BE497760A - - Google Patents

Description

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  FONTE A GRAPHITE NODULAIRE ET SON PROCEDE DE FABRICATION. 



   La présente invention concerne une fonte dans laquelle le graphi- te se présente sous forme de nodules ou d'amas nodulaires, ainsi que   son¯¯pro-   cédé de fabrication. 



   Au cours de la graphitisation de la fonte, les lamelles formées, surtout si elles sont de dimensions relativement grandes, diminuent la résis- tance de cette fonte et sa ténacité.. Au contraire, la formation de graphite en nodules permet de remédier à ces inconvénients et d'obtenir par suite une fonte aux propriétés mécaniques particulièrement intéressantes, et l'un des buts de l'invention est de permettre l'obtention d'un procédé de traitement de la fonte favorisant la formation de graphite nodulaire. 



   Les recherches effectuées jusqu'à ce jour n'ont pas permis d'ob- tenir des résultats uniformes et.satisfaisants, par des opérations applica- bles à l'échelle industrielle. La plupart de ces recherches ont été dirigées vers la présence dans la fonte d'au moins un agent agissant comme stabilisa- teur des carbures et favorisant la nucléation ou nodularisation du graphite à partir du liquide. Or des essais ont montré que la précipitation du graphi- te en nodules lisses avait lieu au cours du traitement thermique de la fonte blanche pour la rendre malléable lorsque du soufre est présent sous forme de sulfure de fer, le reste étant sous forme de sulfure de manganèse.

   On est ainsi parvenu à cette conclusion que la formation de nodules devait être pro- voquée par un phénomène physique résidant dans une nucléation à partir d'un germe déterminant la cristallisation du graphite et la réunion des cristaux en sphérolitheso 
La cristallisation du graphite se faisant dans le système hexa- gonal, les germes de nucléation doivent avoir pour ce système de cristallisa- tion une affinité permettant la fixation du graphite.

   Afin d'empêcher au ma- ximum la formation du graphite en longues lamelles, il parait avantageux de retarder la cristallisation des germes de nucléation jusqu'au moment où cette 

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      fonte a atteint une consistance pâteuse, due notamment à la précipitation de l'austénite, et d'utiliser en conséquence comme germes de nucléation un ou plusieurs éléments qui soient antigraphitisants à haute température, et dont l'action de nucléation intervienne au contraire lors d'un abaissement de la température, au moment   où   le ou les éléments dissous se cristallisent pour former des germes favorisant la fixation du graphite. 



   L'invention est en conséquence matérialisée dans un procédé d'ob- tention d'une fonte à haute résistance et à "effet d'entaille" réduit dans laquelle le graphite se trouve sous forme de nodules ou d'amas nodulaires, caractérisé en ce qu'on incorpore à la fonte à l'état fluide au moins un élé- ment d'addition apte à agir à haute température comme antigraphitisant et à plus basse température comme agent de graphitisation c'est-à-dire comme ger- mes ou centres de cristallisation autour desquels les cristaux hexagonaux de graphite provenant de la décomposition du carbure de fer se rassemblent, cet élément d'addition dérivant de la famille des métalloïdes comprenant le sou- fre, le sélénium et le tellure, ledit élément étant incorporé à la fonte fluide soit   à   l'état pur, soit à l'état de composé naturel ou synthétique,

   soit encore sous la forme d'au moins un corps ou composé apte à donner nais- sance audit élément par combinaison ou décomposition au sein de la masse de fonte fluide. 



   Des résultats particulièrement satisfaisants peuvent être obtenus avec le soufre et le sulfure de ferEn effet, les cristaux de sulfure de fer ou de l'eutectique SFe-+ Fe ne se forment qu'en dessous de 1200 C, c'est-à- dire au moment où la fonte fluide a déjà acquis la consistance pâteuse   empê   chant la formation du graphite en longues lamelles. Le sulfure de fer cristal- lise alors dans le système hexagonal, et forme des germes de nucléation au- tour desquels le graphite vient se rassembler en nodules, le phénomène con- sidéré étant ainsi de nature physique. Dans le cas de la fonte eutectique ou voisine du point eutectique, la fonte fige à environ 1140  Le sulfure de fer n'étant pas soluble dans le fer solide est expulsé et forme les germes solides. 



   Le sulfure de fer formant l'élément d'addition peut se présenter sous une forme synthétique ou naturelle, par exemple sous forme de pyrite. 



  Dans ce dernier cas, les pyrites utilisées renferment également sous forme d'impuretés du sélénium et du tellure. Des recherches ont permis de constater que des résultats particulièrement satisfaisants peuvent être obtenus avec des pyrites grâce précisément à la présence de sélénium et de tellure, le tellure ayant notamment pour effet de permettre l'obtention d'une trempe plus franche du métal. 



   Suivant des particularités de l'invention, l'élément d'addition peut être incorporé aussi bien à une fonte de base hypoeutectique qu'à une fonte hypereutectique, avec des résultats satisfaisants. Cette incorporation peut se faire soit dans l'appareil de fusion lui-même, soit à la sortie de cet appareil, par introduction dans la fonte fluide en cours de déversement dans la poche de coulée ou un récipient analogue, en un ou plusieurs lots afin que la concentration en élément d'addition ne dépasse pas une certaine valeur et dans le métal déjà coulé dans la poche en cours de remplissage, soit encore par dépôt dudit élément, notamment dans le cas de sulfure de fer, à l'intérieur de la poche de coulée en un ou plusieurs lots avant que la fonte fluide n'y soit déversée.

   Dans ce dernier cas, le mélange s'opère alors de lui-même, et on facilite celui-ci en utilisant le sulfure de fer sous la forme de grains ayant, de préférence,une grosseur de   1 à 5   mm. - 
Suivant d'autres particularités de l'invention, cette incorpora- tion de l'élément d'addition peut avoir lieu par inoculation, c'est-à-dire par incorporation graduelle au sein de la masse de fonte, sous la forme d'un courant continu ou non dans le tourbillon à axe sensiblement horizon- tal qui se produit autour du jet de fonte liquide lorsqu'il atteint la nap- pe de fonte en fusion se trouvant déjà dans la poche de coulée. Cette mé- 

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   thode   peut être utilisée notamment pour   l'addition   de sulfure de fer dans les poches de coulée de grande contenance.

   Le sulfure de fer pénètre alors   intimement   dans cette fonte en fusion pour former autant de germes de nuclé- ationo 
Pour l'obtention d'une fonte nodulaire satisfaisante, le métal ne doit pas renfermer un pourcentage trop important d'hydrogène ou d'oxygène dissous. On ajoute donc avantageusement en même temps que l'élément d'addi- tion formé par le soufre, le sélénium, le tellure ou un composé ou dérivé de ces corps, une substance agissant comme épurant ou comme désoxydant pour assainir la fonte, et de plus capable de neutraliser 1:excès éventuel   drôle-   ment d'addition dans la fonte.

   Cet épurant est constitué, de préférence, par un corps réagissant favorablement avec l'élément d'addition, et est par exem- ple du ferro-manganèse et du ferro-bore introduits par inoculation, du magné- sium, de l'aluminium, du baryum, du calcium, du strontium, du glucinium ou leurs composés déposés à la surface du métal étant donné qu'ils réagissent. plus activement avec l'élément considéré 
Le glucinium (béryllium) constitue notamment un épurant   particu-   lièrement avantageux, car il est très avide d'cxygène, son oxyde réfractaire étant de plus très léger et remontant à la surface du bain en formant une pellicule qui isole le métal en fusion de l'air.

   Le glucinium cristallisant dans le système hexagonal, il est également capable de créer la nucléation du graphite et, de ce fait, peut être ajouté à la fonte grâce à cette'pro- priété parallèle à celle des agents de   nucléation   déjà cités. Etant donnée sa densité très faible, on l'inocule avantageusement au sein du métal liqui- de sous forme d'alliage nickel-glucinium, cuivre-glucinium ou fer-glucinium par exemple,'ayant de préférence une teneur en glucinium comprise entre 5 et 10   %.   



   Une autre caractéristique de l'invention réside dans l'addition à la fonte fluide d'une quantité déterminée d'antimoine, de façon à obtenir par combinaison avec le soufre toujours contenu dans la fonte à l'état d'im- pureté du sulfure d'antimoine agissant comme élément d'additiono 
La proportion d'élément d'addition peut varier entre des limites relativement larges si l'on ajoute conjointement un épurant du type   cônsi-   déré, cette proportion pouvant aller par exemple de 0,01 à 5 % du poids de la fonte, bien que les résultats les meilleurs soient généralement obtenus avec une proportion allant de 0,01 à 0,3 % du poids de la fonte. 



   Suivant d'autres particularités encore de l'invention, on ajoute à la fonte, outre le ou les éléments précédemment mentionnés, du   ferro-silici-   um. Des résultats particulièrement intéressants peuvent être obtenus par ex- emple par une addition à la poche, par inoculation de sulfure de fer, accom- pagné de ferro-maganèse et de ferro-silicium, la fonte formant le métal de base ayant une teneur en silicium telle que la structure des moulages consi- dérés soit blanche sans traitement. 



   L'effet de cette triple addition est de fournir à des moulages d'épaisseur favorable une structure grise après refroidissement et de leur communiquer des propriétés mécaniques avantageuses. Des résultats satisfai- sants peuvent être obtenus par exemple par inoculation de ferro-silicium sous la forme de grains ayant de 1 à 3 mm. de grosseur et renfermant environ 75 % de silicium. 



   L'invention concerne également les fontes banales ou alliées aux- quelles on a incorporé à l'état fluide un ou plusieurs des éléments considé- rés plus haut, et dont la texture enrobe le graphite sous la forme de nodules sphéroïdaux ou d'amas nodulaires, ainsi que les pièces en fonte obtenues par moulage avec incorporation d'un ou de plusieurs des éléments considérés ci- dessus . 

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   Les dessins annexés, donnés à titre d'exemples caractéristiques, montrent la différence-de structure existant entre les fontes ordinaires et celles obtenues par application du procédé, objet de l'invention. 



   La fig. 1 est une représentation micrographique très grossie mon- trant le réseau de distribution du graphite dans une fonte perlitique ordi- naire élaborée dans un cubilot usuel et sans application du présent procède, 
La fig. 2 est une représentation analogue d'une fonte élaborée au cubilot et contenant de petites quantités de nickel,de chrome et de mo- lybdène, cette représentation montrant la mauvaise répartition du graphite en lamelles, ce qui expose cette fonte à un effet d'entaille accentué. 



   La fig. 3 est une représentation analogue faite selon le même grossissement d'une fonte produite par le présent procédé, le graphite étant distribué sous la forme de nodules ou d'amas nodulaires. 



   La figo 4 est une représentation semblable à la fige 3 montrant une fonte également produite par le présent procédé dans laquelle le gra- phite se trouve de même sous la forme de nodules ou d'amas nodulaires. Elle représente le métal de la figo 1 traité par le procédé, objet de l'invention, et provenant de la même coulée sur des éprouvettes identiques.. 



   L'examen de ces figs. permettra de déceler aisément les améliora- tions obtenues dans les propriétés mécaniques de ces fontes par l'application du procédé, objet de l'invention. Celui-ci permet en outre d'obtenir des pièces susceptibles de subir des déformations à chaud età froid, de   s'amélio-   rer par traitement thermique ne rendant pas la pièce ferritique, de devenir malléables par un recuit extrêmement rapide fournissant des pièces de struc- ture entièrement ferritique ou partiellement ferritique et partiellement per- litique, ce qui modifie les qualités de résistance à l'allongement et aux dé- formations de la pièce, et possédant des caractéristiques mécaniques élevées et constantes dans -le temps.

   A condition d'appliquer les règles habituelles de moulage des fontes à haute résistance, l'application de ce procédé donne en outre un métal facile à couler, même pour une faible teneur en carbone. 



   On peut ainsi soumettre une pièce de fonte à un traitement de stabilisation en la chauffant à une température de 425 à 450  C. pendant un laps de temps allant de 3 à 5 heures suivant son épaisseur, puis en la lais- sant refroidir assez lentement pour que la chute horaire de température re- présente environ 30 à 50 C. 



   Un traitement thermique plus rapide permettant d'obtenir des ré- sultats satisfaisants suivant l'application envisagée est obtenu par norma- lisation en chauffant la pièce à une température de 900 C et en maintenant cette température pendant une heure, puis en laissant cette pièce refroidir à l'air calme. 



   On peut également améliorer la résistance mécanique des pièces de fonte obtenues par le procédé suivant l'invention en les soumettant à une trempe et à un revenu, en chauffant ces pièces à'une température de   850 C,   puis en les trempant à l'huile ou à l'air soufflé, et en appliquant un traitement thermique ultérieur consistant en un revenu à 425 ou 450  C pour laisser enfin ces pièces refroidir lentement avec une chute de tempé- rature horaire allant de 30 à 50 C. 



   Pour la mise en oeuvre de ces différents traitements thermiques, autres que le traitement de normalisation et capables d'améliorer les ca- ractéristiques mécaniques des pièces obtenues, on superpose cee pièces et on les chauffe à une température ne dépassant pas   730   à 780 C, c'est-à-dire inférieure à la température de   ramollissement.   Au cours de cette opération, on peut supprimer le bourrage de minerai de fer ou de matière analogue ser- vant à supporter les pièces et utilisé suivant les méthodes antérieures. 

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  Ce recuit des pièces, qui est habituellement de courte durée et'compris de préférence entre 30 minutes et 4 heures suivant la destination des pièces, peut être effectué par exemple dans un four à bain de sel de type ordinaire. 



  Pour une pièce de section circulaire de 30 m/m de diamètre, on peut ainsi obtenir une structure entièrement ferritique par un recuit de   40   minutes à 750 C. 



   Les divers traitements thermiques énoncés ci-dessus peuvent être appliqués indifféremment à toutes les fontes banales ou alliées de   struc-   -bures austénitiques, bainitiques, sorbitiques, martensitiques, perlitiques ou autres. 



   Une pièce renfermant du graphite nodulaire obtenu par le procé- dé, objet de l'invention, est déformable à l'état brut de coulée, elle est d'un usinage aisé et donne des copeaux roulés, elle est capable de prendre un beau poli, elle possède un coefficient de frottement satisfaisant, assure une bonne étanchéité, résiste bien à la chaleur et aux chocs thermiques, est capable de fixer les revêtements électrolytiques, retient bien les masses cé- ramiques et les émaux, et est apte à bien tenir les revêtements métalliques par trempe à chaud. 



   Il va de soi que des modifications de détail peuvent être appor- tées aux divers modes de mise en oeuvre décrits sans pour cela   s'écarter   du cadre de l'invention. 



   REVENDICATIONS. la - Procédé d'obtention d'une fonte à haute résistance et à risque de rupture réduit dans laquelle le graphite se trouve sous forme de nodules ou d'amas nodulaires, caractérisé en ce qu'on incorpore au sein de la masse de fonte à l'état fluide au moins un élément d'addition apte à agir à haute température comme antigraphitisant et à plus basse température comme agent de graphitisation c'est-à-dire comme germes ou centres de cristallisation autour desquels les cristaux hexagonaux de graphite provenant de la décomposition du carbure de fer se rassemblent, cet élément d'addition dérivant de la famille des métalloïdes comprenant le soufre, le sélénium, et le tellure, ledit élément étant incorporé à la fonte fluide soit à l'état pur, soit à l'état de composé naturel ou synthétique,

   soit encore sous la forme d'au moins un corps ou composé apte à donner naissance audit élément par combinaison ou par décomposition au sein de la masse de fonte fluide.

Claims (1)

1. 2. - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément d'addition est incorporé à une fonte de base de nature hypoeutectique ou hypereutectique soit dans l'appareil de fusion, soit à la sortie de cet appareil dans la fonte en cours de déversement dans une poche de coulée ou un récipient analogue.

   30 - Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce-que l'élément d'addition est constitué par exemple par du sulfure de fer naturel (par exemple des pyrites) ou synthétique à l'état divisé qu'on introduit dans la fonte fluide en cours de déversement en -un ou plusieurs lots.

   4. - Procédé suivant la revendication 3, caractérisé eh ce que le sulfure de fer est introduit dans la masse de fonte liquide sous la forme de grains ayant une grosseur mesurant, de préférence, un à cinq millimètres.

   5. - Procédé suivant les revendications 3 ou 4 spécialement applicable aux poches de coulée à grande capacité, caractérisé en ce que le sulfure de fer est introduit sous la forme d'un courant à débit continu ou discontinu dans le tourbillon à axe sensiblement horizontal qui se produit autour du jet de fonte liquide lorsqu'il atteint la nappe de fonte en fusion qui se <Desc/Clms Page number 6> trouve dans la*'poche de coulée, afin que cette fonte en fusion soit progres- sivement inoculée par le sulfure de fer.

   6. - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la proportion de l'élément d'addition incorpore à la fonte peut aller de 0,01 % à 5 % du poids de la fon.te, suivant que ledit élément est ou non neutralisé par un ou plusieurs corps présents dans la fonte, comme le manganèse.

   7. - Procédé suivant la revendication 6, caractérisé en ce que la proportion optimum utile de l'élément d'addition est comprise entre 0,01 et 0,3 % du poids de la fonte.

   8. - Procédé suivant les revendications 1, 6 et 7 caractérisé en ce qu'on ajoute à la fonte fluide une quantité déterminée d'antimoine, de façon à obtenir par combinaison avec le soufre toujours contenu dans la fonte à l'état d'impureté du sulfure d'antimoine agissant comme élément d'ad- dition.

   9. - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on ajoute à la masse de fonte liquide, du glucinium apte à constituer l'élément de nodularisation, de préférence sous la forme de nickel-glucinium, suivre- glucinium, ferro-glucinium ou d'un alliage analogue.

   10. - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 3 à 9, caractérisé en ce qu'on incorpore à la fonte fluide, outre le sulfure de fer ou un composé à action équivalente du soufre, du sélénium ou du -tellure, un épurant ou "désoxydant" capable de neutraliser l'excès éventuel de cet élé- ment dans la fonte et d'assainir celle-ci en diminuant la solubilité des gaz dissous dans le métal et en favorisant le dégagement de ceux-ci.

   11. - Procédé suivant la revendication 10, caractérisé en ce que l'épurant est du ferro-manganèse ou du ferro-bore, du magnésium, de'l'alumi- nium, du baryum, du calcium ou du strontium ou leurs composés.

   12. - Procédé suivant la revendication 11 caractérisé en ce que l'incorporation du ferro-manganèse et du ferro-bore en vue d'épurer la fonte est opérée par inoculation c'est-à-dire par incorporation graduelle au sein de la masse de fonte en cours de déversement.

   13. - Procédé suivant la revendication 11, caractérisé en ce que l'incorporation du magnésium, de l'aluminium, du baryum, du calcium ou du strontium ou de leurs composés est opérée en l'amenant à la surface de la fonte liquide qui se trouve dans la poche de coulée après remplissage de celle-ci à cause de l'affinité de ces corps pour l'élément d'addition.

   14. - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'on incorpore à la fonte par inoculation et comme spéci- fié dans la revendication 5, outre le ou les éléments précédemment mention- nés, du ferro-silicium, afin que la fonte de moulage obtenue ait une cassu- re grise pour une épaisseur favorable.

   15. - Procédé suivant la revendication 14, caractérisé en ce que le ferro-silicium est incorporé à la fonte par inoculation sous la forme de grains ayant de 1 à 3 millimètres de grosseur et contenant environ 75 % de silicium.

   16. - Fonte banale ou alliée ayant toute structure ou composition obtenue par n'importe quel mode de fabrication et caractérisée en ce que, grâce à l'incorporation à sa masse fluide d'un ou plusieurs éléments suivant l'une quelconque des revendications 1 à 15, la texture de cette fonte empri- sonne le graphite sous la forme de nodules sphéroïdaux ou d'amas nodulaires. <Desc/Clms Page number 7>

   17.- Pièce constituée par de la fonte de moulage suivant la re- vendication 16, caractérisée en ce qu'elle possède une bonne résilience et se prête à des traitements thermiques capables d'améliorer la fonte sans rendre sa structure ferritique, cette pièce se prêtant à de notables défor- mations à froid ou à chaud et possédant des caractéristiques de résistance mécanique élevées.

   18. - Procédé de traitement thermique d'une pièce en fonte sui- vant la revendication 17, caractérisé en ce qu'on la recuit péndant un temps plus ou moins long selon qu'on veut que la structure de la pièce qu'on ob- tient en définitive soit entièrement ferritique ou partiellement ferriti- que et partiellement perlitique, de façon à modifier les qualités de résis- tance à l'allongement et de déformabilité de cette pièce.

   19. - Procédé de traitement thermique suivant la revendication 18, caractérisé en ce qu'on soumet la pièce de fonte à un traitement de sta- bilisation en la chauffant à une température de 425 - 450 qu'on maintient pendant 3 à 5 heures suivant son épaisseur, après quoi on la laisse refroi- dir assez lentement pour que la chute horaire de température représente en- viron 30 à 50 .

   20. - Procédé de traitement thermique suivant la revendication 18, caractérisé en ce qu'on soumet la pièce de fonte à un traitement de nor- malisation en la chauffant à une température de 900 qu'on maintient pendant une heure, puis en la laissant refroidir à l'air calme.

   21. - Procédé de traitement thermique suivant la revendication 18, caractérisé en ce qu'on soumet la pièce de fonte à un traitement de trem- pe et revenu pour la durcir en la chauffant à 8500, puis en la trempant à l'huile ou à l'air soufflé, ensuite en lui appliquant un revenu à 425-450 , enfin en la laissant se refroidir lentement par une chute horaire de tempé- rature de 30 à 50 .

   22 - Procédé de traitement thermique suivant l'une quelconque des revendications 18 à 21,caractérisé en ce que plusieurs pièces de fonte sont supportées directement les unes au-dessus des autres et chauffées à une température maximum de 750-780 c'est-à-dire inférieure à la températu- re de ramollissement sans être supportée par un bourrage de minerai de fer ou matière analogue comme dans les méthodes antérieureso 230 - Procédé suivant la revendication 22, caractérisé en ce que le recuit de courte durée (30 minutes à 4 heures environ) de la pièce de fonte est effectué dans un four à bain de sel de type ordinaire.

   24. - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 15, et 18 à 23, caractérisé en ce qu'il est appliqué à toutes les fontes alliées de structures austénitiques, bainitiques, sorbitiques, martensitiques, perli- tiques ou autres.

   25. - Pièce de fonte obtenue par le procédé suivant l'une quel- conque des revendications 1 à 15 et 18 à 24, caractérisée en ce que grâce à la présence du graphite sous forme nodulaire elle est légèrement déformable à l'état brut de coulée, d'un usinage aisé et donnant des copeaux roulés, apte à prendre un beau poli, possède un bon coefficient de frottement, as- sure une bonne étanchéité, résiste bien à la chaleur et aux chocs thermi- ques, est capable de prendre les revêtements électrolytiques, retient bien les masses céramiques et les émaux et est apte à bien tenir les revêtements métalliques par trempe à chaud. en annexe 1 dessin.