Informations sur les essais
L'essai de dureté fonte désigne l'ensemble des mesures de résistance à la pénétration, à la rayure et à la déformation locale appliquées aux fontes, c'est-à-dire aux alliages fer-carbone contenant plus de 2,1 % de carbone, tels que la fonte grise à graphite lamellaire (GL), la fonte à graphite sphéroïdal (GS, également appelée fonte ductile), la fonte à graphite vermiculaire (GV), la fonte blanche, la fonte malléable et les fontes alliées au chrome ou au nickel. Ces matériaux sont omniprésents dans l'industrie : blocs et culasses de moteurs, disques et tambours de frein, cylindres de laminoirs, tuyaux et raccords de canalisation, boîtiers de réducteurs, plaques de machine-outil, contrepoids, grilled steps de trottoir, éléments d'usure pour carrières et industries minières, ainsi que de nombreuses pièces moulées pour les secteurs automobile, ferroviaire, agricole, du chauffage et de la construction mécanique.
La raison d'être de l'essai de dureté fonte réside dans la relation étroite entre la dureté et les propriétés fonctionnelles de la pièce : résistance à l'usure abrasive, aptitude à l'usinage, tenue en fatigue de contact, cohérence de la structure de solidification et de la microstructure obtenue après traitement thermique. Un contrôle de dureté permet de vérifier la conformité d'un lot de moulage par rapport à la nuance commandée, de détecter une dérive de composition chimique ou de vitesse de refroidissement, de contrôler l'efficacité d'une trempe ou d'un revenu, et de qualifier une couche superficielle durcie par induction ou nitruration. Les techniques mobilisées couvrent la dureté Brinell, méthode de référence pour les fontes en raison de sa charge élevée qui moyenne l'effet des particules de graphite, la dureté Vickers, adaptée aux phases individuelles comme la martensite ou les carbures, la dureté Rockwell (échelles B et C) pour les contrôles rapides en production, ainsi que la microdureté sur coupe métallographique pour cartographier les gradients de dureté en profondeur.
Le déroulement typique d'un essai commence par l'identification de la nuance et de la norme applicable, puis par la préparation de l'échantillon : décapage éventuel de la peau de moulage ou de la couche décarburée, meulage plan pour Brinell, ou enrobage, polissage et attaque pour les mesures métallographiques. Les paramètres cardinaux de l'essai comprennent le choix du pénétrateur (bille de carbure de tungstène de 10 mm, 5 mm ou 2,5 mm pour Brinell ; diamant à base pyramidale pour Vickers ; cône de diamant ou bille de 1,5875 mm pour Rockwell), la charge appliquée (par exemple 3 000 kgf, 1 500 kgf ou 750 kgf en Brinell, charges de 10 gf à 100 kgf en Vickers), la durée de maintien de la charge, généralement entre 10 et 30 secondes, le nombre et la répartition des empreintes, avec une distance minimale de trois diamètres d'empreinte entre points de mesure, et la conversion éventuelle des valeurs entre échelles ou vers une résistance à la traction estimée. Chacun de ces paramètres influence directement la répétabilité du résultat et la représentativité de la mesure vis-à-vis de la pièce réelle.
Il convient de souligner que la fonte est un matériau hétérogène par nature : le graphite, qu'il soit lamellaire, sphéroïdal ou vermiculaire, crée des discontinuités locales qui faussent les mesures de faible empreinte. C'est pourquoi la norme et la pratique métallurgique privilégient les charges élevées et les grandes empreintes pour les fontes brutes, et réservent les microduretés à l'étude des constituants de la matrice, ferrite, perlite, austénite résiduelle, martensite, carbures eutectiques ou composés intermétalliques. L'interprétation d'un résultat de dureté sur fonte exige donc toujours la connaissance du contexte : état brut de fonderie, état traité, présence d'une peau dure de fonderie ou d'une zone affectée par l'usinage.
FAQ
Quel est le délai d'exécution d'un essai de dureté fonte ?
Le délai habituel se situe entre 7 et 15 jours ouvrés à compter de la réception des échantillons et de la confirmation des points d'essai. Une mesure de dureté Brinell ou Rockwell simple sur quelques échantillons peut être restituée vers le bas de cette fourchette, tandis qu'une campagne incluant des profils de microdureté, des coupes métallographiques enrobées et des cartographies de gradients sur cylindres ou couches traitées demande davantage de temps de préparation et de mesure. Le délai exact est communiqué avec le devis en fonction du nombre d'échantillons, du nombre de points de mesure et de la nécessité ou non d'examens métallographiques complémentaires.
Comment est déterminé le coût d'un essai de dureté fonte ?
Le coût est déterminé principalement par le nombre d'éléments d'essai retenus : une simple détermination Brinell sur une pièce, un profil Vickers en profondeur sur coupe, une cartographie multi-points ou un couplage avec une analyse métallographique du graphite correspondent à des niveaux d'effort différents en préparation et en mesure. Le nombre d'échantillons, la nécessité d'un prélèvement par sciage ou carottage, et l'enrobage de coupes entrent également dans le calcul. Un chiffrage précis peut être obtenu auprès des ingénieurs d'essai en communiquant la nuance de fonte, la géométrie de la pièce, la norme ou la spécification interne applicable et le nombre de points de mesure souhaités.
Quels sont les éléments inclus dans un essai de dureté fonte et quelle quantité d'échantillon faut-il préparer ?
Les éléments inclus dépendent du type de fonte et des normes applicables : pour une fonte grise de fonderie, la dureté Brinell sur surface meulée constitue le socle, complétée si besoin par une mesure Rockwell ; pour une fonte ductile, la dureté Brinell est souvent associée à un contrôle de la structure du graphite par microdureté sur coupe ; pour une fonte trempée ou traitée en surface, le profil de dureté en profondeur et la profondeur de durcissement viennent s'ajouter. Quant à la quantité d'échantillon, une masse de 100 à 500 g est en général suffisante, soit une plaquette d'au moins 10 mm d'épaisseur pour le Brinell, une tranche de quelques millimètres pour une coupe métallographique, ou directement une petite pièce complète si sa taille le permet.
Pourquoi préférer la dureté Brinell à la dureté Rockwell pour une fonte grise ?
La fonte grise contient des lamelles de graphite qui forment des vides internes au sein de la matrice métallique. Avec un pénétrateur Rockwell, dont l'empreinte est de l'ordre du millimètre, une lamelle de graphite située sous le point de mesure fausse le résultat en abaissant artificiellement la dureté lue. La méthode Brinell, avec une bille de 10 mm et une charge de 3 000 kgf, produit une empreinte de plusieurs millimètres de diamètre qui moyenne l'effet du graphite sur un grand volume de matière ; la valeur obtenue est donc plus représentative de la nuance globale. Les échelles Vickers et Rockwell restent utiles pour les couches traitées et les phases individuelles, mais le Brinell demeure la référence pour caractériser la dureté d'un cœur de fonte grise brute de fonderie.
Portée des essais
La portée du service d'essai de dureté fonte recouvre l'ensemble des familles de fontes industrielles et de leurs états métallurgiques, détaillés ci-dessous.
- Fonte grise à graphite lamellaire de nuances FT D 150 à FT D 350, utilisée pour les carcasses, les plateaux et les tambours de frein.
- Fonte à graphite sphéroïdal (fonte ductile) de nuances FT D 400-12 à FT D 900-2, employée pour les arbres à cames, les vilebrequins et les pièces de suspension.
- Fonte à graphite vermiculaire (fonte compactée) pour les culasses de moteurs thermiques soumis à des contraintes thermomécaniques élevées.
- Fonte blune à cémentite, d'une dureté élevée, pour les billes de broyage, les blindages de broyeurs et les revêtements anti-usure.
- Fonte malléable à cœur noir (FT M) et à cœur blanc pour les raccords de tuyauterie filetés et les ferrures de carrosserie.
- Fonte alliée au chrome de haute teneur (11 à 28 % Cr) pour les pièces de concassage et les cylindres de broyage.
- Fonte au nickel-chrome (fontes Ni-Hard de types 1 à 4) pour les revêtements de pompes et les roues de broyeurs à charbon.
- Fonte austénitique au nickel (fontes Ni-Resist) pour les compresseurs et les pièces soumises à la corrosion.
- Fonte à matrice ferritique, contrôlée pour les tuyauteries de distribution d'eau en fonte ductile.
- Fonte à matrice perlitique pour les applications exigeant une résistance à l'usure et une dureté Brinell cible.
- Fonte à matrice martensitique, obtenue par trempe, pour les cylindres de laminoirs à froid.
- Fonte à matrice austénitique-bainitique (fonte ADI, austempered ductile iron) pour les engrenages et les pattes d'attelage.
- Fonte inoxydable au chrome pour les composants de robinetterie et d'agroalimentaire.
- Fonte à graphite sphéroïdal siliciée pour les collecteurs d'échappement et les turbos.
- Cylindres de laminoirs en fonte à graphite lamellaire, vermiculaire ou à carbures, mesurés sur la couche de travail.
- Disques de frein automobile en fonte grise à graphite type A, contrôle de dureté en plusieurs points de la piste de frottement.
- Tuyaux en fonte ductile à revêtement métallique zinc-aluminium, contrôle de la dureté du métal de base.
- Platines et tables de machine-outil en fonte grise stabilisée, vérification de dureté après traitement de relaxation.
- Pièces moulées en coquille ou sous pression en fonte, contrôle de la couche superficielle refroidie rapidement.
- Fonte remise en solution ou soudée, avec mesure du gradient de dureté traversant la zone fondue et la zone affectée thermiquement.
- Fonte à graphite sphéroïdal traitée en surface par induction haute fréquence, cartographie de la profondeur de trempe.
- Fonte nitrurée ou carbonitrurée, mesure de la dureté de la couche de combinaison et de diffusion.
- Fonte chromée dur, évaluation de l'adhérence et de la dureté du dépôt électrolytique.
- Pièces de fonte usagées ou reconditionnées, contrôle de dureté pour évaluer l'adoucissement ou le durcissement en service.
- Échantillons coulés en éprouvette séparée (keel block, éprouvette en Y) selon la pratique de fonderie pour la qualification de lot.
- Fonte recyclée ou rechargée par projection ou soudage, contrôle de dureté du dépôt et de l'interface.
Éléments d'essai
- Dureté Brinell HBW 10/3000 : mesure de référence sur fonte grise, elle lisse l'effet du graphite grâce à une empreinte large d'environ 4 mm de diamètre.
- Dureté Brinell HBW 5/750 : échelle intermédiaire adaptée aux pièces de faible épaisseur ou aux zones restreintes accessibles.
- Dureté Brinell HBW 2,5/187,5 : échelle réduite pour les échantillons fins ou les éprouvettes prélevées par copeautage.
- Dureté Rockwell B : contrôle rapide des fontes à matrice ferrito-perlitique tendre sur surfaces préparées.
- Dureté Rockwell C : évaluation des fontes trempées, des couches durcies par induction et des fontes blanches à carbures.
- Dureté Vickers HV 10 : mesure intermédiaire pour comparer une fonte à des données d'acier équivalentes en résistance.
- Dureté Vickers HV 5 : mesure ponctuelle sur zones locales, bords de pièce ou cordons de soudure sur fonte.
- Microdureté Vickers HV 0,1 à HV 1 : détermination de la dureté de chaque constituant de la matrice, ferrite, perlite, martensite, austénite.
- Microdureté des carbures eutectiques : vérification de la dureté des carbures M7C3 dans les fontes au chrome, souvent supérieure à 1 400 HV.
- Dureté de la peau de fonderie : quantification de la couche à graphite fin ou décarburée formée au contact du moule.
- Gradient de dureté en profondeur : profil HV tous les 0,1 mm pour mesurer la profondeur utile d'une couche trempée par induction.
- Profondeur de durcissement : distance entre la surface et le point où la dureté retombe à une valeur seuil définie par la spécification.
- Homogénéité de dureté : dispersion des mesures sur une grille de points répartis sur la pièce fonctionnelle ou l'éprouvette.
- Dureté après revenu : contrôle de la chute de dureté liée à la décomposition de la martensite lors du revenu.
- Dureté de la zone affectée thermiquement : détection des zones durcies fragiles formées lors d'un soudage ou d'un rechargement sur fonte.
- Dureté de la zone fondue : vérification de la dureté du métal d'apport et de sa compatibilité avec le métal de base en fonte.
- Dureté des dépôts de surface : évaluation des couches de chromage dur, de nitruration ou de projection thermique appliquées sur support en fonte.
- Conversion dureté-résistance à la traction : estimation de Rm à partir de la dureté pour les nuances de fonte grise et ductile, avec indication de l'incertitude propre aux relations empiriques.
- Corrélation dureté-usure : association des valeurs de dureté avec des essais d'usure abrasive ou adhesive pour valider un choix de nuance.
- Anisotropie de dureté : comparaison des mesures selon les directions de solidification et de refroidissement de la pièce moulée.
- Dureté après vieillissement thermique : suivi de l'évolution de dureté des fontes stabilisées ou exploitées à chaud, par exemple les carriers de frein.
- Dureté à chaud : mesure de la conservation de dureté des fontes alliées destinées aux moules de fonderie et aux outils de verrerie.
- Fragilité associée à la dureté : examen métallographique conjoint pour relier une dureté élevée à une présence de carbures libres ou d'arêtes de graphite néfastes à l'usinage.
Instruments d'essai
- Duromètre Brinell de banc à charge fermée, équipé d'un pénétrateur bille de carbure de tungstène de 10 mm et d'une table à vis pour le positionnement des pièces lourdes.
- Duromètre Rockwell de bureau à échelles B et C, avec cône diamant et billes de 1,5875 mm, utilisé pour les contrôles sériels rapides.
- Duromètre Vickers à charge automatique et turret de changement d'objectif, pour les mesures HV 1 à HV 50 sur pièces massives.
- Microdurimètre Vickers à tête microscope inversée et platine motorisée, pour les empreintes de HV 0,05 à HV 1 sur coupes enrobées.
- Duromètre universel combinant Brinell, Vickers et Rockwell sur une même charge fermée, avec sélection du cycle par logiciel.
- Duromètre portable à rebond de type D, employé sur site pour les carcasses de machines et les composants installés.
- Duromètre portable à ultrasons UCI, adapté aux surfaces courbes et aux zones d'accès restreint des pièces moulées.
- Métallographe optique à lumière réfléchie, utilisé pour le mesurage des diagonales d'empreintes et l'examen du graphite.
- Logiciel d'analyse d'image couplé au microscope, pour la mesure automatique des diagonales et le tracé des cartes de dureté.
- Polisseuse métallographique à plateaux tournants avec doseur de suspension de diamant, pour la préparation des coupes.
- Presse d'enrobage à chaud avec résine bakélite, pour la tenue des échantillons fragiles de fonte blanche lors du polissage.
- Scie métallographique à refroidissement par lubrifiant, pour le prélèvement de coupes sans échauffement du matériau.
- Blocs de référence de dureté tracés sur les échelles HBW, HRC et HV, employés pour la vérification périodique des duromètres.
- Micromètre et comparateur d'affichage numérique, pour le mesurage des diamètres d'empreintes Brinell en complément du microscope.
- Étuve de stabilisation thermique, utilisée pour amener les échantillons à température ambiante normalisée avant mesure.
Résumé
L'essai de dureté fonte couvre les mesures Brinell, Rockwell, Vickers et de microduret appliquées aux fontes grises, ductiles, vermiculaires, blanches, malléables et alliées, y compris les couches trempées, nitrurées, soudées ou rechargées. Le service s'étend du contrôle simple d'une pièce à la cartographie complète des gradients de dureté sur coupe métallographique. Le délai d'exécution se situe entre 7 et 15 jours ouvrés selon le nombre d'éléments retenus et la nature des échantillons, et un chiffrage est établi sur demande à partir des points d'essai définis avec le client.