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"Perfectionnements aux procédés de fabrication de la fonte blanche ayant subi des traitements thermi- ques et produit obtenu"
La présente invention est relative au traitement thermique de la fonte blanche ; elle se rapporte plus particulièrement au traitement thermi- que de pièces moulées en fonte blanche dont la compo- sition chimique est modifiée, ce traitement visant la production d'articles possédant des propriétés physiques améliorées. L'invention a également pour objet les articles produits par les procédés en ques
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tion.
Le terme 'fonte blanche' se rapporte à un métal ferreux contenant des quantités appréciables de carbone et de silicium, ces éléments existant en des proportions telles que le métal obtenu ce puisse pas être classé comme acier, En outre, la teneur en carbone ou la proportion de carbone et de silicium sont telles que la séparation du carbone,. au cours du refroidissement de la fonte,, soit évitée, ce qui distingue le produit obtenu de la fonte grise.
Bien que le produit en question, tel qu'il est obtenu primitivement. ne soit ni ductile ni malléable, il peut être soumis à un traitement thermique destiné à lui donner une certaine ductilité et une certaine résistance.
Jusqu'ici l'expérience avait conduit à un traitement thermique consistant à soumettre les pièces moulées à une température relativement élevée. puis à un refroidissement lent pendant une période vêtez allant de 6 à la jours, dans le but d'obtenir ce qu'on appelait la fonte malléable à coeur noir, fonte qui était caractérisée par l'aspect noir de sa cassure et par la présence, sur ses surfaces., d'une pellicule de métal de couleur blanche. Au point de vue métallurgique, On considérait que cette matière était constituée par une composition de fer pur ou ferrite contenant du carbone libre, avec une pur ou loppe extérieure décarbonisée à partir de laquelle une partie du carbone ou tout le carbone avait été éliminé par combustion.
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On conne t également um autre espèce de font e mall éatle, telle que par exemple la fonte à coeur blanc qui est obtenue par un traitement de la pièce moulée (habiPII,el1ement à section mince) tel .Y,, ", section MI=Q) tel
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que le métal soit décarbonisé dans toute sa .sse.
Dans le développement de la pratique, en fonderie, pour la fabrication des pièces moulées en fonte bl anche pouvant être traitées au point de vue thermique par les procédés utilisés jusqu'alors, on s'était efforcé d'obtenirdes pièces moulées contenant 1.90 à 3 % environ de carbone. 1,30à 0,60 % de silicium, environ 0.16% de phosphore, moins de 0.10% de soufre (si la fonte a été pré- parée dans un four à air) ou un peu plus de soufre (si la fonte provient du cubilot) et une teneur en manganèse égale à un peu plus de dieux fois la te-
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- -2S fP,'t 5) neur en soufrf1'; bien que, dans la Pratique, or::,it bàinl /(Mn -28 ru au9si le. teneur en manganèse à un chiffre très 15 bas, par exemple â, t?,3 ou 0,4 %.
Conforménent à l'invention,, on cherche à obtenir un prôduit de meilleure qualité qui,, bien qu'il soit obtenu par les traitements thermiques de la fonte blanche sans enlèvement appréciable de car- 20 bone ou décarboniaation, .te puisse 3"tre confondu avec ce qu'on appelait .jusqu'ici la fonte malléa- ble, Le procédé de traitement, la composition de la fonte et le produit firent obtenu se cliatirguent des procédés de traitement; de la composition de iet 25 la fonte/du produit final dans la fabrication de la fonte malléable. lia ente blanche ou alliage à forte teneur en carbone ayant subi un traitement ther- mique ge tMtçmM X2rèMoqM et .fabriquée confor- mément à l'invention peut polder des résistances 30 à la traction supérieures à 7,(?(F kg par centimètre carré ainsi que des allongements appréciables.
On peut égaement,', réaliser des produits ayant une
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résistance à la traction inférieure à celle qui vient d'être indiquée, mais ayant une ductilité plus grande.
Dans tous les cas, tous ces produits peuvent être obtenus dans un temps relativement court. Les pro- priétés physiques précitées peuvent être données au choix au produit final; pour cela on fait varier la nature du traitement thermique ou la teneur en manganèse: dans ce dernier cas on doit noter qu'une autre quantité est à considérer, la valeur de la te- neur en manganèse diminuéede deux fois la teneur en soufre, cette quantité devant être comprise entre 0,40 et 1% pour les produits commerciaux ordinaires.
Dans ces alliages, on peut également observer, d'une façon générale,, une structure sphéroîdale
En général, on réalise ces divers allia- ges en préparant un bain; @ de fer, de carbone, de /et de phosphore silicium, xxxxxxxxxx xx de soufre/dans lespropor. tions jusqu'ici admises en fonderie ; on ajoute de préférence suffisamment de manganèse (sous forme de ferro-manganèse ou de fonte brute à haute teneur en manganèse), afin que le métal fondu ait une teneur élevée en manganèse.
On utilisera en général, dans le métal fondu,, de 0,60 à 1,50% de manganèse, bien que des quantités légèrement plus élevées puissent être employées si on le désire, la quantité dépen- dant, dans une certaine mesure, des pourcentages des autres matières, du temps et de la température du traitement thermique,. etc...
Le traitemeit thermique lui-même consiste essentiellement à soumettre les pièces moulées à une température supérieure à la température çriti- que et pendant un temps suffisant pour qu'il se
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produise um réaction primaire de décomposition de la cémentite libre, dans la fonte blanche; cette réac- tion tend à atteindre un équilibre et les pièces mou- lées dans cette phase peuvent être refroidies et em- ployées pour certains usages. Il est avantageux cependant de soumettre les pièces de fonte à un traitement thermique ultérieur et à une température ou à des températures voisines du point critique ou inférieures à celui-ci.
Lorsqu'on se trouve en présence d'une matière de retardement. par exemple en présence d'un excès de manganèse} il se produit une nouvelle série de réactions,; quelques unes chimiques et d'autres physiques. Les réactions physiques se produisent beaucoup plus rapidement dans ces alliages que les réactions chimiques; par conséquent les pièces de fonte peuvent être sou- mises pendant un temps déterminé à des températures provoquant ces réactions physiques et chimiques et elles peuvent être ensuite refroidies et utili- sées. En l'absence du produit de retardement pour les réactions chimiques, il est très difficile, dans certains cas, d'effectuer une modification déterminée au point de vue physique, au-dessous de la tempéra- ture critique, sans qu'il se produise en même temps des modifications au point de vue chimique.
Si l'on a ajouté du manganèse comme produit de retardement pour les réactions chimiques les modifications physiques peuvent se produire sans qu'il y ait chan. gement au point de vue chimique;; à des températures plus basses et dans des temps raisonnables, ce qui permet de réduire le coût de la fabrication; si on le désire, le traitement thermique entre les secon-
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des limites de température basses peut être prolon- gée de façon que des modifications chimiques appré- ciables puissent se produire en même temps que des modifications physiques.
La demanderesse a constaté que ces modifications chimiques peuvent se produire au-delà d'une période minima de cinq jours et que les réactions se produisent à une vitesse permettant le contrôle, de sorte qu'une réaction physique partielle, ou une réaction chimique ou bien une réaction totale au point de vue physique et partielle au point de vue chimique peuvent être réalisées. La demanderesse a également constaté que la réaction s'arrêtait lors. que la pièce de fonte était soumise à une modifica- tion destinée à lui donner les propriétés voulues.
Pour le traitement thermique, on doit utiliser un four pouvant être fermé et être rendu étanche à l'air ce four étant chauffé électriquement.
Dans un tel four. les pièces de fonte ne sont pas décarbonisées d ;une façon marquée et le métal n'est pas oxydé.
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20 Après que les pièces moulées convenables en fonte blanche ont été préparées,, on commence le traitement thermique de ces pièces, ledit traitement consistant tout d'abord à soumettre celles-ci à une température supérieure à l'intervalle destenpératures ,5 critiques, dans le but de décomposer lacémentite Ou carbure de fer libre, En pratic a, on peut obtenir ces résultats en chauffant les pièces de fonte à une température supérieure à 915 , température qui peut 3'tre mesurée au moyen des pyromètres du four. Une trop 30 car 1 rapide de la chaleur n'est pas désirable.
" car le carbone tend a se séparer en un grand nombre de noyaux tandis que si la chaleur est appliquée plus
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lentement, par exemple sur une période de 12 à 15 heures; le carbone rendra à se déplacer vers les noyaux précédemment formés, ce qui aura pour effet de réduire le nombre total de noyaux de carbone et d'améliorer les propriétés recherchées dans le produit final. Des températures comprises entre les limites supérieures de l'intervalle des températures criti- ques et légèrement inférieures à celles qui corres- pondent à un commencement de fusion peuvent être uti- lisées;' la température particulière indiquée ci-des- ,que étant la température convenable à laquelle de bons résultats ont été obtenus.
Pour les pièces de fonte contenant le pourcentage usuel de carbone et de silicium et les quantités de manganèse qui sont indi- quées ci-dessus; la température de 915 devra être maintenue de 18 à 36 beures environ. l'objectif étant d'atteindre l'équilibre ou l'achèvement de la réaction de décomposition de la cémentite libre.
Lorsque le traitement thermique à haute température est terminé, la, charge est enlevée du four et sa température est réduite à une allure telle,, par exemple, que ladite charge atteigne la température du rouge sombre ou du rouge cerise en 85 minutes environ. La demanderesse a constaté que la vitesse du refroidissement influe sur les caractéristiques du produit final Si par exemple on effectue un re- froidissement extrêmement rapide, par exemple au moyen d'une trempe à l'huile, on obtient des résultats sa- tisfaisants. Si on effectue une trempe à l'air, telle que celle qui est indiquée dans l'exemple pratique qui sera donné ci-dessous, on obtient également des résultats satisfaisants.
Dans le premier cast le re- froidissement est effectué si rapidement qu'aucune
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quantité de cémentite ou de carbone combiné ne peut être séparée; cette séparation tend bien à se produire mais le refroidissement est si rapide que ladite sé- paration est empêchée. Dans le second cas, la cémenti- te peut se séparer mais elle se sépare sous une forme telle qu'elle peut être soumise à un traitement se- condaire satisfaisant.
En dehors de ces deux cas) lors- que le refroidissement n'est pas assez rapide pour vaincre la tendance à la séparation ou trop lent pour satisfaire au second critérium indiqués une quantité plus ou moins grande de carbone combiné se sépare sous forme de carbure limite en grains, ce qui n'est pas compatible avec le développement des propriétés les meilleures. il faut se rappeler que le refroidi.. sèment 'ne doit pas être assez lent pour permettre au
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/-en ferrite et carbure séparé de se dissocier/en carbone libre,. car,, si ce résultat était obtenu, il re serait guère pos- /d'être certain Bible d6&t:OOd:
n#moooItIDBw#eßha.ture, de la pièce de de la nature fonte comme cela est nécessaire pour obtenir en pra- tique des résultats uniformes. fl est évident que cer- tains cas peuvent se présenter ou xxxxxxxxx l'ob- servation précise de la vitesse de refroidissement n'est pas nécessaire mais, dans l'exposé des caractéristi- ques de la présente invention pour son application pra- tique il convient d'attirer l'attention sur les dif- férentes phases du traitement thermique.
Au cours de la phase suivante du procédé, on soumet les pièces moulées à un nouveai traitement thermique, à une température légèrement inférieure à l'intervalle des températures critiques, par exem- ple à une température comprise entre 620 et 750 dans le but de donner auxdites pièces moulées les propriétés voulues. La réaction physique principale semble consister en un réajustement des constituants
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de la pièce mouléé tandis que les réactions chimi- ques consistent en une décomposition de la cémentite ou du carbone combine,, ou bien dans celle de la perlite, des bax/ ferrite et dux carbone libre. Ces réac...
5 tions ne progressent Pas à la même vitesse; m outre la vitesse relative n'est pas la même aux différentes températures. la demanderesse a constaté que des pourcentages élevés des produits de retardement (par exemple un excès de manganèse) agissent d'abord sur les 10 réactions chimiques, Si l'on réalise alors une corrélation convenable entre la durée d'application du / la température traitement/et la quantité de manganèse ou autre matière de retardement on peut obtenir des produits finaux présentant des propriétés qui dépendent de 15 l'effet résultant des différentes variâmes contrôles Lorsque les réactions à basse température sont achevées, les pièces moulées sont retirées du four et refroid ies;
pour compenser toute tendance à la conti... nuation des réactions au-delà du point voulu,, il est 20 Préférable de refroidir rapidement,
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la demanderesse a constaté qu'aux basses températures. c'est-à-dire aux températures inférieu- res à 645 or les réactions progressaient lentement,, Pour l'usage commercial, on a constaté qu'il était avantageux d'utiliser des températures comprises entre 645 et 730 et d'appliquer ces températures pendalt des périodes de temps comprises.entre 10 et 60 heures.
Afin de montrer, d'une façon plus concrè- te, les résultats qui peuvent étre obtenus, confor- mément à l'invention, on peut indiquer les résulats qui ont pu être obtenus en pratique à la suite d'es- sais de barres prises au hasard dans des lots de ma.
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tières destinées à être livrées à l'industrie. De l'examen de ces résultats se dégageront certaines généralités que l'on peut résuméreomme suit :
Lorsqu'il existe dans les produits une quantité de manganèse utilisé comme produit de retar- dement et que la proportion de manganèse est comprise entre 0,60 et 1,40% (le pourcentage de soufre étant normal) la résistance de la piàce de fonte augmente avec la teneur en manganèse tandis que la ductilité
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diminuée tout.eechoseSétanis égalS3d'ailleurs.
Pour une même teneur en manganèse, un traitement thermique prolongé augmente la ductilité, une certaine diminu- tion de la résistance finale étant constatée. Les effets de la durée et de la température ne paraissent pas être des fonctions linéaires l'un par rapport à l'autre, mais. pour une teneur donnée utilisable de produit de retardement, il existe apparemment une température moyenne au-dessous de la température critique où une telle relation existe ;
lorsqueles pourcentages de manganèse augmentent. la température critique est abaissée et par conséquent la vitesse de la réaction à une même température peut être accélérée par l'augmentation de la teneur en manganèse. '-"<?*Dans les exemples qui sont donnés cidessous, les pièces moulées ont été chauffées à une température $supérieure à l'intervalle des températures eritiques, soit à une température de 915..endant 24 heures; puis elles ont été refroidies rapidement. Le traitemnt thermique indiqué dans le tableau ci-dessous montre la température et la durée du traitement au-dessous de l'intervale des température cire tiques..
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Propriétés Physiques Analyse ChimtqMTraitment## ¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ thermique Résis..tîMteJillon- tance d' êlas ement Mn (Mn- Si Tempé- Durée finale tioitpour 2S ) finale ticité 'Yc pour 28) rature heures kelcm a 5 cm heures 4566 3423 1812 0,61 0,45 2,32 o,9! 675 60 2 5215 3452 Z 5, 7 0,61 0,46 2, 32 o,94 730 20 3 5420 3648 18,2 0,'5 0,58 2t37 O,9( 7p5 60 4 5817 3850 1710 Oe82 0,65 2,09 1,11 705 z 5 6090 3955 12,3 0,75 0,59 2,3/ o 92 730 2a 6 6307 4151 11,0 Ot98 0182 2,45 Ot82 705 20 7 6517 4298 Zp'3 1,14 p,98 238 0,86 705 2p 7049 4606 8,2 1 0,98 2,40 Ot86 645 60 9 7049 5265 5"p I,39 1,23 2,39 0,95 645 40
On peut utiliser une proportion de man- ganèse supérieure à 1,40 % mais l'effet utile obtenu n'est pas très prononcé comme le montre le ta- bleau suivant :
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Mn% Durée T enté- R6E3istan- limite P- rature ce finale dtélaoti- ment pou¯r ¯ rature kg/am cité % pour 5
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<tb> 0. <SEP> 77 <SEP> 10h <SEP> 705 <SEP> 6916 <SEP> 5733 <SEP> 6.0
<tb>
<tb>
<tb>
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<tb>
<tb>
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<tb> 1,47 <SEP> 10 <SEP> 705 <SEP> 6769 <SEP> 5761 <SEP> 3,5
<tb>
<tb>
<tb>
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<tb> 2,09 <SEP> 10 <SEP> 705 <SEP> 4158 <SEP> 4158 <SEP> 0. <SEP> 0
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2,95 I0 705 5012 5012 0#0 Il est évident que les indications qui précèdent sont simplement données à titre d'exemples de la manier, dont l'invention peut être appliquée par les fondeurs et que des corrections peuvent être utilisées par les hommes de métier,, conjointement avec les indications ci-dessus.
pour tenir compte de la dimension des pièces de fonte., de la teneur en car-
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bone, des températures de coulé, etc " pour appliw 11.
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quer l'invention à une très grande variété d'usages.
Il est bien entendu en outre que l'inven- tion peut être appliquée à la production d'articles ayant des résistances supérieures à 7. 000 kg par cm2, à partir de pièces moulées en fonte blanche.
Quelques uns des résultats qui peuvent être obtenus ont été indiqués dans le tableau suivant
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<tb> Résistan- <SEP> Allonge- <SEP> Tempé-
<tb>
<tb> ce <SEP> finale <SEP> Limite <SEP> ment <SEP> % <SEP> Mn <SEP> Si <SEP> Durée
<tb>
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kg/cm d'âlas pour 5 rature Duree ticité an 7060 6426.. 6.0 10 0, 62 245 0, 99 645 10 7980 6888 5,,0 ' 0,77 2,43 099 645 10
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<tb> 7329 <SEP> 6391 <SEP> 4,5% <SEP> 1,04 <SEP> 2,43 <SEP> 0,99 <SEP> 645 <SEP> 10
<tb>
<tb> 7075 <SEP> 5138 <SEP> 9,0% <SEP> 0,77 <SEP> 2,43 <SEP> 0,99 <SEP> 718 <SEP> 10
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Les pièces moulées en fonte blanche ou les alliages ayant subi un traitement thermique conformément aux caractéristiques précédement indi- quées se distinguent de la fonte malléable ordi-
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naire ou des fontes à perlite de composition normale 7E-4tre par différents points.
à/autreE3j, les pièces de fonte fabriquées conformément à l'inventions même lorsqu'elles sont soumises à un traitement prolongé, présentent des résistances sensiblement plus élevées que les produits connus jusqu'ici; bien qu'une ré- sistance finale à la traction de 3. 850 kg par cm2 ait été considères jusqu'ici comme très élevée pour la fonte malléable,, les produits obtenus confor- mément à la présente invention présentent des résis- tances finales qui sont normalement supérieures à 4.400 % par cm2 ainsi que des limites d'élasticité
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ysomparables et des allongements ::c:
wi&JëS' En outre la
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, fonte obtenue conformément à l'invention diffère de la fonte malléable ordinaire par le fait qu talle contient des quantités sensiblement plus grandes de manganèse (ou d'autres agents utilisables de retar- dement) qu'il n'avait été possible jusqufici d'en utiliser; par exemple la différence entre la teneur soufre en manganèse et la teneur en. habit1iél1s- J ment une valeur dépassant 0à4o %. Comlie on lta déjà expliqué cette modification de la composition chi-. mique a un effet déterminé sur les propriétés finale, 10 de la matière en raison de cm action au cours de la phase de recuit.
Au point de vue métallographique; les compositions obtenues conformément à l'invention se distinguent de celles qui étaient réalisées jus. qu'ici par le fait qu'elles révèlent, lorsqu'elles sont convenablement attaquées à l'acide et que leur image est agrandie. une structure sphéroidale dont l'étendue varie avec les propriétés physiques,, la composition chimique et le traitement thermique auquel l'alliage a été soumis.
Les alliages à haute résistance présentent un aspect sur sensiblement toute la -surface de leur section tandis que les alliages à faible résistance montren le même aspect sous formes de nodules de cémentite éparpillés dans une masse de ferrite, Les alliages contiennent ausii du carbone libre, ce qui montre que le produit diffère de l'acier, il semble que jusqu'ici cet aspect sphéroidal n'avait pas pu être obtenu par tratitemnt thermique des fontes blanches. particeu lièreent avec les alliages ayant les propriétés Physiques et les compositions chimiques ci-dessus indiquées.
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L'existence de cet aspect sphéroïdal est semble-t-il, indicative des modifications phy- siques qui se produisent au cours du traitement thermique antérieurement à la modification chimique consistant en la décomposition de la cémentite ou carbure de fer ou de préférence au moment de ladite modification chimique.
Bien que l'invention ne puisse évidem-,' ment être limitée par l'exposé d'une théorie quel- conque de succession des phénomènes qui se produisent l'obtention des résultats indiqués ci-dessus étant en somme indépendante de cette théorie. on peut indi- quer que la modifioation physique avantageuse est obtenue, dans les conditions indiquées de traitement thermique réglé,, du fait que l'on part d'une fonte blanche dont la composition est modifiée de façon qu'elle contienne un excès utilisable d'une matière de retardement pour la rupture de la cémentite per- litique.
Si l'on utilise un excès de matière de retardement au cours d'un cycle tel que celui qui a été indiqué dans ce qui précède et dans lequel les réactions au-dessous de la température critique peuvent être contrôlées ou réglées on peut obtenir des modifications physiques avantageuses qui se ré- vèlent par l'aspect sphéroîdal auquel il a été fait allusion précédemment. Dans ces conditions par consé. quent la présente invention n'est pas limitée à l'u- tilisation ,des pourcentages de manganèse indiqués dans l'exemple pratique ci-dessus ou à l'utilisa-
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tion du facteur anèse-soufre indiqué priécédem-
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ment, d'autres agehts%fi'addition qui ont un effet de retardement pouvant être utilisés.
Pour beaucoup d'usages pratiques cependant de tels agents ne sont pas indiqués, par exemple des métaux tels que du chrome, du vandium, du molybdène, etc... ne sont pas habituellement utilisés par les fondeurs car /contamine leur addition dans le four de fusion invaria- blement les charges successives de matières dtana- lyse normale, ce qui conduit à de sérieuses diffi- cultés d'opérations. Lorsque ces difficultés ne sont pas à craindre immédiatement, on peut cependant uti- liser ces autres agents de retardement en faible pourcentage à la place de la teneur plus él'evée en manganèse indiquée plus haut.
Si on considère l'invention sous un autre aspect, on peut dire quelle vise une cer- taine corrélation entre le cycle de traitement thermique et la composition de telle manière qu'on obtienne les propriétés physiques voulues dans la pièce de fonte ; l'observation de cette corrélation
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peut être fréqueuwnt éléepar '1 aspect sphérof- dal de la cémentite résiduelle. Il est cependant entendu que, si le produit fabriqué conformément à l'invention est soumis ensuite à un traitement ther- mique particulier comme cela peut arriver sil'on veut par exemple tremper le métal ltaspect sphé- roîdal ci-dessus indiqué peut être masqué ou ne pas être apparent; cependant, dans de telles conditions la grande dureté de la matière, en conjonction avec les autres caractéristiques indiquées peuvent per- mettre de la distinguer.