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Procédé et appareil pour. traiter des métaux en fusion, La présente invention concerne un procédé pour fabriquer des pièces coulées en métaux ferreux et non ferreux et un appareil utilisé pour mettre ce procédé à exécution.
L'invention concerne, en particulier, un procédé servant à allier ou à inoculer des pièces coulées, un appareil utile pour effectuer cette opération d'alliage ou d'inoculation et une forme de constituant d'alliage ou d'agent d'inoculation particulièrement utile' pour le procédé suivant l'invention.
Pour la plupart des applications, une structure exempte
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de carbure est souhaitable pour produire des fontes ductiles(modu- laires). L'expérience a Montre que le traitement habituai au magné- sium en vue de réaliser une structure de fonte nodulaire souhaita- ble doit être suivi d'une post-inoculation afin d'obtenir une struc- ture exempte de carbure. On avantage supplémentaire de la post-ino- culation est une Microstructure affinée, en particulier des sphéroï- des de graphite plus petits et mieux façonnés, ce qui améliore nettement les propriétés mécaniques.
Une technique courante pour la post-inoculation consiste à ajouter du ferrosilicium contenant du calcium et de l'aluminium dans le courant de métal en fusion pendant le rechargement de la poche de coulée.
Malheureusement, l'effet d'une inoculation disparaît ou diminue en un laps de temps relativement court. La plupart des fonderies essaient de couler la fonte inoculée de quatre à sept minutes après la post-inoculation afin d'éviter cette atténuation, Cependant, la vitesse d'atténuation est plus rapide pendant les deux ou trois premières minutes suivant la post-inoculation et alors que l'atténuation se poursuit après cette période, sa vitesse' diminue.
On a suggéré d'inoculer la fonte dans le moule pour réduire les effets de l'atténuation. Malheureusement, cette tech- nique tend à produire des inclusions et donne habituellement une répartition inégale du silicium. De plus, comme la quantité d'agent inoculant est très faible, l'inoculation dans le moule ne peut, dfins les meilleures conditions, pas remplacer la post-inoculation Classique mais peut simplement constituer une mesure supplémentaire' pour éliminer le refroidissement.
L'invention à notamment pour buts de procurer: un procédé de post-inoculation perfectionné; un appareil pratique mais simple pour exécuter le procédé , de post-inoculation perfectionné suivant l'invention: une matière de post-inoculation sous une forme améliorée
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et pratique, destinée en particulier à être utilisée pour exécuter le procédé suivant l'invention, dans l'appareil prévu à cet effet; un procédé de post-inoculation pratique qui puisse être utilisé pour produire des pièces coulées en fonte ductile compre- nant au moins une paroi d'une épaisseur de 1,27 cm ou moins ainsi qu'un appareil et une forme pratique de matière inoculante afin de mettre le procédé en pratique.
D'autres buts de l'invention ressortiront clairement de la description donnée ci-après.
En résumé, la matière d'alliage ou d'inoculation a la forme d'une barre pleine. Cette barre est disposée de manière que son extrémité inférieure soit en contact avec la lèvre verseuse de la poche de coulée. Elle est montée de manière à pouvoir coulis- ser sous l'effet de son propre poids afin d'être constamment en contact avec la lèvre verseuse. Lorsque du métal en fusion est versé de la poche de coulée, l'extrémité inférieure de la barre est balayée par le courant de métal en fusion et est usée par érosion de sorte que de la matière d'inoculation ou d'alliage pénètre dans le métal.
Bien que l'invention décrite soit particu- lièrement utile pour produire des pièces coulées en fonte, le pro- cédé d'alliage et d'inoculation, l'appareil utilisé à cet effet et la pièce coulée produite ont une utilité plus générale qui réside, par exemple, dans l'addition d'une variété étendue de réac- tifs ou de fondants aux métaux en fusion.
Dans les dessins annexés: la Fig. 1 est une vue schématique fragmentaire en coupe transversale dans un plan vertical d'une poche de coulée qui est équipée d'un appareil suivant une forme d'exécution préférée de l'invention, du fer en fusion étant versé de la poche dans l'en- bouchure d'une lingotière;
la Fig. 2 est une reproduction d'une photographie d'une section d'un soc de charrue en fonte ductile qui a été post-inoculée
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le la façon classique par addition de la matière de post-inoculation dans le courant de fer en fusion au cours du rechargement de la poche de coulée, le plan de coupe étant perpendiculaire au bord refroidi du soc et le métal ayant été décapé au nital et le grossis- sement étant de 250 fois, et la Fig. 3 est une reproduction d'une photographie d'une section d'un soc de charrue qui a été post-inoculée conformément à une forme d'exécution préférée de l'invention et qui a été sec- tionnéeselon une ligne correspondant avec précision à la ligne de coupe représentée à la Fig.
2, c'est-à-dire selon une perpendiculaire au bord refroidi, la surface de coupe ayant été décapée au nital et le grossissement étant de-250 fois.
L'invention concerne, en particulier la production de pièces coulées en fonte ductile du type dans lequel la pièce cou- lée comprend au moins une paroi mince. Aux fins de la présente invention, une paroi mince est une paroi qui a une épaisseur com- prise entre 1,6 et 6,35 mm environ. Cependant, en mettant l'inven- tion en pratique et en contrôlant soigneusement l'influence de la composition chimique, on peut produire des pièces coulées en fonte ductile exemptes de carbure présentant des parois qui soient aussi minces que la précision du moulage le permette.
Ces pièces coulées peuvent être, par exemple, des accouplements hydrauliques compor- tant des aubes ou des parois d'une épaisseur de l'ordre d'environ 3,2 mm, des volants comportant des rais ou des voiles d'une épais- saur de l'ordre d'environ 3,2 mm, des rotors de pompes ayant une épaisseur de paroi minimum de l'ordre d'environ 2,38 mm, des sup- ports d'appareils de prises de vues de forme compliquée comprenant des douilles tubulaires et des bras radiaux et ayant une épaisseur de paroi minimum de l'ordre d'environ 2,4 mm et des éléments de coures pour bandages pneumatiques comportant des ailettes qui ont appro- ximativement 1,6 mm d'épaisseur.
Des objets de ce genre sont avanta- geusoment fabriqués en fonte ductile, ce qui assure diverses écono-
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mies et présente de nombreux avantages, Des pièces coulées on tonte ductile présentant des sections moyennes ou fortes tirent profit de la présente invention du fait de leur microstructure affinée et de leurs propriétés mécaniques améliorées.
Afin d'expliquer l'invention en détail, une description de la fabrication d'une pièce coulée servant d'exemple est donnée ci- après conformément à une forme d'exécution préférée de l'invention.
L'agent inoculant est préparé de la manière suivante. Do fines par- ticules de ferrosilicium contenant du calcium, qui contient 85% de silicium, d'une granulométrie -telle qu'il puisse traverser un crible standard E.U. n 30 sont mélangées à un liant formé par du silicate de sodium. Le mélange est tassé à l'intérieur d'uno lon- gueur de tube d'acier doux ayant un diamètre interne de 1,9 cm et une épaisseur de paroi d'environ 0,15 mm. Plusieurs barres fabri- ' quées de cette manière ont été cuites à 260 C pendant 2 heures.
Une poche de coulée est alors munie d'un étrier de sup- port comprenant une douille de guidage placée directement au-dessus de la lèvre verseuse pour supporter une barre inoculante de façon que son extrémité soit en contact avec la lèvre verseuse comme indiqué à la Fig. 1. La poche de coulée a une capacité de 70 kg.
Une barre d'inoculation est montée dans la douille de guidage et une charge de fer en fusion est placée dans la poche de coulée, Le fer en fusion est alors versé dans l'embouchure ouverte d'une lingotière, de la manière représentée à la Fig. 1, à une température de coulée d'environ 1427 C. On choisit le moule pour produire un soc de charrue ayant un bord d'une épaisseur comprise entre 6,35 et 9,52 mm qui est coulé contre une barre de refroidis- sement de 2,5 cm de largeur.
La vitesse de coulée est de 835 g/seconde et le temps de coulée est de 7,5 secondes. La consommation observée de la barre inoculante est de 1,1 g/seconde, ce qui donne une vitesse d'inocu- lation de 0,125% de ferrosilicium.
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Les avantages de la post-inoculation conforme à l'inven- tion apparaissent clairement. Premièrement, à mesure que la barre est consommée, elle descend de Manière à rester constamment en con- tact avec la lèvre verseuse, sous son propre poids. L'addition de l'agent inoculant n'exige, par conséquent, pas de supervision pen- dant la coulée ni aucun mécanisme d'entraînement compliqua.
Deuxièmement, la vitesse de consommation est sensiblement constante pendant tout le cycle de coulée. Cette consommation reste également sensiblement constante pendant les cycles de coulée ultérieurs. De plus, l'inoculation cesse lorsque la coulée est arrêtée. Des obser- vations ultérieures indiquent un autre avantage important, à savoir .le fait que la vitesse de consommation d'une barre inoculante don- née dépend principalement de la température de coulée. Ceci est important pour la production de pièces coulées de diverses dimen- sions.
Des pièces coulées minces sont habituellement coulées à une température supérieure à celle de pièces coulées plus massives et reçoivent, par conséquent, une plus grande quantité d'agent inocu- lant que les pièces coulées plus massives ce qui est souhaitable.
Sous ce rapport, il est à remarquer qu'une vitesse de coulée plus élevée ne doit pas modifier la vitesse d'inoculation bien qu'elle ' fasse augmenter la vitesse de consommation de la barre.
Pour montrer d'autres avantages de l'invention, on charge une poche de coulée de 70 kg de capacité de fer en fusion que l'on obtient d'un cubilot basique, traité avec un alliage de ferrosili- cium et de magnésium à 1,9%, et que l'on post-inocule, pendant le rechargement de la poche de coulée, au moyen d'une addition de 1,2% de ferrosilicuium.
On coule alors quatre socs de charrue à partir de la poche de coulée, l'inoculation s'effectuant au niveau de la lèvre verseuse de la façon que l'on vientde décrire, conformément à la présente invention. La barre d'agent inoculant est alors enlevée de la douille de guidage et quatre autres socs de charrue sont coulés.
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On sectionne l'un des socs de charrue qui a été fabriqué conformément au procédé de post-inoculation classique et un autre qui a été post-inoculé conformément à l'invention, selon des lignes déterminées avec précision perpendiculaires à leurs bords refroidis respectifs. On prend des microphotographies au niveau de la line de transition refroiaissement-sable de chacune des deux sections de socs respectivement dans chaque cas à une distance approximative de 0,4 mm de la surface. Dans chaque cas,la surface a été décapée au nital et le grossissement est de 250 fois.
La microphotographie du soc de charrue qui a été obtenu par la post-inoculation classique est représentée à la Fige 2, La présence de carbure peut être facilement remarquée. Une microphoto- graphie de la section du soc de charrue qui a été réalisée confor- mément à la technique de post-inoculation de l'invention est repré- sentée à la Fig. 3. Comme le montre cette photographie, la post- inoculation conforme à l'invention élimine tous les carbures. Ceci est particulièrement remarquable en raison du fait quo, dans chaque cas, il s'est produit une pozt-inoculation initiale classique de 1,2% de forrosilicium. Des analyses chimiques de pièces coulées de deux types indiquent que la teneur en silicium ne présente aucune variation détectable.
L'examen des pièces coulées, suivant l'invention ne révèle aucune trace d'inclusions.
En raison de 1-'importance de l'influence de la composition chimique sur les propriétés do la pièce coulée, il convient de décrire brièvement cette composition chimique. En ce qui concerne la teneur en carbone et en silicium d'un fer en fusion, comme un . équivalent en carbone élevé constitue l'un des moyens principaux permettant d'éliminer les carbures, de minces pièces coulées en fonte ductile sont bypereutectiquos, c'est-à-dire que le pourcentage' de carbone total, ainsi que 0,31 fois le pourcentage de silicium, est supérieur à 4,30. Il est rarement souhaitable d'augmenter la teneur en silicium au-delà de 3,0% La teneur en carbone minimum
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va, par conséquent, de 3,4 à 3..5/..
En l'absence de sections massives dans la même coulée avec dos sections minces, 1 Suivaient en car- bone pour une pièce coulée qui comprend au moins une paroi mince doit de préférence être compris entre 4,5 et 4,6 environ. Cela étant, pour produire une pièce coulée comportant une paroi mince, la teneur en carbone recommandée est comprise entre 3,6 et 3,8% ou même plus si les parois sont d'une minceur uniforme.
Le manganèse se comporte comme un agent favorisant et stabilisant le carbure dans les fontes ductiles. Cela étant, une composition exempte de manganèse est préférable, en particulier pour des pièces coulées comportant une paroi mince. Cependant, suivant l'équilibre de la composition chimique et Inefficacité de la post-inoculation, en particulier pour des pièces coulées massi- ves, une certaine quantité de manganèse allant jusqu'à environ 0,5% peut être tolérée.
Le nickel, le cuivre et l'étain favorisent la formation d'une matrice perlitique sans provoquer la formation de carbures eutectiques massifs, Ces éléments sont, par conséquent, des agents d'alliage souhaitables pour la production de pièces coulées qui doi- vent satisfaire les exigences de résistance élevées ou qui sont exposées à. une usure par abrasion'et doivent, par conséquente être entièrement perlitiques. De plus, le cuivre et le nickel tendent à réduire la formation de carbure et sont, par conséquent, des élé- ments d'alliage particulièrement intéressants pour la production de minces pièces coulées ductiles.
La cuivre et le nickel,sont tous deux intéressants dans la garnie comprise entre 0,5% et 2,0% environ suivant les différences de section. Une teneur en étain préférée est voisine de 0,1%.
Pour rendre les pièces coulées tenaces, on maintient de préférence la teneur en phosphore en dessous de 0,03%. Pour des pièces coulées en fonte ductile et légère, la concentration en phosphore doit être inférieure à 0,08% dans chaque cas. Le besoin
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d'une faible teneur en soufre est évident. En général, une teneur en soufre peu élevée, de préférence de 0,03% au maximum, ainsi qu'une faible quantité de magnésium retenu, de préférence de 0,02 à 0,04% environ tendent à éliminer les défauts de écume et réduisent au mindmum toute tendance à la formation de carbure. Comma le chrome et le vana- dium tendent à favoriser la formation des carbures, la teneur de
Ces éléments doit être maintenue en dessous de 0,03%.
On ajoute souvent de l'aluminium à la matière fondue con- tenue dans l'agent d'inoculation. Afin d'éviter la tendance à la for- cation de piqûres qui est associée à la présence d'aluminium, la teneur en aluminium de l'agent inoculant doit être limitée à un maxi- mum de 1,0%, en particulier si l'on veut produire des pièces coulées ayant une section mince. La tendance à la formation de piqûres apparaît principalement lorsque la teneur en aluminium de la fonte ductile dépasse 0,02%.
Bien que le plus grand champ d'application do l'invention réside dans la production de pièces coulées en fonte ductile minces qui présentent une matrice en substance perlitique, il existe cepen- dant un champ d'application pour la production de ces pièces coulées comportant une matrice essentiellement ou complètement ferritique.
Afin d'obtenir une structure coulée ferritique, dans des sections minces, la teneur en carbone peut être inférieure à celle des pièces coulées perlitiques et les trois éléments manganèse, nickel et cui- vre doivent être absents. La structure ferritique est obtenue par un refroidissement lent en passant par la région de température critique comprise entre 816 et 704 C environ et une teneur en sili- ' cium légèrement accrue comparée à une pièce coulée perlitique.
L'exigence de silicium augmente, pour produire une matrice ferriti- que désirée, à mesure que la,section de la pièce coulée diminue de manière générale.
Pour la mise en pratique de l'invention, on utilise diver- ses matières pour inoculer des fontes grises ductiles. Certains exem-
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Ples sont énumérés ci-dessous.
EMI10.1
Co.,1,POSIIIQlip TYPES POU RR S D, INOCVLATION , Exemple
EMI10.2
<tb>
<tb> n <SEP> 1 <SEP> n <SEP> 2 <SEP> n <SEP> 3 <SEP> n <SEP> 4 <SEP> n <SEP> 5
<tb>
EMI10.3
Fer 12,5 19e5 - 7 25,0
EMI10.4
<tb> Silicium <SEP> 85,0 <SEP> 75,0 <SEP> - <SEP> 30,0 <SEP> -
<tb>
<tb> Nickel <SEP> - <SEP> - <SEP> 94,0 <SEP> 60,0 <SEP> 60,0 <SEP> ' <SEP>
<tb>
<tb> Calcium <SEP> 1,0 <SEP> 2,0 <SEP> 5,0 <SEP> 2,0 <SEP> 5,0
<tb>
<tb> Aluminium <SEP> 0,5 <SEP> 0,5 <SEP> .
<SEP> 1,0 <SEP> 0,5 <SEP> 5,0
<tb>
<tb> strontium <SEP> 1,0
<tb>
<tb> Baryum <SEP> - <SEP> 3,0 <SEP> - <SEP> - <SEP> 5,0
<tb>
On suit que Inaction do l'inoculation est effectuée par l'un quelconque ou une combinaison des quatre éléments suivante calcium, aluminium, strontium et baryum. Les effets d'inoculation des autres éléments, tels que le carbone (graphite), le sodium, le . potassium, le magnésium, le zirconium, le cérium et d'autres terres rares, le béryllium, le titane.et l'oxygène ont également été obser- vés. Des barres d'inoculation comprenant ces divers éléments, en diverses combinaisons et en diverses quantités, peuvent également être fabriquées.
En plus des éléments précités, le manganèse, le chrome, le molybdène, le cuivre et d'autres métaux peuvent également être utilisés pour fabriquer des barres d'inoculation.
La quantité précise de chaque inoculant particulier quel- conque qui doit être utilisé dans une certaine fonderie est déterminée ! au mieux expérimentalement, comme on le faisait dans les procédés d'inoculation utilisés autrefois. Les.caractéristiques particulières d'une fonte en fusion et le processus de fusion sont des facteurs importants qui affectent la décision quant à l'agent inoculant par- ticulier, sa composition chimique' et la quantité totale d'agent ino- culant qui a une efficacité maximum. ,
Les barreaux peuvent être fabriqués par divers procédés
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avec ou sans chemise d'acier ou d'une autre matière.
Ces procédés utilisent les techniques de la métallurgie des poudres consistant à verser le métal continuellement ou par intermittence, Les-procédés d'extrusion ou'de forgeage peuvent également être utilisés lorsqu'on produit des barres d'une composition chimique appropriée.
En plus des avantages de l'invention que l'on vient de mentionner, il y a les avantages les plus évidents et les plus impor- tants qui consistent à obtenir une répartition sensiblement uniforme de l'agent inoculant et de l'élément d'alliage dans la totalité du métal en fusion et d'éviter complètement au de réauire au minimum l'effet d'atténuation. Ainsi, la vitesse d'inoculation est facile- ment modifiée, dans de larges limites, car le diamètre de la barre d'inoculation et l'épaisseur de la gaine dans laquelle l'agent d'inoculation peut être enfermé, ont une influence importante sur le débit de l'addition ainsi que sur la température de coulée du métal en fusion. De plus, la b4rre peut être réalisée de manière que sa vitesse d'érosion par le métal en fusion ait à tout moment la valeur désirée dans une très large gamme.
Par exemple au lieu de préparer la barre de la manière décrite plus haut, on peut couler du ferrosilicium de qualité agent d'inoculation dans des muules qui sont garnis de très minces tubes d'acier. Des barres de ce type ten- dent à s'éroder plus lentement que celles présentant des chemises d'acier analogues lorsque l'agent inoculant est formé d'une masse particulaire qui est liée en place. De même, les barres inoculantes qui peuvent contenir une grande quantité de calcium, de strontium ou de matière analogue peuvent être facilement modifiées quant à leur composition afin de présenter des vitesses d'érosion différentes.
Alors que l'invention est illustrée par son application à la pro- duction d'une pièce coulée en fonte ductile à paroi mince, des pièces coulées en fonte ductile de n'importe quelle section peuvent être débitées directement au moment de la coulée, avec la certitude d'une bonne qualité dans la réalisation de l'invention,
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L'effet inoculant dans les fontes grises s'atténue avec . le temps d'une manière semblable à celle décrite pour les fontes ductiles. Les avantages de l'invention pour aes fontes grises rési- dent à nouveau dans la suppression accentuée de carbures, la micro- structure affinée et les propriétés mécaniques améliorées.
Les métaux d'alliages ferreux ou non ferreux conformes l'invention assurent une répartition égale des éléments d'alliage et réduisent en même temps les pertes par oxydation.
Bien entendu, l'invention n'est en aucune manière limitée aux détails d'exécution décrits auxquels divers changements et modi- fications peuvent être apportés sans sortir de son cadre.
REVENDICATIONS
1.- Procédé pour incorporer un réactif d'addition à un métal en fusion, caractérisé en ce que:. on place une barre comprenant le réactif d'addition sur la lèvre verseuse d'une poche de coulée contenant le métal en fusion, et on coule le métal en fusion de la poche de coulée par- dessus la lèvre verseuse et autour de la barre de manière à éroder la barre pour permettre au réactif d'addition de pénétrer dans le métal en fusion.
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