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PROCEDE DE FABRICATION DE FONTE. A GRAPHITE NODULAIREo
Cette invention se rapporte à la fabrication de fonte à graphite nodulaire. La fonte à graphite nodulaire, selon l'usage que l'on fait ici de cette expression, n'est pas de la fonte renfermant du graphite sous une forme nodulaire produite par traitement thermique comme dans le procédé de malléa- bilisation, mais de la fonte dont le graphite est sous la forme purement no- dulaire ou en sphérules, produite à la coulée lorsque le métal fondu passe de l'état liquide à l'état solide.
La première condition requise pour la formation de graphite pure- ment nodulaire, est que la majeure partie du carbone doit être sous la forme combinée, ou que la forme lamellaire héréditaire existant dans la masse ini- tiale de fer en fusion doit être détruite. Le graphite est l'une des substan- ces les plus réfractaires que l'on connaisse et nécessite des températures plus élevées que celles que l'on trouve ordinairement dans la pratique de la fonde- rie pour être mis entièrement en solution. Dans la conduite habituelle du eu- bilot, il est douteux que la température du métal atteigne jamais plus de 2900 F Par conséquent, la quantité maximum de carbone que du fer contenant 2% de silicium peut dissoudre à 2900 F est de 3,75 environ.
En supposant que les lois ordinaires relatives aux solutions sont valables, ce fer dissoudra environ 3,9% de carbone si on donne suffisamment de temps pour que la disso- lution se fasseCependant, la fusion au cubilot est- extrêmement rapide et le fer fondu atteint rarement 2900 F Par conséquent, de la fonte grise à te- neur élevée en carbone, fondue de la façon ordinaire, contient toujours du graphite libre. Les demandeurs ont démontré et le fait n'est pas complètement expliqué, qu'en versant rapidement cette fonte dans de l'eau froide et par contrôle chimique et microscopique subséquent, elle montre des traces minimes de carbone libre.
Donc, l'effet du graphite grossièrement distribué dans les matières premières chargées dans le cubilot est de transmettre au métal la structure lamellaire initiale du graphite et de la reproduire dans le moulage terminé. Cependant, si on refroidit rapidement une telle fonte graphitique comme en la coulant en barreaux minces ou dans un moule en coquille, les la- melles de graphite peuvent se briser et prendre une forme finement dispersée ou granulaire. Ceci a été démontré dans de nombreux essais pratiques impor- tants.
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Dans le cours ordinaire de la fabrication de moulages en fonte grise à partir de ces matières, où les moulages ne sont pas soumis à ce refroi- dissement rapide,la structure lamellaire ordinaire du graphite distribué mé- caniquement prédomine.
On a découvert maintenant que l'on peut fabriquer de la fonte con- tenant le carbone libre sous forme nodulaire et en sphérules, en fondant ces fontes graphitiques tout en y ajoutant un agent rendant le carbure métastable et possédant la propriété supplémentaire de susciter la formation de nodules lorsqu'elle est suivie de l'addition d'un agent graphitisant
La présente invention consiste, conformément, en un procédé de fabrication de fonte contenant du carbone libre sous forme nodulaire ou en sphérules par graphitisation d'une charge fondue du métal, caractérisé en ce qu'on utilise un métal fondu d'une composition telle qu'il donnerait à la cou- lée une fonte grise contenant du graphite lamellaire, en ce qu'on ajoute au métal fondu un agent rendant le carbure métastable,
en quantité telle que ce métal donnerait à la coulée une fonte allant de la fonte truitée à la fonte entièrement blanche, en ce qu'on ajoute alors un agent graphitisant en quanti- té telle que le métal fondu donne une fonte grise à la coulée.
La structure finale d'une fonte ainsi produite, consiste en graphi- te nodulaire régulièrement réparti dans une matrice perlitique ou perlitique- ferritique.
Il est préférable que le métal fondu soit un mélange ferreux qui aurait normalement une teneur en carbone combiné inférieure à 1,2% et une teneur en silicium supérieure à 1,5%
Conformément à l'invention,il est possible de contrôler de façon certaine l'addition d'agent rendant le carbure métastable et des agents gra- phitisants par rapport à 1-*épaisseur du moulage à fabriquer et l'un par rap- port à l'autre pour produire des moulages sains et compacts ayant une struc- ture à graphite nodulaire dans une matrice perlitique ou perlitique-ferritique à 1-'échelle de la production en fonderie.
Comme on l'explique plus loin, on peut contrôler l'addition de l'agent rendant le carbure métastable et des agents graphitisants par la modi- fication de la répartition du carbure en rapport avec l'épaisseur du moulage à fabriquer, selon les indications dressais de moulage en forme de coin.
L'exemple suivant décrit une réalisation du procédé de l'inven- tion dont le premier stade, au lieu de partir d'une composition d'acier à car- bone élevé et de graphitiser ensuite pour produire de la fonte grise ayant u- ne structure à graphite finement lamellaire comprend la fusion d'une compo- sition de fonte qui donnerait normalement une teneur en carbone combiné in- férieure à 1,2% et une teneur en silicium, supérieure à 1,5% dont la coulée donnerait normalement une fonte grise contenant des dépôts dispersés de gra- phite lamellaire en forme d'écuelle Ensuite dans un second stade, on fait une addition contrôlée d'un agent rendant le carbure métastable, qui est de préférence le lithium, le calcium, le baryum, le magnésium, le strontium ou le cadmium.
Cet agent, qui rend métastable, peut être simple pour certaines coulées de fonte et, dans d'autres cas, selon la nature de la coulée de fon- te, peut être allié à des matières telles que le fer le cuivre, le zinc et le manganèse pour contrôler l'effet de stabilisation et de formation de no- dules sur la coulée de fonte en fusion. Le troisième stade consiste à ajouter une addition contrôlée d'un agent graphitisant. A tous les stades, le contrô- le se fait par rapport à l'épaisseur de la coulée à effectuer.
Conformément à l'invention, on contrôle de préférence les second et troisième stades du procédé au moyen d'essais de moulage en forme de coin comme expliqué ci-dessous.
L'essai de moulage en forme de coin consiste à couler un moulage d'une longueur prédéterminée ayant une section transversale en forme de coin avec un angle aigu de 20 à 30 degrés approximativement. Les coins peuvent avoir différentes dimensions, à savoir 12,5 mm de base avec un angle aigu de 28,5 approximativement., 19 mm de base avec un angle aigu de 26,75 ap-
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proximativement 25 mm de base avec un angle aigu de 25 approximativement et 50 mm de base avec un angle aigu de 23,5 approximativement. Après coulée et refroidissement du moulage en forme de coin, on le casse longitudinale- ment de façon à pouvoir observer la répartition du carbure.
A l'observation, on peut discerner que la région de l'angle aigu a une apparence blanchâtre tandis que la partie restante de la base a une apparence blanc-grisâtre.
Dans la partie blanche, le carbone se trouve généralement sous la forme com- binée et dans la portion blanc-grisâtre le carbone se trouve généralement sous la forme graphitiquee La partie blanche n'est pas usinable.La largeur transversale à la face du coin, à la zône de démarcation entre les parties blanches et blanc-grisâtres est la "valeur de coin!!, dont la grandeur est une indication de :l'effet obtenu au moyen de l'agent qui rend le carbure mé- tastable ou de l'agent graphitisant.
L'arête effilée de l'éprouvette en forme de coin se refroidit ra- pidement tandis que la grosse section se refroidit beaucoup plus lentement.
Il en résulte une texture variable depuis l'arête effilée jusqu'au centre, dans le moulage et souvent une retassure au centre. Le moulage en forme de coin possède un angle aigu qui définit une arête effilée.Il se trouve dans un intervalle de 20 à 30 approximativemen
Ainsi par exemple, lorsqu'on dit que le métal fondu produit dans le second stade dont le carbure est métastable. possède une "valeur de coin" de 16 mm cela signifie que la distance mesurée transversalement à la surfa- ce du coin, à la ligne de démarcation, est approximativement de 16 mm. Le plan des coins est tel que la zone de démarcation reste substantiellement la même indépendamment des dimensions du coin utilisé.
En d'autres termes, elle représente de façon précise l'effet métastabilisant produit sur le carbure. la fonte en fusion utilisée dans le premier stade du procédé de cette invention produirait un coin presque entièrement gris, avec une très petite quantité de fonte blanche. Il se peut que la zône.de démarcation en- tre le gris et le'blanc transversalement à la cassure du coin soit voisine de 2,4 mm seulement.Ceci constitue le premier point d'éloignement par rap- port à la pratique classique à savoir -. qu'on ne doit pas utiliser une com- position d'acier à carbone élevé ou des alliages coûteux.
Cette invention a l'avantage de permettre dans certaines conditions de marché, l'emploi d'une charge plus économique dans la composition. Que l'on puisse produire de la fonte tendre* graphitique, de façon continue dans le cubilot et convertir une partie de la coulée à un moment quelconque où on le désire, en fonte à haute résistance à graphite nodulaire comme l'enseigne cette invention., cons- titue un autre avantage.Le second stade, c'est-à-dire l'addition contrôlée de l'agent qui rend le carbure métastable, est étroitement lié au troisième ou stade de graphitisation et à l'épaisseur du moulage à effectuer.
On ajou- te de préférence l'agent rendant le carbure métastable dans la poche, jusqu' à ce qu'un premier essai de coin montre une ligne de démarcation dépassant cinq -fois la longueur de la ?'valeur de coin" de la fonte non traitée.
Par ex- emple, si la "valeur de coin de la fonte non traitée était de 1,6 mm la "valeur de coing minimum de la coulée dont le carbure est rendu métastable, serait dès lors de 8 mm. et si l'épaisseur du moulage à effectuer était de 25 mm dès lors la "valeur de coin" maximum pour la coulée dont le carbure est rendu métastable,. serait 50 mm En règle générale, entre certaines li- mites, plus de la "valeur de coin" de la coulée dont le carbure est rendu métastable est grande, jusqu'à une valeur égale à 1-'épaisseur du moulage à effectuer, meilleure est la distribution du carbone et plus complète la nodu larisation du graphite.
La valeur de coin" de la coulée graphitisée produite dans le troisième stade du procédé est directement liée à l'épaisseur du moulage à ef- fectuer. Après avoir ajouté un agent rendant le carbure métastable pour réa- liser une bonne "valeur de coin on ajoute un agent graphitisant d'un type approprié. Il est préférable que fila valeur de coin de la coulée graphitisée soit au maximum les 31/32 de l'épaisseur du-moulage à effectuer'. pour toutes les épaisseurs des moulages. Par conséquent, si l'épaisseur de la section à couler est 25 mm "la valeur de coin" maximum de la coulée graphitisée serait
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de 24,2 mm ce qui signifie que le moulage sera tout juste blanc ou presque.
En d'autres termes, après avoir mis le carbone en solution dans le second sta- de, comme il convient pour obtenir la proportion désirée de blanc., on ajoute un agent graphitisant comme troisième stade,jusqu'à ce qu'une éprouvette en forme de coin indique que la longueur de la ligne de coin a diminué jus- qu'à une valeur inférieure à l'épaisseur du moulage à effectuer. Le moulage contiendra alors du carbone libre sous forme de graphite nodulaire. La quan- tité d'agent graphitisant ajouté déterminera la longueur de la ligne et l'im portance de la précipitation de carbone. Le carbone précipité sera influencé par l'agent stabilisant présent favorisant la formation de nodules pour pren- dre la forme nodulaire.
Au fur et à mesure que la graphitisation progresse dans le troi- sième stade pour réduire la "valeur de coin de la coulée graphitisée de 24,2 mm à 1,6 mm, le moulage devient de plus en plus tendre et la quantité de graphite nodulaire augmente. On a trouvé que la limite inférieure souhaitable pour le troisième stade, de la "valeur de coin" d'une coulée graphitisée est 2.4 mm pour des moulages ayant substantiellement 25 mm d'épaisseur; 4,8 pour des moulages ayant substantiellement 50 mm d'épaisseur et 6,4 mm pour des moulages ayant substantiellement 75 mm d'épaisseur ou plus.
'On verra d'après les explications précédentes que plus la quanti- té d'agent rendant les carbures métastables, ajoutés dans le second stade est grande, plus il y aura de carbone disponible pour la formation de nodules. Ce- pendant, s'il y a trop d'agent rendant le carbure métastable, son influence ne peut être convenablement surpassée par celle de la substance graphiti- sante. En outre,on doit contrôler avec précision la quantité d'agent gra- phitisant ajoutée pour conserver une "valeur de coin" de graphitisation ou de formation de nodules propre à produire une fonte saine et compacte.
On a ainsi expliqué cette invention jusqu'ici relativement aux stades de contrôle utilisés mais sans considérer les limitations de temps né- cessaires. Diaprés l'explication qui précède, l'agent stabilisant est du type qui rend le carbure métastable et a par conséquent une vie fonctionnelle li- mitée influencée à la fois par la température et par le temps.
L'invention considère le stade de graphitisation qu'on soumet à tressai de coin nodulaire, dans les limites du temps de vie active de l'agent qui rend métastable.
Ce qui suit illustrera de façon plus explicite; de la fonte grise fondue dans les conditions ordinaires, et coulée dans des moules en sable con- tient du graphite sous une forme semblable à des lamelles et à des écuelles.
Afin d'éviter ceci, on ajoute un agent qui rend le carbure métas- table de façon à dissoudre complètement ce graphite et d'assurer sa dissolu- tion complète à l'état combiné y après quoi on ajoute l'agent graphitisant pour assurer complètement l'effet promoteur de la formation de nodules lors de son passage de l'état liquide à l'état solide.
L'intervalle de température disponible pour effectuer cette trans- formation structuralec'est-à-dire traiter la fonte en fusion avec un agent rendant le carbure métastable et ensuite avec un agent graphitisant, est ex- trêmement limité et restreint par la température de fusion et l'allure à la- quelle on effectue ces traitements. Si le métal n'est pas suffisamment chaud, le traitement est incomplet et il en résulte un mélange de graphite lamellai- re et nodulaire dans un moulage défectueux.
Il est par conséquent important que le métal fondu soit suffisamment chaud pour que tout le graphite soit mis en solution lors de l'addition de l'agent qui le rend métastable et que l'on introduise l'agent graphitisant tandis que l'effet de l'agent qui rend métas- table se produit.Il est également important qu'il conserve suffisamment de chaleur pour que la fonte en fusion se dégage des réactions chimiques impli- quées, permettant ainsi de couler en moulages propres compacts.
Dans le procédé ordinaire de malléabilisation, on effectue cette graphitisation en recuisant de la fonte blanche à des températures comprises - entre 1550 et 1700 degrés Fahrenheit. Dans le procédé en trois stades défini ici, on produit le même effet physique, mais alors que la fonte est en fusion
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à -une température comprise dans .un intervalle limité entre 15 et 30 pour cent de surchauffe au-dessus du point de fusion.
Le but de l'essai de moulage en forme de coin. est de fournir un instrument pratique pour guider l'opérateur dans la détermination-des quantités d'agent rendant le carbure métastable et d'agent graphitisant à ajouter entre les limites de températures utiles, afin de produire les caractéristiques structurales et les propriétés de résistan- ce requises. Une personne experte dans lart de la pratique de fonderie, sera capable d'appliquer les enseignements qui précèdent pour produire la structu- re à graphite nodulaire désirée et les propriétés physiques améliorées.
On a décrit cette invention comme un procédé en trois étapes, deux d'entre elles étant contrôlées par des essais de coin pour indiquer les caractéristiques de temps et de quantité de l'additiono On doit comprendre que cette invention inclut également l'addition substantiellement simultanée de l'agent qui rend méta,stable et de l'agent graphitisant L'invention réside à la fois dans le nouveau concept expliqué ici et dans le contrôle de l'ap- plication de ce nouveau concept.
R E V E D I C A T I O N S
1 Procédé de fabrication de fonte contenant du carbone libre sous forme nodulaire et en sphérules en graphitisant une charge fondue du métal, caractérisé en ce qu'on utilise un métal fondu d'une composition telle qu'il donnerait à la coulée une fonte grise contenant du graphite lamellaire., en ce qu'on ajoute au métal fondu un agent rendant le carbure métastable en quanti- té telle que ce métal fondu donnerait par moulage une fonte allant de la fon- te truitée à la fonte entièrement blanche, et en ce qu'on ajoute alors un a- gent graphitisant en quantité telle que le métal fondu donne à la coulée une fonte grise.