Le choix entre fonte et acier pour un engrenage n'est pas simplement une question de résistance — c'est un compromis entre capacité de charge, bruit, coût, usinabilité et environnement de fonctionnement. Les engrenages en fonte sont utilisés depuis plus d'un siècle dans tout, des machines-outils aux équipements agricoles, et les engrenages en acier dominent les applications haute performance et forte charge. Comprendre où chaque matériau excelle — et où il n'excelle pas — évite à la fois la surconception et la sous-spécification.
La fonte grise est le matériau traditionnel pour les charges légères à moyennes. Ses flocons de graphite lui confèrent une excellente capacité d'amortissement, ce qui rend les engrenages en fonte sensiblement plus silencieux que les engrenages en acier dans la même application. La fonte grise est également facile à usiner, auto-lubrifiante dans une certaine mesure car le graphite agit comme lubrifiant sec, et peu chère tant en matière première qu'en coût de fonderie. La limite est la résistance : la fonte grise a une résistance à la traction d'environ 150–300 MPa et elle est cassante, donc elle ne tolère pas les charges de choc ou les contraintes de flexion qu'un engrenage en acier absorberait sans dommage. C'est le bon choix pour les entraînements de convoyeur, les boîtes de vitesses de machines-outils et les applications similaires à charge stable où le bruit compte et le couple de crête est modéré.
La fonte ductile (nodulaire) se situe entre la fonte grise et l'acier. Le graphite est sous forme sphérique plutôt que de flocons, ce qui donne à la fonte ductile une résistance à la traction de 400–900 MPa et une bien meilleure résistance aux chocs que la fonte grise, tout en conservant la plupart des avantages d'amortissement et d'usinabilité de la fonte. Par exemple, la fonte ductile nuance 65-45-12 peut être utilisée pour des engrenages qui auraient auparavant nécessité de l'acier, à un coût inférieur et avec un meilleur comportement acoustique. La fonte ductile peut également être durcie en surface par induction ou à la flamme pour améliorer la résistance à l'usure, bien que la dureté atteignable soit inférieure à celle de l'acier trempé ou cémenté. Elle devient de plus en plus le choix par défaut pour les engrenages industriels de service moyen où le coût de l'acier est difficile à justifier.
Les engrenages en acier sont la réponse lorsque la capacité de charge, la résistance aux chocs ou la durabilité sont prioritaires. Les aciers au carbone et alliés tels que 45#, 40Cr, 20CrMnTi et 42CrMo offrent des résistances à la traction de 600 MPa à plus de 1 200 MPa après traitement thermique, et ils peuvent être trempés à cœur, cémentés ou durcis par induction pour produire des flancs de 58–62 HRC avec une âme tenace et résistante aux chocs. L'acier est le seul choix pratique pour les réducteurs à grande vitesse, les équipements miniers, les entraînements de grue et toute application où l'engrenage doit survivre à des surcharges occasionnelles sans rupture de dent. Les compromis sont un coût de matière et d'usinage plus élevé, et le fait que les engrenages en acier sont plus bruyants que les engrenages en fonte équivalents, à moins que le profil de dent ne soit rectifié ou rodé à une classe de précision élevée.
Le traitement thermique est là où les deux familles de matériaux divergent le plus. Les engrenages en fonte sont généralement utilisés à l'état brut de fonderie ou avec un recuit de détente ; le durcissement superficiel est possible mais limité en profondeur et en dureté. Les engrenages en acier, en revanche, sont presque toujours traités thermiquement — trempe à cœur à 280–320 HB pour les engrenages d'usage général, ou cémentation et trempe à 58–62 HRC pour les engrenages haute performance. La couche cémentée fournit un flanc dur et résistant à l'usure tandis que l'âme reste tenace, la combinaison idéale pour les engrenages qui voient à la fois une forte contrainte de contact et des charges de choc. Une erreur courante est de spécifier un engrenage en acier cémenté pour une application à faible charge et faible vitesse — le coût supplémentaire n'apporte aucun avantage fonctionnel, et un engrenage en fonte ductile aurait fonctionné aussi bien à un prix inférieur.
Dans notre usine, nous usinons des engrenages en fonte grise, fonte ductile et toute une gamme d'aciers au carbone et alliés, avec traitement thermique et essai de dureté internes. Envoyez-nous votre couple, vitesse, profil de charge de choc et exigences de bruit, et nous recommanderons le matériau et le traitement thermique qui répondent à la spécification au moindre coût — plutôt que de choisir l'acier par défaut pour chaque engrenage.