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La présente invention est relative à la production de pièces coulées en fonte.
On a déjà proposé de vibrer divers métaux en,fusion, principalement dans le but de les affiner. ,
Suivant la présente invention, la structure d'une pièce coulée de fonte alliée ou non alliée qui se solidifierait avec formation de carbures dans toute ou la plus grande partie de la section est modifiée en soumettant la pièce coulée à une vi- bration durant sa solidification. Presque toutes les fontes
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répondant à cette définition, sont blanches ou principalement blanches, c'est-à-dire qu'elles ont plus de la moitié du carbo- ne sous forme combinée. Les effets produits dans diverses fon- tes carburées par une telle vibration sont très surprenants et n'avaient pas été prévus.
Le métal qui est vibré est une pièce coulée, c'est-à- dire, qu'il est.présent dans un moule durant la vibration, et que la composition du métal doit être telle que, eu égard au type de moule et aux conditions de coulée, ce métal se solidi- fie avec formation de carbures dans l'entièreté ou là plus grande partie de la section, s'il n'est pas vibré.
La vibration peut commencer avant que la solidification ne débute et se poursuive durant l'entièreté de la période de se- lidification, ou bien elle peut s'effectuer durant des parties seulement de la période de solidification.
La fréquence de la vibration est, de préférence, d'au moins 50 cycles par minute, mais elle n'excède pas, de préfé- rence, 20.000 cycles par seconde, car/11 devient plus difficile d'obtenir une amplitude suffisante de vibration lorsque la fré- quence'augmente. L'amplitude est, de préférence, comprise entre 0,5 et 0,001 pouce.
Le métal peut être vibré en faisant vibrer le moule , par exemple en attachant solidement le moule à un plateau qui est vibré par voie électromagnétique. Ou bien, une sonde vibran- teest immergée dans la masselotte de la pièce coulée. La sonde peut être en métal, par exemple en acier doux, ou en une ma- tière non métallique, telle que du graphite. Si la sonde est soluble dans la pièce coulée, par exemple si elle est d'acier doux, elle peut être alimentée vers l'avant dans la masselotte au fur et à mesure que cette sonde se dissout.
La vibration peut être produite mécaniquement, hydrauli-
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quement, pneumatiquement ou de toute autre manière. On peut éga- lement utiliser la méthode connue d'agitation à impulsions élec- tromagnétiques. L'énergie fournie doit en tout cas être telle que les vibrations s'étendent dans l'entièreté du métal en fu- sion.
La nature des effets produits par vibration de différen- tes pièces coulées sera maintenant décrite avec référence aux dessins annexés, les diverses figures montrant des microphoto- graphies de pièces coulées.
La fonte carburée est couramment réalisée pour l'un ou l'autre de deux buts principaux, à savoir : a) pour être utilisés là où sa dureté et, de ce fait, sa résistance à l'abrasion sont intéressantes. Un exemple est l'uti- lisation de boulets en fonte blanche dans les moulins de broyage; b) pour une conversion en fonte malléable par un procédé de recuit. Des organes produits par recuit d'une fonte carburée ont de bonnes ductilité, ténacité et résistance aux chocs parce que l'opération de recuit produit des agrégats ou des sphéroïdes de graphite qui n'affaiblissent pas la pièce coulée au même degré que ne le font les paillettes de graphite dans la fonte grise.
Grâce à la présente invention,, la fonte carburée des,ti- née à ces deux buts peut être améliorée.
Cela est dû au fait que l'effet principal de vibration sur les pièces coulées en fonte blanche est de modifier les réac- tions utectiques et hyper-eutectiques. En particulier, en vi- brant une pièce coulée qui serait normalement exempte de graphi- te eutectique et hyper-eutectique, et qui contiendrait normale- ment des carbures eutectiquus et hyper-cutectiques, une graphi- tisation peut Être provoquée durant la solidification.
Si la
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composition de la pièce coulée et les conditions sous lesquelles elle est produite sont modifiées pour empcher la production de graphite eutectique et hyper-eutectiquc en faisant vibrer la pièce coulée durant solidification, la vibration produit alors une altération marquée de l'aspect etde la structure des carbu- res eutectiques et hyper-eutectiques. Ces carbures forment cou- ramment un réseau cassant dans l'entièreté d'une pièce en fonte blanche et afaiblissent sérieusement sa résistance aux chocs en fournissant un parcours continu pour la propagation des craque- lures. La vibration provoque le remplacement du réseau continu de carbure par un dessin discontinu d'aiguilles ou plaques de carbure.
Comme ces aiguilles ou plaques de carbure ne forment pas un réseau continu, elles ne forment pas un parcours continu pour la propagation des craquelures, et la résistance aux chocs de la pièce coulée est nettement améliorée. Dans une pièce cou- lée ordinaire en fonte blanche, produite par vibration, une- cassure se produit dans le réseau de carbure, cassant. Dans des pièces vibrées en fonte blanche, où le carbure est discontinu, la cassure doit se produire à la fois dans le carbure et les autres'constituants présents. Les autres constituants peuvent être rendus tenace et résistants à la cassure par utilisation d'éléments d'alliage et de traitement thermiques convenables et, de cette manière, la résistance à la cassure de la pièce coulée est sensiblement améliorée.
Un exemple d'un tel changement est illustré par les figu- res 1 et 2 des dessins, qui se rapportent à une fonte blanche à nickel-chrome avec des carbures primaires (carbure hyper-eutec- tique). La figure 1 montre la microstructure d'une pièce coulée non vibrée comportant un carbure primaire massif, tandis que dans une pièce coulée produite à partir de la même masse en fu- sion et de la même manière, mais avec une vibration du moule de 100 cycles par seconde avec une amplitude de 0,04 pouce, la
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structure était telle montrée Par/la figure 2. Les carbures mas- sifs sont rompue et.un affinage eutectique s'est produit.
Dans d'autres fontes blanches qui, si elles n'étaient continu pas vibrées, se solidifieraient avec un réseau cassant/de car- bure, la structure peut être rendue aciculaire grâce à l'in- vention.
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Par exemple, des fontes se ressemblant ét;roiternentsauf ¯ en ce qui concerne la teneur en chrome, étaient produites comme suit .
Fonte, n 001,,POSITION
EMI5.2
Carbone S1,.:> 1%î,)S 1.m,)5 Cr,1\i total ¯¯¯¯¯ ¯¯¯¯¯ ¯¯¯¯¯¯¯ ¯¯¯¯¯¯¯¯
EMI5.3
<tb> 1 <SEP> 3,2 <SEP> 0,52 <SEP> 4,15 <SEP> 0,60 <SEP> 1,55
<tb>
<tb> 2 <SEP> 3,1 <SEP> 0,52 <SEP> 3,95 <SEP> 0,64 <SEP> 2,25
<tb>
<tb> 3 <SEP> 3,1 <SEP> 0,55 <SEP> 3,75 <SEP> 0,51 <SEP> 3
<tb>
<tb> 3,2 <SEP> 0,56 <SEP> 3,8 <SEP> 0,51 <SEP> 3,2
<tb>
On coulait dans du sable deux boulets de 2 pouces et demi' de diamètre avec chacune des fontes. Un boulet de chaque paire était vibré durant solidification et l'autre ne l'était pas.
Tous les boulets non vibrés contenaient du carbure sous la forme d'un réseau cassant continu en même temps que des dendrites aus- ténitiques hypo-eutectiques, comme montré à la figure 3. Cette structure est bien connue dans des fontes à alliage du type qui est utilisé de façon intense lorsqu'une 'grande résistance à l'abrasion est nécessaire, par exemple dans les boulets de broyage, et sa présence est un facteur limitatif de la résis- tance aux chocs.
Les boulets réalisés dans des moules qui étaient vibrés durant le diversement de la matière et sa solidification (100 cycles par seconde à une amplitutude d'environ 0,04 pouce)- avaient des structures eutectiques modifiées.
La fonte n 1, ayant la plus basse teneur de chrome, était
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inoculée par la vibration, et la pièce coulée contenait'des quantités importantes de graphite en paillettes. La fonte n 2 ayant une teneur de chrome de 2,25' ne comportai, t pas de graphi- te libre dans sa structure coulée, mais il y avait certains signes de modification de la structure du carbure en aiguilles discontinues. Une nouvelle augmentation de la teneur en chrome menait à un changement plus prononcé de forme du carbure en ai- guilles discontinues, et ce changement était total à la teneur la plus élevée en chrome de la fonte n 4 qui avait une struc- ture de carbure totalement aciculaire, comme montré à la figure 4.
Cette structure est connue comme conférant une ténacité ou résistance accrue aux pièces coulées qui présentent une telle structure. De plus, les dend.,rites ont été rendues plus petites par la vibration.
Grâce à l'invention, la structure d'une pièce de fonte qui se solidifierait avec une structure principalement blanche peut être rendue grise en soumettant cette pièce coulée à vi- bration durant sa solidification. Il est évidemment nécessaire que les conditions de coulée et la composition du métal soent convenables, puisque (comme montré par le dernier exemple) une fonte ayant une très forte tendance à se couler en fonte blan che ne peut pas être graphitée, même par vibration. Une fonte ayant comme composition : 3,2% de C; 0,2% de Si; 0,3% de Mn; 0,01% de S; 0,03% de P et 0,08% de Mg se solidifierait norma- lement totalement en fonte blanche même si tout le silicium (à savoir 0,2%) était ajouté comme inoculant.
Des fontes vi- brées qui sont pratiquement grises ont cependant été produites avec cette composition. Des fontes de citte composition et d'une telle structure coulée ne peuvent pas être réalisées'd'une au- tre manière quelconque, d'après les informations de la demande- resse, et on a trouvé qu'elles ont une excellente ductilité et
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une excellente résistance aux cocs, après un traitement,.thermiJ que ultérieur de ferritisation.
De même, une vibration peut-être utilisée pour augmenter la quantité de graphite qui se forme durant la solidification de pièces coulées qui ne contiendraient normalement qu'une proportion de graphite en plus des carbures hyper-eutectiques et eutectiques. Dans ce cas, une vibration a un effet similaire à celui de l'inoculation du métal liquide avec du ferro-sili- cium, du siliciure de calcium ou autre inoculant,'avant coulée.
La vibration peut être utilisée en plus ou au lieu de ces inocu- lants et permet un degré de graphitation n'ayant jamais pu être obtenu jusqu'à présent durant la solidification, dans des con- ditions sous lesquelles des pièces coulées partiellement carbu- rées seraient sinon produites.
Cette application de l'invention est spécialement intéres-, sante dans la production de graphite sphéroïdal dans des piè- ces coulées par des procédés dans lesquels un agent de sphéroï- disation, par exemple du magnésium, est ajouté à la fonte li- quide en des quantités telles qu'au moins 25% du graphite est sphéroïdal dans la fonte coulée.
Des pièces coulées réalisées en fonte ainsi traitée tendent fréquemment à contenir certaine carbures hyper-eutectiques et eutectiques, et il a été précédem- ment nécessaire, dans de tels cas, de faire une addition d'un inoculant, tel que du ferro-silicium, au métal liquide avant coulée et après traitement avec l'agent de sphéroêdisation L'inoculant favorise la formation de graphite sphéroïdal au lieu de carbures durant la solidifc tion., Si la vibration est substituée à l'inoculation ou alliée à celle-ci, les carbures libres peuvent être totalement éliminés.
Comme exemple du l'utilisation d'une vibration comme moyen de graphitisation dans la production de fonte à graphite sphé-
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roldal, trois coulées étaient déversées en partant d'un bain de fonte en fusion contenant environ 3,6% de carbone, 1,3% de sili- cium et 0,3% de manganèse, et chaque coulée était traitée avec 1% d'un alliage de 85% de nickel et de 15% de magnésium. Pour chaque coulée, deux pièces cylindriques similaires ayant chacune
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environ 2 1/4 pouces de dianièt,-e et 6 pouces de longueur étaient coulées dans des moules en sable liés par le procédé au COp-si- licate de sodium.
Un moule de chaque paire était fixé rigidement à une table qui était'vibrée à 100 cycles/seconde grâce à un électro-aimant excité par un solénoïde, tandis que l'autre moule n'était pas vibré. La vibration était appliquée, tandis que le métal était déversé, et elle était poursuivie jusqu' ce que la pièce coulée se soit refroidie jusqu'à environ 500 C. L'ampli- tude de vibration de la table pouvait être modifiée en faisant varier la tension appliquée au solénolde, une tension de 250 volts donnant une amplitude de 0,04 pouce et des tensions plus petites donnant de plus petites amplitudes.
Lorsque les pièces coulées étaient refroidies, elles étaient enlevées des moules et sectionnées, et les sections étaient analysées et examinées au microscope. Les résultats sont donnés au tableau suivant dans lequel les pièces coulées 5,6 et 7 n'étaient pas vibrées, tandis que les pièces 5A, 6A et 7A l'étaient.
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<tb>
Pièce <SEP> Analyse, <SEP> en <SEP> % <SEP> Structure
<tb>
<tb> coules, <SEP> Bord <SEP> Centre <SEP> Tension
<tb>
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n. C Si loin 1,,g Ni A Bx il* -H3é volts 5 3, 6 1, 35 , g o, 065 0,66 40 t 40 t 5A r1 il il sr il 0 b 0 b 250 6 3, 6 1,45 0, 5 a, 71 ü, 5l 30 t 40 t 6A n tt rr rr tr 0 b 0 b 200 7 3,5 1,20 0,33 0,063 0,52 30 t 35 t 7A tt il tt rr tt z b 0 b 150
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Ax-Cémentite en %; estimation par examen microscopique'
Bx= graphite en %; " " " " " de t = traces/graphite sphéroïdal b = beaucoup de graphite sphéroêdal.
On verra que les pièces coulées.qui n'étaient pas vi- brées durant solidification contenaient toutes des quantités considérables de cémentite (carbure de fer) et de très petites quantités seulement de graphite sphéroldal, tandis que les piè- ces qui avaient été vibrées étaient presque totalement graphitées.
Pour obtenir une structure totalement graphitique dans des pièces similaires sans utilisation de vibration, il aurait fallu ajouter environ 0,5% de silicium comme inoculant immédia- tement avant la coulée.
Le silicium est l'élément couramment utilisé pour promou- voir la graphitaion dans la fonte. D'une façon générale, une fonte se coulera en fonte blanche ou partiellement blanche à moins qu'elle ne contienne au moins 2% de silicium. Par l'appli- cation de la vibration, une pièce de fonte contenant moins de 1,5% de silicium peut être rendue graphitique.
Un autre avantage de l'utilisation de la vibration est que les effets habituels d'inoculation s'altèrent avec le temps, tandis que la vibration est efficace aussi longtemps que les vi- brations sont entretenues. On a trouvé que dans des pièces cou- lées à forte section qui demandent une très longue période de temps pour se solidifier, l'effet de l'inoculation au ferro- silicium s'use ou s'altère avec le temps, de sorte que le cen- tre des pièces coulées de ce type peut montrer un type de struc- ture non inoculé. Si,cependant, la vibration est appliquée en utilisant, par exemple, une soude vibrante introduite dans la massell.otte de la pièce coulée, il est possible d'entretenir une très forte influence d'inoculation, jusqu'à ce que tout le
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métal se soit solidifié.
Un autre exemple de l'utilisation de la vibration pour graphiter des carbures eutectiques est représenté par des fon- tesà fort alliage, contenant 18 à 28% de nickel, 1,5 à 4% de chrome et 2,7 à 3,2% de carbone, qui sont utilisees lorsqu'une combinaison de ténacité avec une résistance élevée à la corro- sion est nécessaire. Lorsque de telles fontes sont inoculées de la manière habituelle, par exemple avec 0,5% de silicium (ajouté sous forme de ferro-silicium),et sont coulées dans des moules de sable non vibrés, elles contiennent des carbures et du graphi te. Si cependant les moules sont vibrés, la quantité de carbure est réduite, tandis que l'utilisation à la fois de la vibration et de l'inoculation habituelle a pour résultat des fontes totalement exemptes de carbure.
Les figures 5 et 6 illustrent l'utilisation d'une vibration pour réduire la quan- tité de carbure eutectique présent dans une telle fonte à allia- ge contenant 22% de nickel, 2% de chrome et 3% de carbone. La figure 5 montre la microstructure d'une barre coulée de façon statique, tandis que la figure 6 montre la microstuture d'une barre exactement similaire coulée sous les mêmes conditions mais dans un moule vibrant. La matière fondue utilisée pour pro- duire ces deux barres n'était pas inoculée avec du ferro-sili- cium ; de ce fait, la figure 6 montre des carbures. Si la fonte avait également été inoculée, il n'y aurait pas eu de carbures.
Des résultats similaires sont obtenus dans des fontes de la même composition de base et qui ont été traitées avec du magnésium et des métaux de terres rares pour rendre le graphite sphéroldal.
En outre, une partie du nickel.de la fonte peut être remplacée par du cuivre pour donner une fonte de base contenant 12 à 19% de nickel et 6 à 8% de cuivre.
La possibilité de graphitisation d'une pièce coulée qui
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serait blanche si elle n'était pas coulée est spécialement in- téressante dans la production de conduits en fonte, par coulée centrifuge dans des moules métalliques, car ces conduits se cou- lent normalement principalement en fonte blanche. Une vibration du moule durant la solidification permet la production d'une fonte grise, et également l'utilisation d'une fonte de plus bas- se teneur en silicium, par exemple 1,5% et moins, avec une amé- liorationrxsultante des propriétés du conduit.
L'effet de graphitisation de la vibration peut également être utilisé pour produire des effetj localisés. En particulier, une pièce coulée qui se solidifierait principalement en fonte xxxx blanche, à savoir avec au moins 50% du carbone sous forme combinée.peut être soumise à une vibration telle,après qu'une solidification partielle-a eu lieu, que le noyauest rendu graphe tique, tandis que l'extérieur est totalement ou principalement en fonte blanche. Un exemple de ce qui précède est illustré par lesfigures 7 et 8 qui montrent les cassures de boulets ayant un diamètre de 21/4 pouces, coulés en partant de la même manière en fusion sans inoculation. Le boulet montré à la figure 7 n'était pas vibré et était totalement de fonte blanche.
Le boulet de la 'figure 8 avait été admis à se solidifier pendant 30 secondes sans vibration, et ensuite le moule avait été vibré durant le restant de la solidification.
Il est à nouveau possible de produire des pièces coulées à forte section, ayant un pourtour coquillé détermina, en fontes traitées au magnésium, à faible teneur en silicium (0,01 à 0,8% Des fontes contenant une quantité telle de magnésium qu'au moins, 25% du graphite est sphéroïdal 'mais tendant à secouler en fon- tes blanchesà moins que les conditons de coulée et le'degré d'inoculation ne soient favorables à la production de graphite, ne sont pas sensibles à modification de la vitesse de refroidis-
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sement. De ce fait, il est difficile de produire dans .ces fontes un coquillage déterminé. Par vibration, cependant, cela peut être réalisé.
On laisse les pièces coulées se solidifier pour donner un pourtour coquillé déterminé et on les fait ensuie vi- brer, en utilisant une sonde de vibration immergée dans la mas- selotte, de sorte que les parties centrales des pièces coulées sont en fonte grise et' ainsi résistantes aux chocs. Si la pièce coulée contient suffisamment de magnésium résiduaire, le graphi-' te du noyau sera sphéroldal et,ce noyau sera ainsi spécialement résistant. Un exemple de fonte dans laquelle un tel pourtour coquillé peut être produit est une fonte contenant 0,06% de ma- gnésium, 3% de carbone, 0,4% de silicium, 0,3% de manganèse, 0,008% de soufre, 0,04% de phosphore, 0,8% de chrome et 1,5% de nickel, le restant étant de la fonte.
L'invention permet également de raccourcir sérieusement le temps nécessaire pour produire une fonte malléable par recuit d'une fonte blanche. Ce recuit est habituellement réalisé à une température de 850 à 1000 C et demande souvent une période de temps d'au moins 48 heures. Si le réseau de carbure continu dans la fonte blanche coulée de la manière habituelle est rem- placé par une structure discontinue de carbure à titre de résul- tat d'une vibration durant solidification, la durée du recuit peut être aussi courte que 4 heures et ne doit pas excéder 36 heures.
De nouveau, dans la production de pièces en fonte à gra- phite sphéroldal en partant d'une fonte 'qui a été traitée avec du magnésium ou un autre agent de sphéroêdisation, une vibration qui est insuffisante pour graphiter totalement la fonte durant la solidification peut donner une fonte qui est encore totale- ment ou partiellement blanche mais qui peut être graphitée par un plus court recuit que celui qui serait sinon nécessaire. Lors'
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que la fonte traitée au magnésium et. vibrée contient du graphite sphéroêdal dans une gangue perlitique, une ferritisation ulté- rieure est accélérée.
REVENDICATIONS
1. Un procédé dans lequel la structure d'une pièce de fonte alliée ou non alliée qui se solidifierait avec formation de carbures dans l'entièreté ou la plus grande partie de la section est modifies en soumettant la pièce coulée à vibration durant sa solidification.
2. Un procédé dans lequel les carbures hyper-eutectiques dans une pièce coulée en fonte blanche sont rompus en soumettant la pièce coulée à vibration durant sa solidification.
3. Un procédé dans lequel des dendrites dans une pièce coulée en fonte blanche hypo-eutectique sont rendues plus petites en soumettant la pièce coulée à vibration durant la solidifica- tion.
4. Un procédé dans lequel une pièce coulée en fonte qui se solidierait avec un réseau cassant continu de carbure dans la structure est rendue aciculaire dans sa structure en soumettant la pièce coulée à vibration durant la solidification.
5. Un procédé dans lequel la structure d'une pièce coulée en fonte qui se solidifierait avec une structure entièrement ou principalement de fonte blanche est rendue grise en soumet- tant la pièce coulée à vibration durant sa solidification.