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FONTE AU CUIVRE AVEC TRAITEMENT POUR HAUTE TENACITE.
L'invention se rapporte à un procédé de traitement de fonte coulée blanche en vue d'obtenir une fonte à haute ténacité.
Il est connu que le cuivre et le nickel facilitent la graphitisation des fontes aussi bien au cours de la solidification des fontes grises qu'au cours du recuit des fontes blanches pour malléable. il est également admis que le nickel a une efficacité plus grande que le cuivre., et il est d'usage courant de mettre du nickel jusqu'à 5% dans les fontes grises à haute qualité, mais il n'est pas d'usage d'introduire du cuivre ou du nickel dans les fontes blanches pour malléable à coeur noir, l'effet de ces éléments n'étant pas suffisant pour compenser l'augmentation de prix.
L'invention est caractérisée par ceci que, dans les fontes blanches pour malléable, le cuivre peut présenter une efficacité très grande et tout à fait inattendue quand le traitement de graphitisation est effectué en trois phases successives:
1.- Austénisation au-dessus de la température de fin de transformation eutectolde suivie de trempe étagée;
2.- Revenu et germination du graphite par réchauffage brusque ou mieux progressif à une température convenable précise T de l'ordre de 450 et de durée suffisante de l'ordre de 48 h., 3.- Graphitisation de la cémentite primaire par maintien prolongé à tempértaure notablement plus élevée que la température de fin de transformation entectoide, par exemple 12 h. à 895 ou 3 h. à 900 , suivi par exemple de refroidissement à l'air calme.
Pour bien mettre en évidence cette propriété nouvelle du cuivre, on montrera par des exemples que l'action du cuivre est plus efficace qu' une quantité égale de nickel; si l'on remarque que le nickel est environ cinq fois
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plus cher que le cuivre, Inefficacité à égalité de prix d'addition est d'un ordre de grandeur beaucoup plus élevé, ce qui présente un intérêt industriel considérable.
On peut se rendre compte du mode d'action comparé des éléments cuivre et nickel en opérant sur des aciers eutectoides de composition analogue à celle de la fonte blanche, c'est-à-dire dont la composition s'obtient par déduction de la cémentite primaire ou proeutectoide.
Quatre aciers ont été coulés puis austénisés à 810 30 mn., trempés à l'huile, réchauffés 48 h. à T , refroidis à l'air calme, réchauffés à 700 pendant 150 h. et enfin refroidis à l'air calme. Le nombre moyen N des sphérules de graphite formées par mm2 de section est donné ci-dessous à côté des compositions chimiques et pour deux valeurs de T. Pour la valeur optimum T = 450 ,le nickel n'apporte aucune amélioration par'rapport aux aciers coulés de même composition par ailleurs, alors qu'au contraire le cuivre relève de 5.000 le nombre de germes par unité de section.
EMI2.1
<tb>
<tb>
Coulées <SEP> C <SEP> Si <SEP> Mn <SEP> Ni <SEP> Cu <SEP> T=450 <SEP> T=500
<tb> N/mm2 <SEP> N/mm2
<tb> 1.893 <SEP> 0. <SEP> 96 <SEP> 1.27 <SEP> 0.3 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 30.000 <SEP> 3.000
<tb> 2.064 <SEP> 0,92 <SEP> 1.55 <SEP> 0. <SEP> 39 <SEP> 0.64 <SEP> 0 <SEP> 30.000 <SEP> 10.000
<tb> 2.067 <SEP> 0 <SEP> .93 <SEP> 1. <SEP> 51 <SEP> 0.35 <SEP> 0 <SEP> 1. <SEP> 60 <SEP> 35.000 <SEP> 16.000
<tb> 2.063 <SEP> 0.95 <SEP> 1.70 <SEP> 0.40 <SEP> 0.58 <SEP> 1.68 <SEP> 35.000 <SEP> 16.000
<tb>
Si l'on passe maintenant à la comparaison de fontes blanches pour malléable, on voit que les fontes figurant au tableau ci-après ont été coulées en sable en barreaux de 15 x 30 mm. et ont donné une structure blanche.
Elles ont ensuite subi la gamme de traitement suivante : austénisation 810 durée 30 mn., trempe au sel 1800 1 mn. refroidissement à l'air calme, réchauffage à T = 4500 48 h. refroidissement à l'air calme , réchauffage 885 10 h. refroidissement à l'air calme. Dans tous les cas, la graphitisation de la cémentite primaire est complète.
Les compositions chimiques et le nombre moyen N de grains de graphite (nodules fins ou sphérules ultra fines selon les cas) par mm2 sont donnés dans le tableau suivant :
EMI2.2
<tb>
<tb> Coulées <SEP> C <SEP> Si <SEP> Mn <SEP> Cu <SEP> Ni <SEP> S <SEP> P <SEP> N
<tb> 2.050 <SEP> 2.40 <SEP> 1.02 <SEP> 0.40 <SEP> 0 <SEP> 2.08 <SEP> 0.108 <SEP> 0.094 <SEP> 2.500
<tb> 2.045 <SEP> 2.39 <SEP> 1.08 <SEP> 0.38 <SEP> 0 <SEP> 2.13 <SEP> 0. <SEP> 094 <SEP> 0.097 <SEP> 2.500
<tb> 2.041 <SEP> 2.28 <SEP> 1.43 <SEP> 0.66 <SEP> 2.00 <SEP> 0 <SEP> 0.10 <SEP> 0.09 <SEP> 9.000
<tb> 2.040 <SEP> 2.32 <SEP> 1.08 <SEP> 0.40 <SEP> 2.02 <SEP> 0 <SEP> 0.107 <SEP> 0.094 <SEP> 9.500
<tb>
On voit qu'à égalité de concentration, le cuivre conduit à un nombre de nodules de graphites 3.7 à 4 fois plus grand.
Si l'on admet que le nickel est 5 fois plus cher que le cuivre, l'efficacité du cuivre est environ vingt fois plus grande que celle du nickel à égalité de prix d'addition.
Si, maintenant, l'on fait la comparaison avec des moulages de fonte exempte de nickel et de cuivre, coulés dans les mêmes conditions que ci-dessus et en effectuant même trempe préalable. même traitement de germination que ci-dessus, mais le cycle de graphitisation étant de 14 h. à 895 , la légère coalescence des nodules de graphite en a légèrement diminué le nombre.
Le nombre de nodules N par unité de section et la quantité de cémentite résiduelle Fe3C% trouvée sont indiqués dans le tableau suivant :
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EMI3.1
<tb>
<tb> Coulées <SEP> C <SEP> Si <SEP> Mn <SEP> Cu <SEP> Ni <SEP> S <SEP> P <SEP> N <SEP> Fe3C%
<tb> 2.145-1 <SEP> 2.32 <SEP> 1.46 <SEP> 0. <SEP> 67 <SEP> 0 <SEP> 0.11 <SEP> 0.095 <SEP> 2. <SEP> 500 <SEP> 1
<tb> 2.145-11 <SEP> 2.22 <SEP> 1.42 <SEP> 0.66 <SEP> 0 <SEP> 1.83 <SEP> 0.10 <SEP> 0.095 <SEP> 2.770 <SEP> 0,5
<tb>
EMI3.2
2.147 2.33 1.53 0 .71 2 .2 0 .1 0 0 .12 6.550 0
L'augmentation du nombre de nodules ou sphérules de graphite rapportée à a même quantité d'addition est 12,3 fois plus élevée dans le cas du cuivre que dans celui du nickel. Si on remarque que le nickel est 5 fois plus cher'que le cuivre.
Inefficacité à égalité de prix d'addition est 60 fois plus grande dans le cas du cuivre.
Si l'on fait la même comparaison mais avec un traitement un peu différent même trempe préalable, germination 48 h. à T = 500 , graphitisation 10 h. à 885 , on trouve les résultats suivants :
EMI3.3
-------------- ¯¯¯¯¯ ¯¯¯¯¯ ¯¯¯¯¯ ¯.¯¯ ¯¯¯¯ --------¯
EMI3.4
<tb>
<tb> Coulées <SEP> C <SEP> Si <SEP> Mn <SEP> Cu <SEP> Ni <SEP> S <SEP> p <SEP> N
<tb> 1.995 <SEP> 2.36 <SEP> 1.15 <SEP> 0 <SEP> .36 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0.12 <SEP> 0.10 <SEP> 1. <SEP> 000
<tb> 2.045 <SEP> 2 <SEP> .39 <SEP> 1. <SEP> 08 <SEP> 0 <SEP> .38 <SEP> 0 <SEP> 2.13 <SEP> 0 <SEP> .094 <SEP> 0 <SEP> .097 <SEP> 1. <SEP> 350
<tb> 2.041 <SEP> 2.28 <SEP> 1.43 <SEP> 0. <SEP> 66 <SEP> 2.00 <SEP> 0 <SEP> 0.10 <SEP> 0.09 <SEP> 6.
<SEP> 900
<tb>
EMI3.5
--= ----- ------ L-------1------ L----J- - ---l-L - - ------i
L'accroissement du nombre de nodules ramené à la même concentration en addition est 18 fois plus élevé pour le cuivre que pour le nickel.
A égalité de prix, Inefficacité du cuivre est 90 fois plus grande que celle du nickel.
On sait que, dans les fontes malléables sans addition spéciale, la trempe préalable doit obligatoirement être martensitique, c'est ce qui a été fait dans les exemples précités; mais on a découvert cette autre propriété remarquable du cuivre, à savoir qu'il permet par trempe préalable bainitique de conduire à un nombre élevé de fins nodules.
L'étude des transformations isothermes a permis de préciser que les fontes étudiées, austénisées à 810 30 mn., puis trempées au sel 3 h. à 400 , subissent une transformation bainitique complète. Apres trempe préalable.bainitique effectuée dans ces conditions. la germination du graphite est réalisée par recuit de 48 h. à 450 et la graphitisation est ensuite obtenue par réchauffage à 895 et maintien 'de 14 h. suivi de refroidissement à l'air calme.
Ensuite le's cycles de ce traitement, il y a retour à la température ambiante, mais il va de soi que le passage pourrait s'effectuer de 400 à 450 , puis à 895 sans refroidissement intermédiaire et avec le même résultat., Par ailleurs., on a voulu montrer cette propriété remarquable du cuivre en opérant la trempe préalable à la température même de la germination du graphite: à cet effet, les moulages ont été austénisés à 810 30 mn., trempés à 450 et maintenus 48 h. à cette température, puis ensuite portés à 895 pendant 14 h. et enfin refroidis à l'air calme.
Le tableau suivant donne, pour ces deux gammes de traitement et pour les fontes de compositions déjà. mentionnées (toujours coulées en sable en barreaux de 15 x 30 mm. et de structure de coulée parfaitement blan- che)p les résultats relatifs à la quantité de cémentite primaire éventuellement restante Fe3C% et le nombre N de nodules ou sphérules dé graphite par
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mm2 de section.
EMI4.1
<tb>
<tb>
Fe3C <SEP> eC
<tb> N <SEP> de <SEP> coulée <SEP> 1995 <SEP> 2145- <SEP> 2145- <SEP> 2041 <SEP> 1995 <SEP> 2145- <SEP> 2145- <SEP> 2041
<tb> type <SEP> de <SEP> I <SEP> II <SEP> I <SEP> II
<tb> composition <SEP> témoin <SEP> témoin <SEP> Ni <SEP> = <SEP> Cu <SEP> témoin <SEP> témoin <SEP> Ni <SEP> Cu
<tb>
EMI4.2
1,83 2,00 ,3 2,00
EMI4.3
<tb>
<tb> Trempe <SEP> 450
<tb> Maintien <SEP> 48h.
<tb> à <SEP> 450 <SEP> 12 <SEP> 5 <SEP> <1 <SEP> 0 <SEP> 60 <SEP> 250
<tb> Réchauffage
<tb> 895 <SEP> 14h.
<tb>
Trempe <SEP> préalable <SEP> 400
<tb> 3h.
<tb>
Germination <SEP> 25 <SEP> 50 <SEP> 400
<tb> 450 <SEP> 48 <SEP> h..
<tb>
Graphitisation
<tb> 895 <SEP> 14h.
<tb>
On voit que le cuivre est plus efficace que le nickel et que le dernier traitement est meilleur que le premier.
L'augmentation du nombre de germes à égalité d'addition est 3,8 fois plus grande pour le cuivre que pour le nickel avec le premier traitement et 12,3 fois plus grande avec le second.
Si l'on ramène au môme prix d'addition, le cuivre serait 60 fois plus efficace que le nickel.
On 100 a pouvoir expliquer cette action du. cuivre par le fait qu'il est au voisinage de la teneur eutectique ternaire Fe - Fe3C- Cu, de telle sorte qu'il partiaip en totalité à la trempe préalable en restant en sursaturation dans la feraite. Au cours du traitement de germination à 450 , il subit une migration centripète qui précède sa précipitation. Il en résulte des augmentations locales très élevées de la concentration en cuivre, de telle sorte qu'en ces régions l'instabilité de la cémentite est accrue et qu'elle se décompose en donnant du graphite très fin et très diffus, mais qui, en raison de sa stabilité, se développe aux dépens de la cémentite primaire dans 1' opération consécutive à haute température.
Le nickel, au contraire, en raison de sa solubilité élevée dans la ferrite, présente partout la composition moyenne et son efficacité reste faible.
Dans ces traitements de fonte au cuivre, une particularité essentiellé est d'observer à la fois la succession des trois opérations : trempe préalable, germination vers 450 , graphitisation consécutive à haute température
Un exemple est donné par la comparaison de la gamme correcte et' de deux autres gammes où ont été supprimés soit la trempe préalable, soit le revenu pour germination.
Dans cet essai, la fonte témoin -sans cuivre est -la coulée 1995 déjà signalée; la fonte 1996 au cuivre a pour analyse: @
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EMI5.1
C =2,45 Si = 1;14 Mn = 0,48 S = 0.12 P = 0,in C =2,00. Les résultats sont donnés dans le tableau suivant:
EMI5.2
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
EMI5.3
<tb>
<tb> Fe <SEP> C%
<tb> Gamme <SEP> de <SEP> traitement <SEP> résiduel <SEP> N <SEP> . <SEP>
<tb>
Trempe <SEP> Revenu <SEP> Graphiti- <SEP> Témoins <SEP> Cu= <SEP> 2% <SEP> Témoin <SEP> .ou= <SEP> 2%
<tb> préala- <SEP> Germina- <SEP> sation <SEP> 1995 <SEP> 1996 <SEP> 1995 <SEP> 1996
<tb> ble <SEP> tion <SEP> primaire
<tb> Néant <SEP> 450 <SEP> 875 <SEP> 18 <SEP> 5 <SEP> 0 <SEP> 80
<tb> 48h <SEP> 10h.
<tb>
810 <SEP> 30mm <SEP> 875 <SEP> 15 <SEP> 1 <SEP> 110 <SEP> 300
<tb> sel <SEP> 1800 <SEP> Néant <SEP> 10 <SEP> h.
<tb>
1 <SEP> mm.
<tb>
EMI5.4
-------- --------- ------ - ---- ------- ---------- -------- ----------
EMI5.5
<tb>
<tb> 810 <SEP> 30mm <SEP> 450 <SEP> 8750 <SEP> 5 <SEP> 0 <SEP> 200 <SEP> 6.500
<tb> sel <SEP> 180
<tb> 1 <SEP> mn. <SEP> 48 <SEP> h. <SEP> 10 <SEP> h.
<tb>
EMI5.6
--------¯ - ------- ----------- -------- 1 ----- - --- -------- -----------
On voit que, seuls, le triple traitement et l'addition de cuivre permettent de résorber la totalité de cémentite primaire et d'avoir un nombre élevé de nodules ou sphérules de graphite. C'est là un point essentiel de l'invention.
Une autre particularité est le soin avec lequel cette température de 450 doit être respectée pour conduire à un bon résultat, cela résulte de l'examen des courbes des fig. 1 et 11 correspondant à une durée de maintien à la température de germination respectivement de 48 et de 96 heures. Les courbes se rapportent à une même fonte malléable de 'composition: C = 2,22'Si = 1,34 Mn = 0.65 Cu = 2 S = 0,12 P = 0,10 Al = 0,03 Ti = 0,06.
L'influence du temps de maintein en fonction de la température de germination est donnée sur la figure III.
On voit l'intérêt d'observer un temps suffisant pour avoir un nombre élevé de germes de graphite et l'inconvénient économique de prolonger excessivement ce temps.
Bien que le meilleur résultat soit obtenu au bout de 192 H. à 450 , une durée de 48 h. donne un résultat pratiquement équivalent à un prix moindre. Par contre, des temps inférieurs à 30 h. sacrifieraient inutilement la qualité.
Avec ces fontes à 2% de cuivre coulées en sable et par traitement correct, le nombre de nodules ou sphérules de graphite par mm2 est généralement compris entre 3. 000 et 15. 000 selon les régions et les épaisseurs, le diamètre moyen des sphérules de graphite est généralement compris entre 1 et 10 microns, plus généralement 4 microns .
Les fontes malléables au cuivre du type faisant l'objet de 1' invention et les nouvelles gammes précises de traitement thermique ont pour autre propriété remarquable nouvelle de pouvoir étendre l'emploi de fonte blanche pour'malléable à des épaisseurs de moulage plus grandes que par les procédés classiques, tout en liant '4'la fois, structure blanche à la coulée et aptitude à la graphitisation, qui sont généralement des propriétés contradictoires.
Selon l'invention, ces propriétés sontconciliées par le fait qu'à la solidi- fication, l'action graphitisante de 2% de cuivre est compensée par l'action' blanchissante d'un accroissement correspondant du manganèse ou par l'introduction de molybdèneµ ou de chrome, ou l'abaissement corrélatif du sili'cium,
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alors qu'au moment de la germination du graphite à 450 , cette compensation n'a plus lieu en raison de la migration centripète du cuivre qui précède sa précipitation et des accroissements locaux très élevés de concentration qui en résultent.
Une conséquence remarquable de ces propriétés nouvelles est la possibilité par fusion au cubilot, par affinage ou four à réverbère, par c-ou= lée en sable, d'obtenir des moulages de structure blanche qui, après avoir su- bi le triple traitement de trempe préalable, revenu de germination, recuit de graphitisation primaire, présentent des caractéristiques mécaniques remarqua- bles non encore réalisées sur fonte industrielle coulée blanche pour malléa- ble et ceci avec une très grande régularité de fabrication résultant à la @ fois de l'effet du cuivre et de la précision apportée au traitement thermique sans risque de tapure, grâce à la trempe interrompue et sans déformation, en raison de la limitation de la température la plus élevée atteinte en cours de traitement.
L'effet favorable du cuivre peut être combiné avec celui des additions d'aluminium, de titane et de zirconium, ces trois éléments ayant une action également favorable pour l'obtention d'un nombre élevé de germer. quand on emploie le procédé rationnel de graphitisation à germination'contrô- lée. L'exemple suivant se rapporte à trois coulées de fonte blanche coulées en sable, et ayant subi le traitement suivant : - chauffage à 810 30 mn trempe au sel 180 lmn. refroidisse-. ment à l'air calme - - réchauffage à 4500 48 h. refroidissement à l'air calme-, - réchauffage à 895 14 h. refroidissement à l'air calme.
Le tableau suivant donne la cémentite primaire résiduelle et le nombre de nodules de graphite :
EMI6.1
<tb>
<tb> Coulés <SEP> C <SEP> SI <SEP> Mn <SEP> S <SEP> P <SEP> Cu <SEP> Al <SEP> Tl <SEP> Zr <SEP> Fe3C <SEP> N.mm2
<tb> 2.203 <SEP> 2.49 <SEP> 1.19 <SEP> 0.65 <SEP> 0.07 <SEP> 0.08 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 1. <SEP> 5 <SEP> 1.200
<tb> 2.205 <SEP> 2.53 <SEP> 1.25 <SEP> 0. <SEP> 61 <SEP> 0. <SEP> 07 <SEP> 0.08 <SEP> 2 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 6.500
<tb> 2.206 <SEP> 2.41 <SEP> 1.20 <SEP> 0. <SEP> 70 <SEP> 0. <SEP> 07 <SEP> 0.07 <SEP> 2 <SEP> 0.05 <SEP> 0,10 <SEP> 6.500-
<tb> 2.207 <SEP> 2.
<SEP> 41 <SEP> 1.20 <SEP> 0.07 <SEP> 0.07 <SEP> 0.07 <SEP> 2 <SEP> 0.03 <SEP> 0 <SEP> 0.12 <SEP> 8.000
<tb>
Les propriétés mécaniques qu'il est facile de réaliser avec ces moulages sont généralement au moins égales aux valeurs suivantes pour les éprouvettes prélevées par usinage dans des barreaux et refroidies à l'air calme après graphitisation de 14 h. à 895 , de telle sorte que la matrice est perlitique lamellaire : . dureté Vickers kg/ mm2 320
Limite élastique " " 67
Charge.-de rupture" " 82
Allongement % " " 4
Mais ces moulages peuvent aussi, après le triple traitement de graphitisation, subir un traitement de trempe et revenu;
on peut ainsi par chauffage à 825 , trempe à l'huile et revenu à 650 , relever la limite élastique et 'obtenir
Dureté Vickers kg/mm2 350
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Limite élastique kg/mm2 98
Charge de rupture " 102
Allongement % " 2,4
Eventuellement, on peut profiter de la chaleur et de la'temperature de recuit de graphitisation pour effectuer le traitement final soit par transformation insotherme, soit par trempe et revenu.
L'effet favorable du cuivre comme élément d'addition aux fontes dans le traitement en trois phases persiste quand les moulages qui y sont soumis ont été obtenus en coquille métallique. L'ffet du cuivre est mis en évidence par l'exemple cité ci-dessous dans lequel sont comparées deux fontes coulées en coquille et dont les teneurs en tous leurs éléments autres que le cui- . vre et le fer sont identiques, à savoir:
EMI7.1
<tb>
<tb> C <SEP> Si <SEP> Mn <SEP> S <SEP> P
<tb>
EMI7.2
2.4D% 1,55% 0.60% 0 10% 0,10
Les conditions de traitement de chacune des deux fontes après trempe préalable et les résultats obtenus - nombre de nodules de graphite formés dans la germination et propriétés mécaniques - sont représentés ci-dessous:
EMI7.3
<tb>
<tb> Cuivre <SEP> Germination <SEP> Nombre <SEP> de <SEP> Graphitisa- <SEP> Limite <SEP> Charge <SEP> de <SEP> Allonintroduit <SEP> temps <SEP> et <SEP> germes <SEP> au <SEP> tion <SEP> temps <SEP> et <SEP> élasti- <SEP> rupture <SEP> ge
<tb> dans <SEP> la <SEP> température <SEP> mm2 <SEP> température <SEP> que <SEP> kg/mm2 <SEP> kg/mm2 <SEP> ment%
<tb> fonte
<tb> néant <SEP> 15 <SEP> h. <SEP> à <SEP> 500 <SEP> 18. <SEP> 000 <SEP> 2 <SEP> H. <SEP> à <SEP> 8750 <SEP> 60 <SEP> 85 <SEP> 4%
<tb> 1.20% <SEP> 15 <SEP> h. <SEP> à <SEP> 450 <SEP> 38.000 <SEP> 1 <SEP> h.
<SEP> à <SEP> 8750 <SEP> 67 <SEP> 105 <SEP> 6,1%
<tb>
Si, comme on le remarque, la température de germination et le temps de graphitisation sont plus élevés pour la fonte exempte de cuivre que pour celle qui en contient, c'est parce qu'il a été nécessaire de se soumettre à ces conditions plus onéreuses pour tirer le meilleur parti de la fonte exempte de cuivre. Pour cette dernière, les résultats seraient nettement moins bons que ceux qui figurent dans le tableau, si la.germination avait été conduite à une température aussi basse que 450 et si le temps de graphitisation avait été aussi court qu'une heure. Par rapport à la coulée en sable, le moulage en coquille a l'avantage de permettre de raccourcir d'une fagon très sensible le temps de graphitisation à une température déterminée.
Suivant l'exemple ci-dessus la disparition de la cémentite primaire est complète à 875 en une heure.
Des résultats très satisfaisants peuvent être obtenus sur des moulages en fonte au cuivre coulés en coquille avec des temps de germination plus courts que celui qui est indiqué dans l'exemple, par exemple 3 à 6 heures de maintien à température peuvent convenir.
Des moulages blancs redevables du procédé peuvent également être produits dans des moules dont l'empreinte est constituée d'éléments d' épaisseur relativement faible obtenus par agglomération de sable ou autre matière réfractaire au moyen d'une matière plastique organique thermodurcissable par exemple.
REVENDICATIONS.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
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COPPER CAST WITH TREATMENT FOR HIGH TENACITY.
The invention relates to a process for treating white cast iron in order to obtain a high tenacity cast iron.
It is known that copper and nickel facilitate the graphitization of cast irons both during the solidification of gray cast irons and during the annealing of white cast irons. it is also believed that nickel has a higher efficiency than copper., and it is common practice to put nickel up to 5% in high quality gray cast iron, but it is not customary to introduce copper or nickel in the white cast irons for malleable black core, the effect of these elements not being sufficient to compensate for the increase in price.
The invention is characterized by this that, in white cast irons, copper can exhibit a very high and quite unexpected efficiency when the graphitization treatment is carried out in three successive phases:
1.- Austenization above the temperature at the end of the eutectoid transformation followed by staged quenching;
2.- Income and germination of the graphite by sudden or better gradual heating to a precise suitable temperature T of the order of 450 and of sufficient duration of the order of 48 h., 3.- Graphitization of the primary cementite by prolonged maintenance at a temperature significantly higher than the temperature at the end of the entectoid transformation, for example 12 h. at 895 or 3 h. to 900, followed for example by cooling in still air.
To clearly demonstrate this new property of copper, it will be shown by examples that the action of copper is more effective than an equal quantity of nickel; if we notice that the nickel is about five times
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more expensive than copper, the inefficiency at equal addition price is of a much higher order of magnitude, which is of considerable industrial interest.
We can see the comparative mode of action of the elements copper and nickel by operating on eutectoid steels of composition similar to that of white cast iron, that is to say whose composition is obtained by deduction of cementite primary or proeutectoid.
Four steels were cast then austenized at 810 30 minutes, quenched in oil, reheated 48 hours. at T, cooled in still air, warmed to 700 for 150 h. and finally cooled in still air. The average number N of graphite spherules formed per mm2 of section is given below next to the chemical compositions and for two values of T. For the optimum value T = 450, nickel does not provide any improvement compared to steels otherwise cast of the same composition, whereas copper, on the contrary, reveals the number of seeds per unit of section by 5,000.
EMI2.1
<tb>
<tb>
Castings <SEP> C <SEP> Si <SEP> Mn <SEP> Ni <SEP> Cu <SEP> T = 450 <SEP> T = 500
<tb> N / mm2 <SEP> N / mm2
<tb> 1.893 <SEP> 0. <SEP> 96 <SEP> 1.27 <SEP> 0.3 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 30,000 <SEP> 3.000
<tb> 2.064 <SEP> 0.92 <SEP> 1.55 <SEP> 0. <SEP> 39 <SEP> 0.64 <SEP> 0 <SEP> 30,000 <SEP> 10,000
<tb> 2.067 <SEP> 0 <SEP> .93 <SEP> 1. <SEP> 51 <SEP> 0.35 <SEP> 0 <SEP> 1. <SEP> 60 <SEP> 35,000 <SEP> 16,000
<tb> 2.063 <SEP> 0.95 <SEP> 1.70 <SEP> 0.40 <SEP> 0.58 <SEP> 1.68 <SEP> 35,000 <SEP> 16,000
<tb>
If we now turn to the comparison of white cast irons for malleable, we see that the cast irons shown in the table below were sand cast in bars of 15 x 30 mm. and gave a white structure.
They then underwent the following treatment range: austenization 810 duration 30 min., Salt quenching 1800 1 min. cooling in still air, reheating at T = 4500 48 h. still air cooling, reheating 885 10 h. still air cooling. In all cases, the graphitization of the primary cementite is complete.
The chemical compositions and the average number N of graphite grains (fine nodules or ultra fine spherules depending on the case) per mm2 are given in the following table:
EMI2.2
<tb>
<tb> Castings <SEP> C <SEP> Si <SEP> Mn <SEP> Cu <SEP> Ni <SEP> S <SEP> P <SEP> N
<tb> 2.050 <SEP> 2.40 <SEP> 1.02 <SEP> 0.40 <SEP> 0 <SEP> 2.08 <SEP> 0.108 <SEP> 0.094 <SEP> 2.500
<tb> 2.045 <SEP> 2.39 <SEP> 1.08 <SEP> 0.38 <SEP> 0 <SEP> 2.13 <SEP> 0. <SEP> 094 <SEP> 0.097 <SEP> 2.500
<tb> 2.041 <SEP> 2.28 <SEP> 1.43 <SEP> 0.66 <SEP> 2.00 <SEP> 0 <SEP> 0.10 <SEP> 0.09 <SEP> 9.000
<tb> 2.040 <SEP> 2.32 <SEP> 1.08 <SEP> 0.40 <SEP> 2.02 <SEP> 0 <SEP> 0.107 <SEP> 0.094 <SEP> 9.500
<tb>
We see that at equal concentration, copper leads to a number of graphite nodules 3.7 to 4 times greater.
Assuming that nickel is 5 times more expensive than copper, the efficiency of copper is about twenty times greater than that of nickel at the price of addition.
If, now, we make the comparison with castings of cast iron free of nickel and copper, cast under the same conditions as above and by performing the same pre-quenching. same germination treatment as above, but the graphitization cycle being 14 h. at 895, the slight coalescence of the graphite nodules slightly reduced the number.
The number of N nodules per unit of section and the quantity of residual cementite Fe3C% found are indicated in the following table:
<Desc / Clms Page number 3>
EMI3.1
<tb>
<tb> Castings <SEP> C <SEP> Si <SEP> Mn <SEP> Cu <SEP> Ni <SEP> S <SEP> P <SEP> N <SEP> Fe3C%
<tb> 2.145-1 <SEP> 2.32 <SEP> 1.46 <SEP> 0. <SEP> 67 <SEP> 0 <SEP> 0.11 <SEP> 0.095 <SEP> 2. <SEP> 500 <SEP> 1
<tb> 2.145-11 <SEP> 2.22 <SEP> 1.42 <SEP> 0.66 <SEP> 0 <SEP> 1.83 <SEP> 0.10 <SEP> 0.095 <SEP> 2.770 <SEP> 0.5
<tb>
EMI3.2
2.147 2.33 1.53 0 .71 2 .2 0 .1 0 0 .12 6.550 0
The increase in the number of graphite nodules or spherules relative to the same amount of addition is 12.3 times greater in the case of copper than in that of nickel. If we notice that nickel is 5 times more expensive than copper.
Inefficiency at par of addition price is 60 times greater in the case of copper.
If we make the same comparison but with a slightly different treatment, same pre-quenching, germination 48 hours. at T = 500, graphitization 10 h. at 885, we find the following results:
EMI3.3
-------------- ¯¯¯¯¯ ¯¯¯¯¯ ¯¯¯¯¯ ¯.¯¯ ¯¯¯¯ -------- ¯
EMI3.4
<tb>
<tb> Castings <SEP> C <SEP> Si <SEP> Mn <SEP> Cu <SEP> Ni <SEP> S <SEP> p <SEP> N
<tb> 1.995 <SEP> 2.36 <SEP> 1.15 <SEP> 0 <SEP> .36 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0.12 <SEP> 0.10 <SEP> 1. <SEP> 000
<tb> 2.045 <SEP> 2 <SEP> .39 <SEP> 1. <SEP> 08 <SEP> 0 <SEP> .38 <SEP> 0 <SEP> 2.13 <SEP> 0 <SEP> .094 <SEP > 0 <SEP> .097 <SEP> 1. <SEP> 350
<tb> 2.041 <SEP> 2.28 <SEP> 1.43 <SEP> 0. <SEP> 66 <SEP> 2.00 <SEP> 0 <SEP> 0.10 <SEP> 0.09 <SEP> 6.
<SEP> 900
<tb>
EMI3.5
- = ----- ------ L ------- 1 ------ L ---- J- - --- l-L - - ------ i
The increase in the number of nodules reduced to the same addition concentration is 18 times higher for copper than for nickel.
At equal price, the inefficiency of copper is 90 times greater than that of nickel.
We know that, in malleable cast irons without special addition, the preliminary quenching must necessarily be martensitic, this is what was done in the aforementioned examples; but we have discovered this other remarkable property of copper, namely that it allows by bainitic pre-quenching to lead to a high number of fine nodules.
The study of isothermal transformations made it possible to specify that the cast iron studied, austenized at 810 30 min., Then soaked in salt for 3 h. at 400, undergo a complete bainitic transformation. After preliminary soaking bathtub carried out under these conditions. germination of the graphite is carried out by annealing for 48 hours. at 450 and graphitization is then obtained by reheating to 895 and holding '14 h. calm air cooling followed.
Then the cycles of this treatment, there is a return to ambient temperature, but it goes without saying that the passage could be carried out from 400 to 450, then to 895 without intermediate cooling and with the same result. we wanted to show this remarkable property of copper by carrying out the preliminary quenching at the same temperature as the graphite germination: for this purpose, the castings were austenized at 810 30 min., quenched at 450 and maintained for 48 h. at this temperature, then subsequently brought to 895 for 14 h. and finally cooled in still air.
The following table gives, for these two treatment ranges and for the composition melts already. mentioned (always sand cast in bars of 15 x 30 mm. and with a perfectly white casting structure) p the results relating to the quantity of primary cementite possibly remaining Fe3C% and the number N of nodules or spherules of graphite by
<Desc / Clms Page number 4>
mm2 of section.
EMI4.1
<tb>
<tb>
Fe3C <SEP> eC
<tb> N <SEP> of <SEP> casting <SEP> 1995 <SEP> 2145- <SEP> 2145- <SEP> 2041 <SEP> 1995 <SEP> 2145- <SEP> 2145- <SEP> 2041
<tb> type <SEP> of <SEP> I <SEP> II <SEP> I <SEP> II
<tb> composition <SEP> indicator <SEP> indicator <SEP> Ni <SEP> = <SEP> Cu <SEP> indicator <SEP> indicator <SEP> Ni <SEP> Cu
<tb>
EMI4.2
1.83 2.00, 3 2.00
EMI4.3
<tb>
<tb> Tempering <SEP> 450
<tb> Maintain <SEP> 48h.
<tb> to <SEP> 450 <SEP> 12 <SEP> 5 <SEP> <1 <SEP> 0 <SEP> 60 <SEP> 250
<tb> Reheating
<tb> 895 <SEP> 2 p.m.
<tb>
Quenching <SEP> prior <SEP> 400
<tb> 3h.
<tb>
Germination <SEP> 25 <SEP> 50 <SEP> 400
<tb> 450 <SEP> 48 <SEP> h ..
<tb>
Graphitization
<tb> 895 <SEP> 2 p.m.
<tb>
We see that copper is more efficient than nickel and that the last treatment is better than the first.
The increase in the number of seeds at equal addition is 3.8 times greater for copper than for nickel with the first treatment and 12.3 times greater with the second.
If we reduce to the same price of addition, copper would be 60 times more efficient than nickel.
We can explain this action of the. copper by the fact that it is in the vicinity of the ternary eutectic content Fe - Fe3C- Cu, so that it partiaip entirely in the pre-quenching while remaining supersaturated in the iron. During the germination treatment at 450, it undergoes a centripetal migration which precedes its precipitation. This results in very high local increases in the copper concentration, so that in these regions the instability of the cementite is increased and that it decomposes giving very fine and very diffuse graphite, but which, in due to its stability, develops at the expense of primary cementite in the subsequent high temperature operation.
Nickel, on the contrary, because of its high solubility in ferrite, exhibits the average composition everywhere and its efficiency remains low.
In these copper smelting treatments, an essential feature is to observe both the succession of the three operations: preliminary quenching, germination around 450, consecutive graphitization at high temperature
An example is given by comparing the correct range with two other ranges where either the pre-quenching or the tempering for germination have been omitted.
In this test, the control cast iron - without copper is - the 1995 cast already mentioned; 1996 copper cast iron is analyzed: @
<Desc / Clms Page number 5>
EMI5.1
C = 2.45 Si = 1; 14 Mn = 0.48 S = 0.12 P = 0, in C = 2.00. The results are given in the following table:
EMI5.2
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
EMI5.3
<tb>
<tb> Fe <SEP> C%
<tb> <SEP> range of <SEP> treatment <SEP> residual <SEP> N <SEP>. <SEP>
<tb>
Tempering <SEP> Income <SEP> Graphiti- <SEP> Witnesses <SEP> Cu = <SEP> 2% <SEP> Witness <SEP>. Or = <SEP> 2%
<tb> préala- <SEP> Germina- <SEP> sation <SEP> 1995 <SEP> 1996 <SEP> 1995 <SEP> 1996
<tb> ble <SEP> primary <SEP> tion
<tb> None <SEP> 450 <SEP> 875 <SEP> 18 <SEP> 5 <SEP> 0 <SEP> 80
<tb> 48h <SEP> 10h.
<tb>
810 <SEP> 30mm <SEP> 875 <SEP> 15 <SEP> 1 <SEP> 110 <SEP> 300
<tb> sel <SEP> 1800 <SEP> None <SEP> 10 <SEP> h.
<tb>
1 <SEP> mm.
<tb>
EMI5.4
-------- --------- ------ - ---- ------- ---------- ----- --- ----------
EMI5.5
<tb>
<tb> 810 <SEP> 30mm <SEP> 450 <SEP> 8750 <SEP> 5 <SEP> 0 <SEP> 200 <SEP> 6.500
<tb> salt <SEP> 180
<tb> 1 <SEP> mn. <SEP> 48 <SEP> h. <SEP> 10 <SEP> h.
<tb>
EMI5.6
-------- ¯ - ------- ----------- -------- 1 ----- - --- ---- ---- -----------
It can be seen that only the triple treatment and the addition of copper make it possible to absorb all of the primary cementite and to have a high number of graphite nodules or spherules. This is an essential point of the invention.
Another peculiarity is the care with which this temperature of 450 must be respected to lead to a good result, this results from the examination of the curves of fig. 1 and 11 corresponding to a period of keeping at the germination temperature respectively 48 and 96 hours. The curves relate to the same malleable cast iron of 'composition: C = 2.22'Si = 1.34 Mn = 0.65 Cu = 2 S = 0.12 P = 0.10 Al = 0.03 Ti = 0.06 .
The influence of the maintein time as a function of the germination temperature is given in figure III.
We see the benefit of observing a sufficient time to have a high number of graphite seeds and the economic disadvantage of excessively prolonging this time.
Although the best result is obtained after 192 h at 450, a duration of 48 h. gives a practically equivalent result at a lower price. On the other hand, times less than 30 h. would unnecessarily sacrifice quality.
With these 2% copper cast iron castings in sand and by correct treatment, the number of graphite nodules or spherules per mm2 is generally between 3,000 and 15,000 depending on the region and the thickness, the average diameter of the spherules of graphite is generally between 1 and 10 microns, more generally 4 microns.
Another remarkable new property of copper malleable cast irons of the type which is the subject of the invention and of the new precise ranges of heat treatment is that they can extend the use of white cast iron to mold thicknesses greater than that of the same. conventional processes, while binding '4' at a time, white cast structure and graphitization ability, which are generally conflicting properties.
According to the invention, these properties are reconciled by the fact that on solidification, the graphitizing action of 2% copper is compensated by the whitening action of a corresponding increase in manganese or by the introduction of molybdenum. or chromium, or the corresponding lowering of sili'cium,
<Desc / Clms Page number 6>
whereas at the time of the germination of the graphite at 450, this compensation no longer takes place due to the centripetal migration of the copper which precedes its precipitation and the very high local increases in concentration which result therefrom.
A remarkable consequence of these new properties is the possibility by cupola melting, by refining or by reverberation furnace, by c-ou = lée in sand, to obtain castings of white structure which, after having undergone the triple treatment of pre-quenching, germination tempering, primary graphitization annealing, exhibit remarkable mechanical characteristics not yet achieved on white cast industrial cast iron to be malleable and this with very great manufacturing regularity resulting from both the effect of copper and the precision brought to the heat treatment without risk of cracking, thanks to the interrupted quenching and without deformation, due to the limitation of the highest temperature reached during the treatment.
The favorable effect of copper can be combined with that of the additions of aluminum, titanium and zirconium, these three elements also having a favorable action for obtaining a high number of germs. when the rational process of controlled germination graphitization is employed. The following example relates to three castings of white cast iron cast in sand, and having undergone the following treatment: - heating at 810 30 mins salt quenching 180 lmn. cool-. in calm air - - reheating at 4500 48 h. cooling in still air - reheating at 895 2 p.m. still air cooling.
The following table gives the residual primary cementite and the number of graphite nodules:
EMI6.1
<tb>
<tb> Cast <SEP> C <SEP> SI <SEP> Mn <SEP> S <SEP> P <SEP> Cu <SEP> Al <SEP> Tl <SEP> Zr <SEP> Fe3C <SEP> N.mm2
<tb> 2.203 <SEP> 2.49 <SEP> 1.19 <SEP> 0.65 <SEP> 0.07 <SEP> 0.08 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 1. <SEP> 5 <SEP> 1.200
<tb> 2.205 <SEP> 2.53 <SEP> 1.25 <SEP> 0. <SEP> 61 <SEP> 0. <SEP> 07 <SEP> 0.08 <SEP> 2 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 6.500
<tb> 2.206 <SEP> 2.41 <SEP> 1.20 <SEP> 0. <SEP> 70 <SEP> 0. <SEP> 07 <SEP> 0.07 <SEP> 2 <SEP> 0.05 <SEP> 0.10 <SEP > 6,500-
<tb> 2.207 <SEP> 2.
<SEP> 41 <SEP> 1.20 <SEP> 0.07 <SEP> 0.07 <SEP> 0.07 <SEP> 2 <SEP> 0.03 <SEP> 0 <SEP> 0.12 <SEP> 8.000
<tb>
The mechanical properties which are easy to achieve with these moldings are generally at least equal to the following values for the test pieces taken by machining in bars and cooled in still air after graphitization for 14 h. to 895, so that the matrix is lamellar pearlitic:. Vickers hardness kg / mm2 320
Yield strength "" 67
Breaking load "" 82
Elongation% "" 4
But these moldings can also, after the triple graphitization treatment, undergo a quenching and tempering treatment;
it is thus possible, by heating to 825, quenching in oil and tempering to 650, raise the elastic limit and 'obtain
Vickers hardness kg / mm2 350
<Desc / Clms Page number 7>
Yield strength kg / mm2 98
Breaking load "102
Elongation% "2.4
Optionally, the heat and temperature of graphitization annealing can be used to carry out the final treatment either by insothermal transformation or by quenching and tempering.
The favorable effect of copper as an additive to cast irons in the three-phase processing persists when the castings subjected to it have been obtained in metal shell. The effect of copper is demonstrated by the example cited below, in which two shell cast irons are compared and the contents of which in all their elements other than copper. vre and iron are identical, namely:
EMI7.1
<tb>
<tb> C <SEP> If <SEP> Mn <SEP> S <SEP> P
<tb>
EMI7.2
2.4D% 1.55% 0.60% 0 10% 0.10
The treatment conditions of each of the two cast irons after pre-quenching and the results obtained - number of graphite nodules formed in germination and mechanical properties - are shown below:
EMI7.3
<tb>
<tb> Copper <SEP> Germination <SEP> Number <SEP> of <SEP> Graphitisa- <SEP> Limit <SEP> Load <SEP> of <SEP> Allonintroduces <SEP> time <SEP> and <SEP> germs < SEP> at <SEP> tion <SEP> time <SEP> and <SEP> elasti- <SEP> rupture <SEP> ge
<tb> in <SEP> the <SEP> temperature <SEP> mm2 <SEP> temperature <SEP> than <SEP> kg / mm2 <SEP> kg / mm2 <SEP> ment%
<tb> font
<tb> none <SEP> 15 <SEP> h. <SEP> to <SEP> 500 <SEP> 18. <SEP> 000 <SEP> 2 <SEP> H. <SEP> to <SEP> 8750 <SEP> 60 <SEP> 85 <SEP> 4%
<tb> 1.20% <SEP> 15 <SEP> h. <SEP> to <SEP> 450 <SEP> 38,000 <SEP> 1 <SEP> h.
<SEP> to <SEP> 8750 <SEP> 67 <SEP> 105 <SEP> 6.1%
<tb>
If, as we can see, the germination temperature and the graphitization time are higher for copper-free cast iron than for that which contains it, it is because it was necessary to submit to these more expensive conditions. to get the most out of copper-free cast iron. For the latter, the results would be significantly worse than those shown in the table, if the germination had been carried out at a temperature as low as 450 and if the graphitization time had been as short as one hour. Compared to sand casting, shell casting has the advantage of making it possible to shorten the graphitization time at a determined temperature very significantly.
Following the example above, the disappearance of the primary cementite is complete at 875 in one hour.
Very satisfactory results can be obtained on shell cast copper castings with shorter germination times than that indicated in the example, for example 3 to 6 hours of temperature holding may be suitable.
White moldings liable to the process can also be produced in molds the imprint of which consists of elements of relatively small thickness obtained by agglomeration of sand or other refractory material by means of a thermosetting organic plastic, for example.
CLAIMS.
** ATTENTION ** end of DESC field can contain start of CLMS **.