonte ductile: Le fer ductile est moins cher par kg que le bronze (2–3 × coût plus élevé) et, Bien que plus lourd que l'aluminium,
  offre une force bien plus grande, Vie de fatigue, et un coût de matériau inférieur lorsque le poids n'est pas la principale préoccupation.