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"Fonte"
La présente invention a trait à la production de produits ouvrés ou forgés à partir de la fonte.
On sait bien que, par suite de l'introduction de certains éléments, qui peuvent être appelés agents sphéroldisants, dans la fonte fondue, de manière à assurer qu'une proportion suffisante de ces agents soit retenue dans la fonte alors qu'elle est coulée, le graphite que se sépare, pendant la solidification ou pendant un ré- chauffage au-dessus de la température critique pour décomposer les
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carbures, peut être rendu sphéroïde. L'élément que l'on emploie le plus communément en pratique est le magnésium et la production de la fonte à graphite sphéroïde par la rétention du magnésium est dé- crite et revendiquée dans les brevets n* 481.349 et 497.885 au même nom.
Le cérium, le calcium, le lithium, le sodium et le potassium figurent parmi les autres éléments qui peuvent être utilisés en tant qu'agents sphéroïdisants.
On sait aussi que la fonte à graphite sphéroïde peut être travaillée mécaniquement pour donner des produits ouvrés ou forgés. les propriétés de la fonte après le travail mécanique ou le forgeage ne sont toutefois pas entièrement satisfaisantes,puisque les filets qui résultent de l'aplatissement et de l'allongement des sphéroïdes de graphite ayant les tailles ou les grosseurs que l'on trouve géné- ralement dans la fonte à graphite sphéroïde, réduisent la résistance de la fonte, particulièrement la résistance au choc transversalement à la direction du laminage.
Selon l'invention, la fonte à graphite sphéroïde qui con- vient particulièrement au travail mécanique est obtenue en soumet- tant la fonte fondue au soufflage par l'oxygène pour en réduire la teneur en carbone à une valeur allant de 1,2 à 3,6% et pour élimi- ner sensiblement la totalité du silicium, en désoxydant le bain par contenant un désoxydant/dusilicium pour produire une teneur en silicium de la fonte, allant de 0,2 à 0,5 , en introduisant un agent sphéroï- disant et une quantité supplémentaire de silicium dans le bain, en coulant le bain dans un moule de solidification pour former une piè- ce moulée de fonte carburée, sensiblement dépourvue de graphite et contenant de 1,2 à 3,6% de carbone, de 1,0 à 2,0 % de silicium, pas plus de 1,
5 % de manganèse, pas plus de 0,07 % de phosphore et une proportion d'agent sphéroïdisant, suffisante pour assurer que le graphite formé par suite de la décomposition des carbures soit sphé- roïde de manière totale ou de manière prédominante, le restant, sauf les impuretés et les éléments accidentels communément présents dans
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la fonte à graphite sphéroïde, étant du tort et en chauffant la pièce moulée au-dessus de la température critique supérieur* pour décomposer les carbures en graphite. La pièce moulée ayant subi le traitement thermique, qui peut consister en un lingot ou, si on le désire, en une pièce moulée à façon, est alors transformée en un produit ou en produits forgés ou ouvrés par le travail mécanique.
Le travail mécanique peut être effectué à chaud ou à froid et l'on peut mettre en oeuvre une quelconque des opérations de travail méca- nique habituelles et, par exemple, le laminage, le martelage et le forgeage, pour obtenir un article semi-fini ou fini.
Les pièces moulées de fonte carburée produites au cours de ce processus ont une microstructure qui consiste principalement en carbures finement divisés, bien dispersés, dans une matrice per- litique ou perlitique-ferritique et sont sensiblement dépourvues du graphite primaire sous quelque forme que ce soit. Si l'on y trouve éventuellement une petite proportion de graphite primaire, celle-ci a la forme de sphéroïdes menus,, très largement dispersés.
Le chauf- fage des pièces moulées au-dessus de la température critique supé- rieure, de préférence jusqu'à une température comprise dans l'inter- valle de 1.010 à 1.065 C, provoque la décomposition des carbures en un bref intervalle de temps, qui est généralement d'environ 1 à 2 p heures, en shéroïdes de graphite fins et bien dispersés et en tutti- nite. Ces sphéroïdes et ceux qui peuvent avoir été présente dans la fonte au moment de la coulée, n'exercent qu'un effet nocif faible ou nul sur les propriétés des produits ouvrés ou forgés.
Lors de la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, le fer peut être fondu dans un appareil de fusion convenable quelcon*- que, tel qu'un cubilot, un haut-fourneau, un four à sole ou un four électrique, en faisant usage des mélanges habituels de minerais.de combustibles et d'autres additifs nécessaires.
L'appareil préféré est le cubilot et la charge préférée est constituée de mitraille d' acier choisie, ayant une faible teneur en éléments résiduels, par
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exemple le cuivra, le bismuth, l'étain, le plomb, le titrât, qui exercent un effet nocif sur la formation du graphite sphéroïde, Avantageusement. le bain de fonte initial sontient de 2,5 à 4,2%
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de carbone, pas plus de 2oO % de sili&iq| "4t 0,05 & 1#0 % de man- ganése, pas plus de 0,06 % de phosphore fi pas plus de Os % de soufra le reste étant du fer.
On coule la fonte dans une poche et les teneurs en carbone et en silicium sont réduites en soumettant la fonte à l'action de l'oxygène gazeux, soufflé sous pression par un tuyau sur la surface du bain. L'oxygène se combine au silicium de la fonte et donne lieu à l'élimination de, sensiblement, la totalité du silicium avant que le carbone ne soit oxydé de manière que sa teneur tombe dans l'in- tervalle requis de 1,2 à 3,6 %.
Bien qu'il soit désirable d'élimi- ner autant de silicium qu'il est possible, en pratique une propor- tion allant jusqu'à environ 0,25 % de silicium peut rester dans la fonte et la réduction de la teneur en silicium en dessous de ce ni- veau doit être considérée comme une élimination sensiblement complè- te.
Lorsque le soufflage de l'oxygène est terminé, le bain est désoxydé, avantageusement par l'addition du terra-silicium en une proportion telle qu'elle assure que la teneur en silicum du bain se situe dans l'intervalle voulu de 0,2 à 0,5 %. On peut aussi ajouter de petites quantités d'aluminium pour assurer un* désoxydation com- plète ; toutefois, cette mesura n'est pas fondamental*) car la dé- soxydation peut être effectuée par le silicium seul.
L'agent sphéroïdisant introduit dans le bain désoxydé est de préférence le magnésium, mais celui-ci peut être remplacé totale- ment ou partiellement par d'autres agents sphéroïdisants connus et, par exemple, le cérium, le calcium, le lithium, le sodium ou le po- tassium. Lorsqu'on fait usage du magnésium, il peut être introduit avec la totalité ou avec une partie du silicium requis pour obtenir la teneur finale voulue en silicium, de 1,0 à 2,0 %, sous la forme
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de ferro-silicium au magnésium. Toutefois, si on le désire, la to- talité ou une partie du silicium peut être introduite séparément.
L'agent sphéroïdisant peut être introduit d'une manière convenable quelconque. On sait bien à présent qu'avant qu'un agent sphéroïdisant puisse être retenu dans la fonte sous une forme effica- ce pour rendre le graphite sphéroïde, la teneur en soufre doit être réduite à un niveau très bas, soit environ 0,02 % ou à un niveau plus bas encore. A moins que cela ne soit déjà fait, la quantité d'agent sphéroldisant ajouté doit donc suffire à la fois à se combiner avec tout excès de soufre présent et aussi à assurer que la fonte en re- tienne assez au moment de la coulée pour rendre le graphite formé après le traitement thermique totalement sphéroïde ou sphdrofde de manière prédominante.
D'une manière, générale, la quantité dont il est requis qu'elle soit retenuo se situe dans l'intervalle de 0,005 à 2,0 %, selon l'agent ou la combinaison d'agents utilisée. Dans le cas du magnésium, on préfère une quantité résiduelle de 0#04 à 0,08 %.
Après que l'agent sphéroïdisant et le silicium ont été introduits, la fonte peut être coulée dans un moule de solidifica- tion d'une espèce quelconque et, par exemple, dans un moule à lin- gots de fonte ou lingotière à fonte. Il faut évidemment avoir soin d'assurer que la teneur en agent sphéroldisant ne tombe pas en-des- sous du niveau voulu avant la coulée.
La composition de la fonte carburée est importante. Les teneurs en carbone et en silicium doivent être situées dans les in- tervalles spécifiés afin d'assurer qu'il ne se forme pas de gros sphéroïdes de graphite primaire pendant la solidification du métal dans le moule et que les pièces moulées ne contiennent que des car- bures finement divisés et bien dispersés. De préférence, la teneur en carbone est de 2,4 à 2,8 % et la teneur en silicium est de 1,5 à 2%.
Si l'aptitude maximum au travail mécanique est exigée de la fonte après le traitement thermique, la teneur en manganèse nedoit
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pas dépasser 0,4 % et elle se situe avantageusement entre 0,15 et 0,4 %. Toutefois, si l'on désire un produit plus dur, on peut uti- liser des teneurs supérieures en manganèse, allant au maximum Jusqu' à 1,5% et il a été trouvé que de telles teneurs en manganèse ne com- promettent pas grandement l'aptitude de la fonte au travail mécanique}
Pour éviter la perte de chaleur, on transporte directement la pièce moulée du moule dans le four de traitement thermique et si la pièce doit être travaillée à chaud, ce travail est effectué immé- diatement après le traitement thermique, sans qu'on laisse la pièce se refroidir.
Si, pour quelque raison, la pièce moulée solidifiée s'est refroidie avant le traitement thermique, on la préchauffe de préférence dans une chambre de chauffage ou dans un four à une tem- pérature allant de 540 à 705 C et, avantageusement, à 650*0, jusqu' à ce qu'elle soit uniformément chauffée, avant de l'introduire dans le four de traitement thermique.
Si l'on désire travailler la pièce moulée à froid, on doit la laisser refroidir très lentement depuis la température du traitement thermique, de manière A produire une structure qui retienne les sphéroïdes de graphite qui ont été formée pendant le traitement thermique, mais qui, en dessous du point cri- tique, acquièrent une matrice de ferrite oude perlite, selon la vi- tesse de refroidissement, ce qui do.ne les propriétés voulues au pro- duit ouvré.
Voici un exemple.
Un bain de fonte ayant une teneur totale en carbone de 3,40 une teneur en manganèse de 0,35 % et une teneur en silicium de 1,30% fut obtenu en fondant une charge de 2.720 kgs de mitraille d'acier choisie, de 454 kgs de cocke, de 67 kgs d'alliage à 50 % de ferro-silicium et 27,2 kgs de calcaire, dans un cubilot. Le métal fondu fut coulé à une température de 1.430 C dans une poche conte- nant 41 kgs de carbonate de sodium, qui désulfura la fonte du cubi- f lot de manière à lui donner une teneur en soufre de moins de 0,03 %.
Pour assurer une désulfuration satisfaisante et l'évacuation par
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flottation des sulfures de manganèse ainsi formés, on agita le métal gazeux
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fondu par de 1* azote/pur pendant environ 3 minutes.
Le métal fondu fut alors oxydé en soufflant 46 7 m' d'oxy- gène gazeux pur sur la surface de la fonte. La teneur totale en car-
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bone fut réduite à 2,70 , la teneur en silicium à 0,20 ô et la te- neur en manganèse à 0,10 %.
Le métal fondu fut alors désoxydé . ajoutant 4,1 kgs de ferrosilicium à 85 %, ce qui amena la teneur en silicium du métal à
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0,50 . Après l'opération de la.,désoxydation, 8,2 kgs. de ferro- manganèse à 75 1, furent ajoutés au métal fondu afin de faire monter la teneur en manganèse à un niveau tel qu'il assure que 0,35 % soient présents dans le produit final pour garantir l'aptitude de la fonte à la trempe.
Le métal fondu contenu dans la poche fut alors enrichi par
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95,â kgs d'un alliage contenant 47*0 % de silicium, 9 % de magnésium, 10 in de cérium, 10 de calcium, le restant étant du fer, et par 4.1 kgs de ferrosilicium à 85 r, Le bain enrichi fut laissé en repos pendant plusieurs minutes, après quoi la scorie fut ôtée et le mé- tal fondu fut coulé en deux lingotières rondes d'un diamètre de 33 cm. Le métal fut laissé à solidifier dans les moules pendant une heure. On démoula alors les lingots que l'on mit dans une boite et qu'on couvrit de sable pour refroidissement.
L'examen microscopique d'échantillons découpés dans les lingots révéla que la microstruc-
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ture était celle de carbures de ferro-znagnésium complexes instables petits fins, bien dispersés, et de très peu nombux/5phérotdes de graphi- te primaire libre dans une matrice perlitique.
Les lingots furent chargés dans un four de pré-chauffage et maintenus à 595 C pendant 5 heures pour recuit. Un des lingots
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fut mis dans un four à leO3500 et y fut recuit pendant 5 heures.
La structure du lingot à 1,035*0 comprenait de fins sphéroïdes de graphite libre, finement dispersés, dans une matrice austénitique.
Le lingot fut alors forgé en billettes rondes d'un diamètre de 6
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pouces, qui furent laminées dans un train 1 barre ordinaire en barres rondes d'un diamètre de 2 pouces. le laminage finissant à une tempé- rature de 840 C. après quoi on laissait les barres refroidir à l'air à la température ordinaire.
Les résultats des essais mécaniques ef- fectués sur des échantillons découpés des barres laminées furent les suivants : @
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<tb> Limite <SEP> de <SEP> Limite <SEP> de <SEP> Allon- <SEP> Striction <SEP> Dureté
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> fluage <SEP> en, <SEP> rupture <SEP> gement <SEP> % <SEP> Brinell
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Kg/ma2 Kg/mm2 A l état laminé 53r5 102,0 800 809 262 Recuit 38,7 68,0 L6,0 19t2 163
Le second lingot fut mis dans un four à 1.000 C et y fut maintenu pendant une durée totale de 12 heures, après quoi il fut
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refroidi au four à 462"C Le lingot fut été du four et refroidi à l'air.
On découpa du lingot des ébauches dont chacune pesait 33,6 kgs et on les chauffa à 1,035 C, moment auquel les ébauches avaient une microstructure comprenant de petits sphéroïdes de graphite libre bien dispersés dans une matrice austénitique, après quoi on les for- gea en ébauches d'engrenages d'un diamètre de 16 pouces. Les pièces finies furent laissées à refroidir à l'air. On découpa des échantil- lons dans les pièces froides, échantillons qui montrèrent une micro- structure de sphéroïdes fins de graphite libre, bien dispersés dans
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une matrice perlitinue.
Les propriétés mécaniaues des échantillons prélevés dans les ébauches forgées étaient les suivantes :
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<tb> Limite <SEP> de <SEP> Limite <SEP> de <SEP> Allonge- <SEP> Striction <SEP> Dureté
<tb> fluage <SEP> en <SEP> rupture <SEP> ment <SEP> % <SEP> % <SEP> Brinell
<tb>
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Kg/ïïsar Kg7mm A l'état forcé Tangentiel 5it6 9392 5,0 5*5 248 Radiai 50,2 89#4 4s5 4,7 241
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<tb> Normalisé
<tb>
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Tangentiel- 51 0 92,1 505 5,5 248 Radiai 49,5 8803 5,0 3,5 248
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L'analyse chimique des échantillons rompus à l'essai mon- tira que la composition de la fonte était la suivante ! 2,98 % de carbone total, 1,61 % de silicium 0,26 % de manganèse, 0,035% de soufre, 0,047 % de phosphore, 0,
06 % de magnésium, le restant étant du fer.
Les produits ouvrés qui peuvent 8tre produits selon l'in- vention comprennent les blooms et les billettes destinés à être transformas par des opérations secondaires du laminage, du martela- ge ou du forgeage, des barres rondes et plates destinées à l'usinage, à l'étirage, au forgeage ou à d'autres opérations de déformation à froid, et analogues, et des matériaux finis, martelés ou forgés, tels que les purgeurs à condensats de vapeur d'eau, des ébauches, d'engrenages, et analogues. Ces produits finis peuvent être utili- ses à l'état laminé ou recuit ou à l'état où ils sont après le trai- tement thermique.
REVENDICATIONS.
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