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PERFECTIONNEMENTS AUX FONTES MALLEABLES CONTENANT DU MAGNESIUMo
Il est bien connu que l'on produit la fonte malléable à coeur noir par traitement thermique de la fon-te blanche et qu'elle a maintes propriétés désirables, la limite élastique étant comprise entre 15,75 et 40 kg/mm2, la charge de rupture entre 28,5 et 40 kg/mm2 et l'allongement entre 10 et 20 %, pourvu que la matrice soit entièrement ferritique et que la teneur en phosphore soit basseo Toutefois, comme il est essentiel que la fonte initiale soit com- plètement blanche, la gamme des compositions est limitée et l'épaisseur des moulages ne doit pas, en pratique, dépasser 5 cm.
En fait, dans le cas où l'on s'écarte des gammes assez étroites de compositions qui sont appropriées, ou dans le cas d'un refroidissement lent,9 le graphite primaire est précipité; ce graphite se présente sous forme de lamelles et on doit usiner légèrement le moulage. De plus,,, le traitement thermique de malléabilisation est usuellement long, à savoir 30 à 150 heures.
Conformément à la présente invention, on soumet de la fonte blan- che contenant de 0,03 à 0,50 % de magnésium à un traitement thermique de mallé- abilisationo On a constaté que cette opération décompose les carbures massifs de la fonte en fer et en graphite sphéroidal.
Par "graphite spéroïdal", on en- tend un graphite se présentant sous forme de particules sphéroldales uniformé- ment réparties ayant un aspect rayonnant et polycristallin, ce qui le différen- cie de la forme irrégulière et d'apparence duveteuse du graphite que l'on trou- ve dans la fonte malléable à coeur noir ordinaire, ce graphite étant un agré- gat de fines lamelles de graphitée On peut distingueur nettement le graphite sphéroïdal des autres formes de graphite en ce que., quand on l'examine à la lumière polarisée à travers un microscope pourvu de polariseurs croisés,
des zones successives des particules sphéroldales s'éteignent lorsque l'on fait tourner la platine du microscope.
La fonte malléable obtenue conformément à l'invention possède une combinaison remarquable de propriétés. En particulier, pour les mêmes valeurs d'allongement, les limites élastiques et les charges de rupture à la traction de la fonte obtenue conformément à l'invention sont plus grandes que celles
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de la fonte malléable à coeur noir normale.
Ainsi, pourvu que la matrice soit encore entièrement ferritique et que la teneur en phosphore soit basse, l' allon gement étant compris entre 10 et 20 %, la limite élastique est comprise dans
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l'intervalle de 235 à 40 kg/mm2 (en général, 3le5 kg/mm2 environ) et la charge de rupture est comprise dans l'intervalle de 35 a 52 kg/mm2 (généralement 44 kg/mm2 environ). La comparaison de ces chiffres avec ceux donnés ci-dessus qui sont les chiffres moyens obtenus sur les fontes malléables à coeur noir que l'on peut obtenir avec un même allongement pleinement satisfaisante montre immédiatement des limites élastiques et des charges de rupture sensiblement plus élevées.
Cette combinaison de propriétés est une caractéristique des pro- duits conformes à l'invention, grâce à quoi on peut obtenir une fonte malléable qui est, en réalité, un matériau de structure nouvelle
Un autre avantage réside dans le fait que l'on n'a plus de limita- tion dans la dimension des moulages.
On a fait antérieurement des propositions pour traiter la fonte en fusion avec du magnésium. Le magnésium est un élément hautement réactif et on doit prendre des précautions spéciales si l'on veut qu'il en reste une certaine quantité dans la fonte brute de coulée. A moins qu'il n'y ait au moins 0,03 % de magnésium dans la fonte brute de coulée, on ne peut pas obte-
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nir une forme sphêroidale du graphite par traitement thermique. Par exemple, on a constaté qu'un moulage en fonte blanche exempt de magnésium contenant 2,8 % de carbone, 0,8 % de silicium et 1% de nickel, ainsi qu'un moulage simi- laire contenant en outre 0,016% de magnésium retenu contiennent du graphite sous forme d'agrégats de lamelles, après avoir été traités à 925 C .
D'autre
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part, dans un moulage similaire renfermant environ 007 % de magnésium retenu, le graphite est sous forme sphéroidale après le même traitement thermique de malléabilisation.
On peut ajouter le magnésium à la fonte en fusion sous forme d'al- liage, c'est-à-dire avec du nickel ou du cuivre. De préférence., on introduit le magnésium sous forme d'un alliage dont la densité approche celle du bain en fusion ou la dépasse, étant donné que plus la densité est grande, plus dans un ensemble donné de conditions, la proportion de magnésium retenue dans le métal est élevéeo Des alliages nickel-magnésium contenant de 4 à 20 % de magné- sium et des alliages nickel-magnésium-carbone contenant de 12 à 15 % de magnésium et de 1,3 à 2,5 % de carbone donnent des résultats satisfaisants. En général, plus la concentration en magnésium dans l'agent d'addition est grande,, plus la proportion de magnésium effectivement introduite dans la coulée est faible.
Plus la température de la coulée au moment de l'introduction du magnésium, soit sous forme d'alliage, soit sous une autre forme, est faible, plus la proportion du magnésium retenu est grande.
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A titre d'exemple de l'addition de magnésium sous forme d'a1Jiage, un alliage comprenant 3315 % de magnésium, le complément étant du nickel., est concassé en morceaux d'un calibre de 9 mm environ et est ajouté à la surface d'une fonte en fusion contenant 3,,3 % de carbone, 1,5 % de silicium, 0, JD % de soufre et 0,02' de phosphore, à une température de 10370 C. La quantité d'alliage ajoutée est de 1,63 % en poids par rapport au métal en fusion et la quantité de magnésium présente dans le moulage de fonte blanche résultante est
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de 05069 %.
A titre d'autre exemple, un alliage renfermant 19 % de magnésium et 81 % de nickel est concassé de manière similaire et plongé au-dessous de la surface d'une fonte en fusion contenant 3,4 % de carbone, 1,7 % de silicium
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OeO3 % de soufre et 0,0'T de phosphore, à une température de 10465 Co La quantité d'alliage ajouté représente 1,7 % en poids du métal en fusion et la
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quantité de magnésium dans le moulage en fonte blanche résultante est de 008%o Le magnésium réagit particulièrement avec le soufre et un moulage
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contenant au moins o,03 % de magnésium est caractérisé par une très basse te- neur en soufre, c'est-à-dire 002 % de soufre ou moins. Ceci est plus claire- ment illustré par les résultats donnés par certains essais.
Dans ces essais,
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on est parti de fonte liquide renfermant 3 % de carbone, 0.,5 % de silicium, 095 % de manganèse et 0, la. de soufre et on forme un premier moulage à partir de cette fonte sans autre traitement ultérieur. Cette fonte présente une cas-
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sure blanche lorsqu'elle est brute de coulée. On fait un second moulage en traitant une partie de. la fonte liquide avec une petite quantité de magnésium; il présente à l'état brut de coulée une cassure blanche et contient 0,087% de soufre et 0,012% de magnésium. On traite une troisième partie de la coulée avec une quantité de magnésium légèrement plus grande; le moulage présente une cassure traitée brute de coulée et contient 0,036% de soufre et 0,025 % de ma- gnésium.
On traite une quatrième partie de la coulée avec assez de magnésium pour obtenir une teneur .en magnésium retenu de 0,036 %, la teneur en soufre étant réduite à 0,018 %. On soumet ces quatre moulages de fonte au même trai- tement de malléabilisation à température élevée. On constate que après ce traitement,, le graphite des trois premiers moulages est sous forme de lamelles, tandis que dans le quatrième moulage, il se présente sous forme sphéroldale.
Lorsque l'on produit une fonte blanche destinée à être traitée ther- miquement conformément à l'inventions il n'est pas essentiel d'utiliser une fonte liquide ayant une composition telle queà l'état non traité, elle four- nisse un moulage blanc, parce que le magnésium qui est ajouté a une tendance énergique à donner de la fonte blanche. Il est possible par suite, d'uti'liser des fontes blanches - ayant des compositions de base qui pourraient être des fontes grises à l'état brut de coulée, si elles étaient coulées sans y retenir de magnésium - et d'obtenir cependant des fontes malléables très satisfaisantes contenant du graphite sphéroïdal.
En réalité, même lorsqu'une certaine quanti- té de graphite se trouve présente dans la fonte blanche, contenant surtout du magnésium tel qu'il est décrit dans l'invention, ce graphite se présente sous la forme sphéroïdale, il n'affecte pas d'une manière nuisible les propriétés de la fonte traitée thermiquement et, en fait, il est avantageux.
Cette carac- téristique permet d'utiliser l'inoculation, aussi bien que des compositions ayant de fortes tendances à la graphitisation dans la production du moulage blanc initial en fonte blanche que l'on -se propose de malléabiliser. Le terme "fonte blanche" doit être entendu ici comme comprenant une fonte qui est blan- che de manière prédominante et sui comprend une bertaine quantité de graphite sphéroidalo
Par suite du fait que le métal en fusion n'a pas besoin de fournir un moulage complètement blanc, la fonte de base peut contenir de plus grandes quantités de carbone et de silicium (qui sont des éléments de graphitisation) que les moulages utilisés pour produire la fonte malléable ordinaire à coeur noir.
Les avantages consistent en ce que l'on obtient une meilleure fluidité et une meilleure coulabilité à l'état de fusion et que l'on peut produire les fontes de base à partir d'une plus grande variété de matières brutes et avec moins d'exigences pour contrôler étroitement les teneurs en carbone et en sili- ciumo De plus, en raison de l'effet blanchissant du magnésium, les moulages peuvent contenir de plus grandes quantités ,d'éléments ou d'alliages graphiti- sants tels que le nickel et le cuivre que celles qu'il était possible d'intro- duire dans la fonte malléable ordinaire. Ceci donne la possibilité d'augmenter la résistance à la rupture et à la corrosion de la fonte malléable.
Quand-la donte en fusion fournit un moulage gris, sans addition de magnésium ou quand on obtient des moulages de section supérieure à 5 cm., on doit ajouter assez de magnésium pour assurer une teneur en magnésium retenu supérieure à OyO3 %, de préférence de 0,05 % au moinso Dans de tels moulages, il est préférable de donner au magnésium une teneur comprise entre 0,06 % et 0,15 %. Bien que la teneur en magnésium puisse être aussi élevée que 0,05 %, de préférence elle ne doit pas dépasser 0,2 %.
Le fait que l'on peut utiliser une fonte de base qui aurait une structure grise est d'une importance pratique dans les fonderies dans lesque-1- les on exécute également des moulages en fonte malléable et des moulages en fonte grise, étant donné qu'il devient inutile de produire une coulée qui serait de structure blanche, en vue de la malléabilisation ultérieure. Au contraire, on peut utiliser une composition de base normale, à la fois pour les moulages en fonte malléable et les moulages en fonte grise et on peut leur donner une structure blanche pour les moulages malléables par addition de magnésium.
En général, une fonte blanche qui doit être traitée conformément à l'invention contient, en plus du magnésium, de 1,8 à 4 % de carbone., de 0,4
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à 4% de silicium, de 0 à 3,5 % de nickel, de 0 à 2% de cuivre et de 0 à 2% de manganèse, le complément étant constitué par du fer et des impuretés. Les fontes ayant de faibles teneurs en manganèse, c'est-à-dire des teneurs inférieu- res à 0,3 %, sont caractérisées par une vitesse de malléabilisation plus grande que celle des fontes similaires qui contiennent davantage de manganèse.
Les fontes blanches que l'on peut malléabiliser rapidement et qui possèdent une excellente combinaison de propriétés sont celles renfermant de 0,05 à 0,20 % de manganèse, de 2,5 à 3,5 % de crarbone, de 0,4 à 2,6 % de silicium et de 0,04 à 0,15 % de magnésium. Le phosphore affecte de manière nuisible la ductilité de la fonte malléable et sa teneur est, de préférence, maintenue au-dessous de 0,12 %, mais il ne gêne pas la formation de graphite sphéroïdal pendant le traitement thermique.
Certains autres éléments que l'on ne trouve pas d'ordi- naire dans la fonte sont nuisibles et doivent être élimines. Ces éléments nui- sibles sont l'étain, le plomb, l'arsenic, le bismuth, l'antimoine et le tellure.
L'étain est particulièrement nuisible et ne doit pas être présent en quantités supérieures à 0,05 %. Des éléments stabilisants ou ayant tendance à donner de la fonte blanche, tels que le chrome, doivent être évités ou ne doivent être présents qu'en faibles quantités, par exemple la teneur en chrome ne doit pas, de préférence, dépasser 0,15 %.
La teneur du carbone combiné à la fonte malléable produite confor- mément à la présente invention et possédant une matrice principalement ferri- tique est usuellement basse, c'est-à-dire en dessous de 0,2 %; quoique la teneur en carbone combiné dans les moulages ayant une matrice principalement perliti- que soit plus élevée, par exemple de 0,5 % à 1 %. De préférence, presque tout le carbone ou graphite non combiné est sous forme sphéroïdale, quoique l'on obtienne des résultats intéressants même si une seule partie, à savoir 25 %, du graphite, est sphéroïdale.
On conduit le traitement thermique appliqué aux moulages en fonte blanche aux températures habituelles de malléabilisation, mais, en général, on l'effectue en beaucoup moins de temps que lorsque l'on produit de la fonte malléable à coeur noir ordinaire. Pour produire une fonte malléable présentant une matrice ferritique, le traitement peut comprendre un chauffage à une tem- pérature comprise entre 840 et 980 C., de préférence entre 900 et 925 C. pen- dant 5 à 15 heures, puis un chauffage à une température inférieure à la tempé- rature de transformation gamma-alpha mais de préférence pas inférieure de plus de 45 C. à cette température de transformation pendant une plus courte période, à savoir 2 à 5 heures.
Les températures normalement utilisées dans le second chauffage sont comprises entre 690 et 710 C. Quand on désire obtenir de la fon- te malléable ayant une matrice essentiellement perlitique, on supprime le se- cond traitement à température de l'ordre de 700 C.
Par exemple, on fond de la fonte contenant 3 % de carbone, 0,4 % de silicium, 0,014 % de phosphore, 0,07 % de manganèse et 0,04 % de soufre..
On coule une partie de la fonte en fusion et on la traite avec du magnésium, par exemple un alliage nickel-magnésium contenant 87% de nickel et 13% de ma- gnésium, sans inoculation sous forme d'une barre de fonte blanche et dure con- tenant environ 0,06 % de. magnésium retenu et qui est sensiblement exempte de carbone non combiné. On coule une autre partie de la fonte en fusion sans addition de magnésium sous forme d'une barre en fonte blanche dure. On chauffe ces deux barres pendant 10 heures environ à 925 C. environ et on les refroidit à l'air. Le carbone non combiné contenu dans la barre renfermant du magnésium que l'on a traitée thermiquement se présente sous forme de sphéroïdes denses dispersés dans une matrice perlitique-' presque tous les carbures massifs ayant été décomposés par le traitement thermique.
La dureté Brinell de cette barre est de 279. D'autre part, dans la barre exempte de magnésium traitée thermi- quement, seule une petite portion des carbures massifs présents initialement dans la barre exempte de magnésium a été décomposée en carbone non combiné, sous une forme irrégulière, duveteuse, agglomérée en lamelles réparties dans une matrice de perlite et de carbure. La dureté Brinell de cette barre est de 393.
A titre d'autre exemple, on fond la fonte contenant 2,4 % de car- bone, 0,65 % de silicium, 0,24 % de manganèse et 0,03 % de soufre. On coule
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une partie du métal en fusion sans traitement ultérieur, le moulage est blanc et a une dureté Brinell de 387. On ajoute suffisamment de magnésium à une au- tre partie de la coulée pour obtenir une teneur en magnésium restant dans la fonte de 0,05 % dans un moulage que l'on obtient, et ce moulage a une dureté Brinell de 428. On soumet ensuite les deux moulages à un traitement thermique comprenant un chauffage à environ 950 0. pendant 5 heures, un refroidissement au four à 690 C.environ et un chauffage à cette température pendant 5 herures, suivi d'un refroidissement à l'air à la température atmosphérique.
Après ce traitement thermique, le moulage exempt de magnésium a une dureté Brinell de 207 environ et le graphite qui y est contenu est sous forme d' aggrégat de la- melles. Le moulage contenant du magnésium, après le traitement thermique a une dureté Brinell de 157, mais une charge de rupture de 44 kg/mm2 et une fonte malléable ferritique comportant du graphite sous forme sphéroidale.
Etant donné que les quantités de magnésium en question sont très f aibles, des procédés différents d'analyse peuvent donner facilement des résul- tats différents et il est désirable, par conséquent, de signaler que les chif- fres donnés dans la description sont obtenus par le procédé suivant :
On fait dissoudre l'échantillon dans un mélange d'acide perchlori- que et d'acide nitrique. On fait évaporer jusqu'à production de fumées, on dilue et on filtre. On sépare la majeure partie du fer du filtrat par électro- lyse dans une cellule à cathode de mercure, en laissant assez de fer pour for- mer une combinaison avec le phosphore présent. On rend la solution ammoniacale, on ajoute du persulfate d'ammonium, on fait bouillir et on filtre.
On fait précipiter le magnésium dans le filtrat avec du phosphate di-ammonique, de la manière habituelle, on le filtre, on le calcine et on le pèse sous forme de Mg2P2O7.