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"PERFECTIONNEMENTS A LA METHODE DE FABRICATION DE LA FONTE DE FER ET D'ARTICLES EN CETTE FONTE"
La présente invention se rapporte à la fabrication d'ar- ticles en fonte de fer, spécialement en fonte moulée dans le sable, et elle a pour objet principal l'obtention d'une nou- velle fonte et.la prévision d'une nouvelle méthode perfection- née pour la fabrication de celle-ci, comprenant la préparation d'une fonte d'analyse prédéterminée et un traitement de cette fonte en vue d'obtenir un produit ayant des propriétés physi
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siques particulièrement avantageuses, qu'on jugeait jusqu'à présent impossibles à obtenir avec la fonte de fer,
Jusqu'à présent, les produits résultant de la coulée étaient la fonte grise, la fonte truitée, la fonte blanche, suivant l'analyse de la matière initiale,
le procédé de fusion et la vitesse de refroidissement. Les plus importantes de ces fontes sont la fonte grise et la fonte blanche..La fonte grise se caractérisé par la présence de carbone distribué dans la structure métallographique sous forme de flocons ou fibres de graphite, tandis que dans le cas de la fonte blanche, le carbo- ne se présente sous forme combinée, c'est-à-dire sous forme de carbure de fer, et d'une solution solide de fer et de carbure de fer.
La fonte blanche est extrêmement dure et très cassante et, par suite de la difficulté de mécanisage selon les procédés habituels, son utilisation est très limitée. Toutefois, des quantités considérables de fonte blanche sont employées à la fabrication des fontes malléables, lesquelles sont douces et ductiles et relativement peu résistantes par rapport à l'acier.
Il est bien connu que la fonte grise, quoique très utili- sée dans l'industrie, présente une résistance relativement faible à la traction et que, malgré la grande analogie entre la structure de cette fonte grise et celle de l'acier, il n'est pas possible d'améliorer les propriétés physiques de la dite fonte grise en la traitant suivant les procédés habituels de durcissement et de trempe, qui sont employés avec succès dans le traitement de l'acier. Ceci provient principalement de la présence de flocons et fibres graphitiques qui constituent toujours des plans de faible résistance. Toutefois, il est possible d'améliorer les propriétés physiques de la susdite fonte grise'par des traitements spéciaux.
Pour autant qu'on
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le sache, les seules méthodes commercialement utilisées jus- qu'à ce jour, particulièrement dans la production de la fonte moulée dans le sable, étaient la méthode de surchauffe et celle de chauffage du moule. Dans la surchauffe, la fonte est chauffée considérablement au.-dessus des températures employées habituellement dans le four, dans le but d'augmenter la solu- bilité pour le carbone, et comme résultat d'un tel accroisse- ment de solubilité, le produit final contient moins de carbone libre sous forme de flocons et de fibres graphitiques, que la fonte grise ordinaire.
Quoique la méthode de surchauffe permet- te d'obtenir une meilleure fonte, cette méthode présente quand même les inconvénients que le produit contient encore des flo- cons et fibres graphitiques en quantité suffisante pour dimi- nuer la résistance,et que les températures plus élevées de travail augmentent le coût de la fabrication par suite de l'augmentation du coût de la fusion.
La deuxième méthode, cèst-à-dire celle de chauffage du moule, consiste à chauffer les moules avant d'y verser le métal en fusion, et à employer une fonte d'une analyse telle qu'elle donnerait lieu à la fonte blanche si elle était cou- lée dans des moules non chauffés. Le chauffage préalable des moules assure un: refroidissement lent, empêche la formation de fonte blanche, même si l'analyse correspond à celle qui donnerait habituellement de la fonte blanche, et produit une fonte ayant une structure perlitique avec du carbone libre qui se présente dans cette structure sous forme de flocons de graphite.
Cette méthode offre l'inconvénient déjà mentionné ci-dessus concernant la formation de flocons et fibres gra- phitiques et présente en outre le désavantage de l'augmenta- tion du coût de fabrication et de la difficulté de manipula- tion des moules chauffés.
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La présente invention vise à fabriquer comme produit final, une fonte sans flocons ,ni fibres graphitiques, et dans laquelle le carbone libre se présente sous forme de carbone de trempe, tandis que le carbone restant se présente sous une forme correspondante à celle qu'on rencontre dans les variante perlite , sorbite, troostite ou martensite, suivant les usages auxquels la. fonte est destinée. En résumé, l'invention est basée sur l'analyse déterminée d'avance de la fonte, dont les constituants tombent dans des limites bien définies et, en combinaison avec cette analyse, sur un traitement thermique de la fonte après la coulée de manière à régler la décomposition du carbone y contenu.
La méthode qui se trouve dans la suite décrite d'une manière plus détaillée, convient particulièrement pour la coulée dans des moules de sable, quoique l'application. de l'invention ne soit pas limitée à un type particulier quel- conque de moules.
Il a été constaté qu'une fonte, dont les constituants tombent dans les limites suivantes et qui est soumise au trai- tement thermique décrit dans la suite, présentera les très avantageuses propriétés physiques que l'invention vise à ob- tenir :
Carbone de 1,90 à 2,30%
Manganèse de 0,20 à 0,65% Silicium de 1,50 à 2,20%
Phosphore moins de 0,12% et
Soufre moins de 0,12%
Une fonte ayant l'analyse suivante et préparée suivant l'invention,a été utilisée avec grand succès :
Carbone 2,08%
Manganèse 0,21%
Silicium 1,85%
Phosphore 0,05% et
Soufre 0,06%.
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Du métal en fusion, ayant la composition indiquée ci- dessus, est coulé, de préférence dans des moules de sable, en vue d'obtenir une ou plusieurs pièces de forme et de gran- deur déterminées d'avance. Grâce à cette analyse, la pièce est constituée principalement de fonte blanche. Après refroi- dissement, la pièce est réchauffée jusqu'au-dessus de la tem- pérature critique, par exemple, jusque 1700 F, et soumise ensuite à différents types de traitements de refroidissement, suivant la structure qu'on désire obtenir, tel qu'il a été indiqué ci-dessus. Ce traitement donne une solution solide, eutectique ou intermédiaire, dont la structure montre le car- bone libre sous forme de carbone de trempe. La durée du trai- tement thermique dépend de la section transversale de la pièce.
Pour des pièces en fonte d'une épaisseur ne dépassant pas un demi-pouce, un traitement thermique, à la température maximum, d'une durée d'une heure et demie est suffisant.
Dans certains cas, on chauffe de nouveau les pièces à une température légèrement inférieure à la température critique, et on les laisse se refroidir à l'air libre, afin d'obtenir une structure comportant principalement de la perlite (et sorbite) dans laquelle sont noyées des particules libres de carbone de trempe.
Il a été constaté que dans le produit obtenu selon la méthode décrite ci-dessus (c'est-à-dire avec une fonte conte- nant approximativement 2% de carbone), approximativement 1% de carbone se présente sous forme de carbone combiné, c'est-à-dire carbure de fer en solution solide dans la structure, et ap- proximativement 1% sous forme de carbone de trempe libre, dis- tribué dans la structure. Ce produit possède des propriétés physiques particulièrement avantageuses, et résiste à un effort de traction dépassant 90. 000 livres; la dureté du produit est facilement réglable.
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Toutefois, il est bien entendu que la proportion de carbone sous forme de carbone de trempe, et de carbone en solution sous forme de carbure de fer, variera suivant l'ana- lyse de la charge. Il est également bien entendu que cette analyse, aussi bien que le mode de traitement thermique peu- vent être modifiés par rapport à l'exemple particulier décrit ci-dessus, et que les revendications qui suivent sont censées couvrir ces changements et modifications auxquels on peut avoir recours sans se départir des principes de base de la présente invention.
REVENDICATIONS.
1 - La méthode de fabrication de fonte de fer, consistant à préparer une charge de métal en fusion dans laquelle les constituants se trouvent dans les limites suivantes :
Carbone de 1.90 à 2,30%
Manganèse de 0,20 à 0,65%
Silicium de 1,50 à 2,20%
Phosphore èn-dessous de 0,12% et
Soufre en-dessous de 0,12%, à couler le métal en fusion dans un moule afin d'obtenir une pièce de forme déterminée et, après refroidissement de la pièce, à réchauffer celle-ci jusqu'au-dessus de la température critique pendant un temps dont la durée dépend de la section transversale de la pièce.
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"IMPROVEMENTS IN THE METHOD OF MANUFACTURING CAST IRON AND ARTICLES THEREOF"
The present invention relates to the manufacture of articles of cast iron, especially cast iron cast in sand, and its main object is to obtain a new cast iron and provide a new one. improved method of making the same, comprising preparing a predetermined analytical melt and processing this melt to obtain a product having physiological properties
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particularly advantageous sics, which until now were considered impossible to obtain with iron casting,
Until now, the products resulting from the casting have been gray iron, truit iron, white iron, depending on the analysis of the initial material,
the melting process and the cooling rate. The most important of these cast iron are gray cast iron and white cast iron. Gray cast iron is characterized by the presence of carbon distributed in the metallographic structure in the form of flakes or graphite fibers, while in the case of white cast iron, the carbon is in the combined form, that is to say in the form of iron carbide, and a solid solution of iron and iron carbide.
White cast iron is extremely hard and very brittle and, owing to the difficulty of mechanizing by the usual methods, its use is very limited. However, considerable amounts of white iron are used in the manufacture of malleable cast irons, which are soft and ductile and relatively weak compared to steel.
It is well known that gray iron, although widely used in industry, has a relatively low tensile strength and that, despite the great analogy between the structure of this gray iron and that of steel, it does not It is not possible to improve the physical properties of said gray iron by processing it by the usual hardening and quenching methods, which are successfully employed in the processing of steel. This is mainly due to the presence of flakes and graphitic fibers which always constitute low resistance planes. However, it is possible to improve the physical properties of the aforesaid gray iron by special treatments.
As long as we
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As far as I know, the only methods commercially used to date, particularly in the production of sand cast iron, have been the superheat method and the mold heating method. In the superheat, the iron is heated considerably above the temperatures usually employed in the furnace, in order to increase the solubility for the carbon, and as a result of such increased solubility the product. final contains less free carbon in the form of flakes and graphite fibers, than ordinary gray iron.
Although the superheating method allows a better melt to be obtained, this method still has the drawbacks that the product still contains flocks and graphitic fibers in sufficient quantity to reduce the resistance, and that the higher temperatures labor increases the cost of manufacture as a result of the increased cost of melting.
The second method, that is to say that of heating the mold, consists in heating the molds before pouring the molten metal into them, and in using a cast iron of such an analysis as to give rise to the white cast iron if it was poured into unheated molds. Preheating the molds ensures slow cooling, prevents the formation of white cast iron, even if the analysis corresponds to that which would usually give white cast iron, and produces a cast iron having a pearlitic structure with free carbon present in this structure in the form of graphite flakes.
This method has the disadvantage already mentioned above concerning the formation of flakes and graphitic fibers and also has the disadvantage of the increase in the cost of manufacture and of the difficulty in handling the heated molds.
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The present invention aims to manufacture, as a final product, a cast iron without flakes or graphitic fibers, and in which the free carbon is in the form of quench carbon, while the remaining carbon is in a form corresponding to that which is present. meets in the variant perlite, sorbite, troostite or martensite, according to the uses to which the. cast is intended. In summary, the invention is based on the predetermined analysis of the cast iron, the constituents of which fall within well-defined limits and, in combination with this analysis, on a heat treatment of the cast iron after casting so as to regulate the decomposition of the carbon contained therein.
The method which is hereinafter described in more detail is particularly suitable for casting in sand molds, although the application. of the invention is not limited to any particular type of mold.
It has been observed that a cast iron, the constituents of which fall within the following limits and which is subjected to the heat treatment described below, will exhibit the very advantageous physical properties which the invention aims to obtain:
Carbon from 1.90 to 2.30%
Manganese from 0.20 to 0.65% Silicon from 1.50 to 2.20%
Phosphorus less than 0.12% and
Sulfur less than 0.12%
A font having the following analysis and prepared according to the invention has been used with great success:
Carbon 2.08%
Manganese 0.21%
Silicon 1.85%
Phosphorus 0.05% and
Sulfur 0.06%.
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Molten metal, having the composition indicated above, is poured, preferably in sand molds, in order to obtain one or more pieces of predetermined shape and size. Thanks to this analysis, the part consists mainly of white cast iron. After cooling, the part is reheated to above the critical temperature, for example, up to 1700 F, and then subjected to different types of cooling treatments, depending on the structure desired, such as 'it has been indicated above. This treatment gives a solid, eutectic or intermediate solution, the structure of which shows the free carbon in the form of quench carbon. The duration of the heat treatment depends on the cross section of the part.
For cast iron parts not more than half an inch thick, heat treatment at maximum temperature for one and a half hours is sufficient.
In some cases, the parts are heated again to a temperature slightly below the critical temperature, and they are allowed to cool in the open air, in order to obtain a structure comprising mainly perlite (and sorbite) in which are embedded free particles of quenching carbon.
It has been found that in the product obtained according to the method described above (i.e. with a melt containing approximately 2% carbon), approximately 1% carbon is in the form of combined carbon, that is, iron carbide in solid solution in the structure, and approximately 1% as free quench carbon, distributed in the structure. This product has particularly advantageous physical properties, and withstands a tensile force exceeding 90,000 pounds; the hardness of the product is easily adjustable.
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However, it will be understood that the proportion of carbon in the form of quench carbon, and of carbon in solution in the form of iron carbide, will vary depending on the analysis of the feed. It is also of course understood that this analysis, as well as the mode of heat treatment, may be varied from the particular example described above, and that the claims which follow are intended to cover such changes and modifications as may be expected. have recourse without departing from the basic principles of the present invention.
CLAIMS.
1 - The method of manufacturing cast iron, consisting in preparing a charge of molten metal in which the constituents are within the following limits:
Carbon from 1.90 to 2.30%
Manganese from 0.20 to 0.65%
Silicon from 1.50 to 2.20%
Phosphorus below 0.12% and
Sulfur below 0.12%, to pour the molten metal into a mold in order to obtain a part of determined shape and, after cooling of the part, to heat it up to above the critical temperature for a time the duration of which depends on the cross section of the part.
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