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CENTRE TECHNIQUE DES INDUSTRIES DE LA FONDERIE, résidant à PARIS (Mandataires : J.. GEVERS & Cie).
PROCEDE POUR LE TRAITEMENT DE LA FONTE PAR BARBOTAGE
DE GAZ.
(Inventeurs : G. BLANC et N. -VOLIANIK).
(ayant fait l'objetd'une demande de brevet déposée en France le 16 mars 1955 - déclaration du déposant).
-Lettre rectificative jointe pour valoir comme de droit, à la date du 9/10/56: Page 5, ligne 17 (Exemple N* 3), il y a lieu de lire "inusinable" au lieu de "usinable".
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11 est connu que suivant la. vitesse à laquelle on refroi- dit de la fonte se trouvant initialement à l'état liquide, la. solidi- fication peut se produire suivant deux processus différents, donnant l'un de la fonte blanche, l'autre de la fonte grise, les propriétés de chacune de ces deux catégories de fonte étant très différentes.
Cette tendance à se solidifier suivant l'un ou l'autre de ces processus dépend de la composition de la fonte en éléments de base et d'autres facteurs accidentels moins bien connus et moins réguliers, provoquant le phénomène appelé anomalie de trempe. On connaît divers traitements
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. qui agissent dans un sens ou dans l'autre sur la tendance de la fonte à se solidifier sous l'un ou l'autre de ces deux aspects.
On connait des traitements en vue de favoriser la soli- dification avec apparition de graphite, c'est à dire, sous forme de fonte grise, consistant à additionner au bain des matières graphi- tisantes, c'est à dire des matières favorisant la libération, sous forme de graphite, du carbone contenu dans la fonte ; matières sont constituées en général soit par le graphite lui même en faible quantité, soit plus couramment par des matières contenant du silicium, ce graphite ou ces matières étant généralement ajoutés à l'état plus ou moins divisé.
Si des barreaux, tubes ou blocs massifs de graphite ou de matières graphitisantes sont plongés dans le bain, avec ou sans déplacements relatifs, ils n'ont d'effet notable sur le mode de so- lidification qu'au bout d'un temps trop long et avec un rendement trop faible pour que l'on puisse considérer cette action comme un mode de traitement industriel de la fonte.
La présente invention a pour objet un procédé pour ac- croître en quelques minutes la tendance d'une fonte liquide donnée à se solidifier sous forme de fonte grise consistant à faire barboter un gaz à travers cette fonte liquide dans des conditions telles qu'il vienne lécher un bloc ou une paroi en graphite ou autre matière gra- phitisante. Un moyen particulièrement avantageux à cet effet consiste à insuffler ce gaz à travers un corps creux constitué par une matière graphitisante, ce corps creux étant totalement ou partiellement immer- gé dans le bain. A titre d'exemple, l'insufflation pourra avoir lieu à travers un tube de graphite plongé dans la fonte liquide par une de ses extrémités.
Le gaz est insufflé dans le tube qui plonge dans le métal, sans qu'il soit nécessaire de le charger au préalable d'un corps actif
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sous forme de poudre, copeaux ou gouttelettes ou autres.
De préférence on conduit le barbotage de telle façon que l'agitation de bain soit assez violente pour provoquer des projections de métal liquide au dessus de la surface de ce bain.
Le gaz employé peut être un gaz inerte tel eue l'argon ou l'azote. Néanmoins, on peut aussi faire barboter de l'oxygène ou de l'air, sous réserve que le barbotage ait une durée assez courte, de l'ordre d'une à quatre minutes pour les fontes courantes, et soit effectué lorsque la température ne dépasse pas un certain maximum dé- pendant de la nature de le fonte, maximum qui, pour les fontes les plus habituelles, se situe vers 1.450 : au-delà de cette durée et au- dessus de cette température, on risque de produire l'effet inverse, c'est à dire un accroissement de la tendance à la solidification sous forme de fonte blanche, ce dernier effet étant d'ailleurs connu.
Ce procédé se prête à des applications pratiques assez diverses :
1 ) Traitement des fontes grises ordinaires:
Les qualités recherchées en général pour ces fontes sont d'être a.ussi homogènes que possible, de s'usiner facilement et de ne pas présenter de points ou de régions durs, même dans les zones où les épaisseurs sont faibles.
Or, en appliquant l'invention à des fontes de ce type c'est à dire, en y faisant barboter quand elles sont liquides des gaz traversant un tube de graphite, on diminue la tendance à la soli- dification sous forme de fonte blanche, autrement dit, on diminue sa tendance à la trempe. On réalise ainsi des pièces ayant une dureté plus régulière et une meilleure usinabilité et, en général, une plus grande homogénéité que lorsque l'on coule les mêmes pièces sans ef- fectuer un tel traitement, ce que l'on peut constater en particulier sur la cassure des éprouvettes dites "éprouvettes de trempe".
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Exemple ? 1
Une fonte grise ordinaire à 3,6% de carbone, 1,7% de si- lic@ium, 0,5% de manganèse, 0,1% de soufre et 0,1% de phosphore, éla- borée au cubilot, mais non traitée conformément à l'invention, peut atteindre en certains points d'une pièce où l'épaisseur n'est que de
5 mm, une dureté Brinell de 255 et des écarts de 60 unités Brinell d'un point à un autre d'une même pièce présentant des épaisseurs va- riables.
Une éprouvette de trempe constituée par un parallélépipède rectangle de 20 x 50 x 80 mm dont une face de 20 x 80 mm est coulée contre un bloc de fonte, et les autres contre un moule de sable, pré- sente dans ces conditions une profondeur de fonte blanche de 5 à 10 mm,
Toutes les conditions d'élaboration restant les mêmes, on fait barboter de l'air pendant une durée de 90 secondes à travers un tube de graphite à un débit de 13 litres par minute avant la coulée en moules, dans une poche contenant une soixantaine de kilogrammes de fonte liquide.
La dureté maximum de pièces identiques à celles définies plus haut s'abaisse à 219 et l'écart maximum à 42 unités Brinell.
En remplaçant l'air par l'azote, les chiffres observés sont respectivement de 202 et 41 unités Brinell. L'éprouvette de trem- pe, coulée comme il est dit ci-dessus, n'a plus après traitement qu' une épaisseur blanche de 1 à 3 mm environ.
Exemple ? 2
Une fonte contenant 3,3% de carbone, 1,9% de s'licium,
0,6% de manganèse, 0,09% de soufre et 0,6% de phosphore, élaborée par les procédés normaux présentait une profondeur de trempe de 4 mm.
Un barbotage d'azote a été effectué sur une poche de
1.200 kg de fonte liquide à travers quatre tubes de graphite de
110 x 10 mm de diamètre et de 760 mm de longueur, ce traitement étant poursuivi pendant deux minutes avec un débit d'azote de 180 litres
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par minute. Il en est résulté une profondeur de trempe de 2 mm.
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2 - Obtention de fontes à ]'"ute résistance usir.=. 1: l'outil coupant:
L'intention peut être appliquée également à certaines fon- tes à bas carbone et à bas silicium, en vue de réaliser des fontes à haute résistance, usinables à l'outil coupant.
Par les procédés usuels, de telles fontes présentent à la solidification, dans toute leur épais- suer, une texture blanche, elles sont dures, non usinables à l'outil coupant et fragiles sous l'effet des chocs.
En appliquant le procède suivant l'invention à de telles fontes en leur donne une'texture grise, le graphite se trouvant sous forme de lamelles qui sent en général courtes et épaisses. Ces fontes
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ainsi traitées ont des qualités mécaniques remarquables,, tout en étant encore facilement usinables à l'outil coupant.
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Fxem¯ple iJ r3 Une fonte élaborée par les procédés connus ayant une teneur en carbone de 2, 6 à 2,ë% et en silicium de 1, i à 1, 6;0, est usinable et , 'fragile, sa dureté Brinell dépasse 400 unités, les éprouvettes de trempe définies ci-dessus ont une cassure entièrement blanche.
Suivant l'invention, on a fait barboter dans le bain li- quido de l'azote ou de l'argon à travers un tube de graphite, ce bar-
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botage étant CQ'J1.r:6é lorsque le bain est à 1.480 et poursuivi pen- dant deux, minutes
Les fontes obtenues ont présenté alors des résistances à la traction (sur une éprouvette cylindrique prise par usinée dans un
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jet ou barreau de 22 .T.-.:) s it ù.é:s entre 37 et 42 kgj.'.!::2. Elles étaient parfaitement usinables à l'outil coupant :: ,...,: en épaisseur de 5 mm avec une dureté B ir.p1.J comprise entre 220 et 260 et la cassure de 1' éprouvette de yï wrv n'étavb blanche que sur une profondeur de 10 à 15 mn à partir du :-- .:fr:,:,"'li5 5er
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Exemple N 4.
On a élaboré par les procédés connus une fonte contenant
3,3% de carbone, 1,1% de silicium, 0,8% de manganèse, 0,08% de soufre, 0,15% de phosphore. On l'a étudiée avec une éprouvette de 100 x 40 x 140 dont une face de 100 x 40 avait été coulée contre un bloc de fonte.
La profondeur de trempe était de 45 mm. La fonte aurait donc été dif- ficilement usinable aux endroits où les parois ne dépassaient pas 4 cm d'épaisseur; de pluselle eût été fragile.
Suivant l'invention on a fait barboter de l'azote pendant deux minutes avec un débit de 160 litres par minute dans une poche de
1.700 kg à travers quatre tubes en graphite de 110 x 10 mm de diamè- tre et de 760 mm de longueur plongés dans le bain. La profondeur de trempe est passée à 12 mm, la fonte était usinable sans difficultés en tous les points des pièces où l'épaisseur ne descendait pas au-dessous de 15 mm et elle présentait une résistance à la rupture de 34 kg/mm2.
3 - Obtention de fontes à forte résistance à l'usure i carbone et à bas
L'invention peut aussi être appliquée à des fontes à bas/ silicium comme ci-dessus, dans des conditions telles qu'il reste dans la fonte une proportion de cémentite assez importante pour donner une forte résistance à l'usure, cette proportion de cémentite étant néan- moins maintenue assez faible pour que l'usinage ne soit pas compromis.
Ce résultat est atteint par exemple en effectuant le trai- tement par un barbbtage d'une durée de deux minutes sur une fonte à 2, 4% de carbone et 1,3% de silicium, qui présente après traitement une résistance de 28 à 32 kg, donc moins élevée que dans l'exemple précédent.mais dont l'examen micros@aphique fait apparaître un ré- seau de cémentite susceptible de conférer à ce matériau, dans certai- nes conditions de frottement, une très appréciable résistance à l'usure.
Conane on le voit, le procédé est d'une grande souplesse car es effets obtenus sont fonction du débit et de la durée du bar-
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botage que l'on peut régler très facilement. Au contraire dans les pro- cédés classiques dits d'"inoculation" par addition de .matières plus ou moins divisées il est beaucoup plus difficile de régler et de con- trôler l'action de ces matières.
Le procédé faisant l'objet de l'invention est doncplus ' sûr tout en étant plus économique que les procédés d'inoculation ac- tuellement connus,
Quelle que soit la fonte traitée, on a constaté un accrois- sement de la coulabilité du fait du traitement,un grain plus fin, une structure plus homogène. La surface du bain est plus nette et surtout on n'observe pas les inclusions d'oxydes difficilement évitables dans les fontes traitées par l'inoculation classique au ferro-@ilicium ou silico-calcium.
Le procédé est avantageusement employé pour la réalisation de pièces mécaniques de qualité: éléments de machines outils, cylindres de laminoirs, ohemises de moteur Diesel et de moteurs à explosion, lin- gotières, ces applications n'étant données qu'à titre d'exemple.
Il résulte de ce qui précède que les résultats du traite- ment peuvent différer quelque peu suivant la nature du gaz mis en bar- botage, mais que la condition essentielle est la présence d'un dispo- sitif d'insufflation comportant des parois en graphite ou matière gra- phitisante.
Le dessin annexé montre, à titre d'exemple, deux réalisa- tions de l'appareillage permettant la mise en oeuvra de l'invention.
La fin. 1 est une. figure schématique de principe.
La fig. 2 montre une réalisation plus industrielle corres- endant en particulier à lamise en oeuvra du procédé conformeront à l'exemple 2.
A la fig. 1 on a représenté en 1 la poche ou le creuset dans lequel est disposé lebain de fontr en fucion. Dans ce bain plonge
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un tube de graphite 2 raccordé par un manchon de fixation 3 avec un tubecoudé rigide 4, raccordé lui même, par un tube souple5et un compteur de débit 6, avec une bouteille de gazcomprimé 7, air ou azote par exemple. On voit immédiatement sur ce dessin que le gaz pro- venant de cette bouteille 7 pénètre dans le bain de fonte en léchant les parois du tube de graphite 2,
Dans le. réalisation de la fig. 2 on retrouve la poche ou le creuset 1, la bouteille de gaz comprimé 7, l'appareil de contrôle de débit 6.
Cet appareil est lui même raccordé à la bouteille 7 par l'intermédiaire du tube 8 et du manodétendeur 9. Les tubes de graphite 2 sont ici au nombre de quatre et sont portés par un support commun 10 avec dispositif de serrage 11, ce support 10 étant lui même fixé à l' extrémité de la tige 12 d'un verin 13 porté par une console fixe 14 disposée au dessus du creuset 1, Les divers tubes 2 sont raccordés par des tubes 15 avec une tête de distribution 16 raccordés par un tube souple commun 17 avec la bouteille et le compteur de débit 6.
Les tubes 15 sont enfin raccordés en 19 avec les tubes en graphite.
Sur cette figure on r.également représenté en 18 un rac- cord d'assemblage creux de deux éléments de tubes de graphite 2 suc- cessifs. Le verin 13 permet de commander à volonté la descente et la montée des tubes de graphite 2 dans la poche ou le creuset et par suite de déterminer avec exactitude la durée de mise en oeuvre du pro- cédé,
Bien entendu cet appareillage peut comporter de nombreuses variantes de réalisation, notamment en ce qui concerne le dispositif de montée et de descente des tubes de graphite.