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"Fonte grise"
La présente invention, due à Messieurs Charles Defrancq et Jan Van Eeghem, ingénieurs au Centre de Recherches scientifiques et techniques de l'Industrie des Fabrications métalliques (CRIF), concerne une fonte grise.
Les fontes grises actuellement dénommées "fontes grises à graphite lamellaire à haute résistance" ont une relativement fai- ble teneur en carbone (2,6 à 3,2%) et en silicium (1 à 1,5%) La résistance à la traction de ces fontes, mesurées sur des barreaux standards d'un diamètre de 30 mm, dépasse rarement les 45 kg/mm2, tandis que leur dureté peut aller jusqu'à 320 Brinell.
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Pour atteindre cette résistance, il est d'ailleurs gé- néralement nécessaire d'y ajouter des éléments d'alliage coûteux, tels que du cuivre. du nickel, du molybdène et/ou du chrome, et de leur faire subir un traitement efficace d'inoculation. Ces fontes connues à haute résistance présentent en outre par suite de leur faible teneur en carbone et en silicium, l'inconvénient d'une ten- dance importante à la trempe lédeburitique. Le danger de formation de fonte blanche inusinable est-dcnc d'autant plus grand que l'épais- seur de paroi de la pièce à couler est mince. En outre, par suite . de leur dureté élevée, les fontes classiques à haute résistance se - prêtent assez mal à l'usinage.
L'on a déjà proposé, il y a plus de 30 ans, de fabri- quer des fontes à base de fer,de carbone et d'aluminium, avec peu ou pas de silicium.
Toutefois, ces fontes ont été coulées à l'état non ino- culé et¯¯leurs propriétés étaient inférieures à celles des fontes classiques au silicium.
Nos connaissances actuelles sur le mécanisme de l'ino- culation des fontes grises permettent d'en donner une explication plausible¯
En effet, en raison du pouvoir désoxydant de l'aluminium, les fontes à baute teneur en aluminium ne contiennent pratiquement plus d'oxygène dissout sous forme'de FeO, ni d'oxygène combiné à du silicium sous forme d'inclusions de silice (SiO2). En conséquence, les particules de silice, germes naturels de graphitisation des fontes grises au silicium, sont absentes ; en conséquence,ces fontes connues à l'aluminium et non inoculées manifestant une forte tendan- ce à la trempe lédeburitique et leur résistance à la traction n'est pas plus élevée, si pas moindre, que celle des fontes au silicium.
La présente invention propose un alliage nouveau et amélioré, ayant des propriétés que l'on ne rencontre pas dans la fonte où l'aluminium est utilisé avec des teneurs moyennes ou éle- vées en silicium,(teneurs qui sont d'ailleurs normales dans les
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fontes classiques 'au silicium) ni dans la fonLe ou $ion utilise des teneurs élevées en silicium sang aluminium,même inoculée avec un alliage à base de calcium, de baryum ou de strontium. A cet effet, la fonte.selon l'invention est caractérisée en ce que d'une part- elle comprend de l'aluminium en tant qu'élément graphitisant et en ' ce que d'autre part, elle est.inoculée.
Les fontes grises selon l'invention donnent des résis- tances à la traction variant, pour des fontes à graphite lamellaire, de 35 à 70 kgf/mm2 selon la massîveté et les teneurs en carbone et en aluminium et avec une tendance à la trempe lédeburitique quasi inexistante=
On connaît par le brevet belge¯563.449 un alliage fer- reux pour l'obtention duquel l'on ajoute conjointement du manganèse et de l'aluminium dans le but de conférer à la fonte une meilleure résistance à l'usure et à la chaleur. Les propriétés de cette fonte connue sont très différentes de celles de la fonte selon le pré- sent brevet et la preuve en sera apportée par les indications plus détaillées qui suivent au sujet de la fonte faisant l'objet du pré- sent brevet.
Selon le brevet U¯S¯A¯ 2.662.820. l'on propose d'ajou- ter de l'aluminium en cours de fabrication d'une fonte grise; il faut toutefois remarquer qu'il s'agit de fabriquer une fonte classi- sphéroïdal que à graphite/ le rôle de l'aluminium étant de prolonger la durée de l'effet de l'agent de nodulisation.
Suivant une forme de réalisation avantageuse de l'in- vention, la fourchette utile-et économique de la teneur en aluminium contenue dans la fonte se situe entre 1 et 3%
De préférence, la teneur en silicium des fontes grises selon l'invention est avantageusement inférieure à 1%.
Selon une forme de réalisation particulière de l'inven- tion, la teneur en silicium-,en -tant qu'élément graphitisant est nul- .- le . Avantageusement en effet, -selon l'invention,l'élément inocuiant
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actif choisi dans le groupe comprenant le calcium, le baryum et le strontium, est introduit dans la fonte par un support comprenant de l'aluminium.
D'autres détails et particularités de l'invention res- sortiront de la description donnée ci-après à titre non limitatif, de plusieurs exemples de réalisation de l'invention avec référence aux troisfiguesannexées qui représentent des diagrammes comparatifs des. propriétés physiques de la fonte selon l'invention.
Le diagramme figure 1, montre à titre d'illustration, la variation, en fonction de la teneur-en carbone (abscisse), de la résistance à la traction déterminée sur barreaux !? 30 mm (ordonnée ) de fontes contenant respectivement en moyenne 1,8 (courbe 1) et
2,5% (courbe 2) d'aluminium, et inoculées par addition de 1% de
SiCa
La droite en traits interrompus, 3, de la figure 1 dcn- ne la résistance théorique à la traction des fontes classiques à
1,5% de silicium. on constate qu'à teneurs en carbone égales, les résis- tances des fontes à l'aluminium inoculées au SiCa sont donc de 10 à
15 kgf/mm2 supérieures à celles des fontes classiques à 1,5% de silicium.
Suvent une forme de réalisation avantageuse de l'inven- ion, la fourchette utile et économique de la teneur en aluminium conterue dans la fonte se situe entre 1 et 3%.
La figure 2 illustre l'influence de la teneur en sili- cium(a bscisse) sur la résistance à la traction (ordonnée ), de la fonte à l'aluminium inoculée, coulée en éprcuvettes de 3 massivetés différentes, La courbe 4 désigne un barreau de 0 30 mm, la courbe 5 un barreau de 0 20 mm et la courbe 6 un barreau de 0-12 mm.
On constate que .l'influence de la teneur en silicium est faible entre 0,4 et 0,8%, que la teneur optimale se situe vers 0,75% et qu'au-delà de 0,9% de silicium,la chute de résistance est
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très rapide.
La teneur en silicium des fontes grises selon linven-- tion doit donc avantageusement être inférieure à 1%.
Selon une forme de réalisation particulière de l'inven- tion, la teneur en silicium en tant quelément graphitisant est même nulle, ce dernier étant remplacé totalement par l'aluminium.
L'influence de teneurs croissantes en manganèse, en soufre et en phosphore sur les propriétés d'une fonte de base ti- trant 2,7% de carbone, 0,45% de silicium et 1,84% d'aluminium est mise en évidence dans le tableau ci-après.
TABLEAU I Influence du Mn, du S, et du P-sur les propriétés mécaniques de
EMI5.1
¯--¯¯ . ¯¯¯ ¯¯¯¯ la fonte à l'aluminium
EMI5.2
Fonte Profon- ! Rt qf/mm2¯¯¯¯¯¯¯¯ Module de deur de 0 30 mm 0 20 mmo 12 mm HB 0 30 mm choc trempe lçgfcm/cm3 ¯¯¯¯ ¯¯¯¯ en mm ¯¯¯¯¯¯ ¯¯¯¯¯¯ ¯¯¯¯¯¯¯ ¯¯¯¯¯¯¯¯ ¯¯¯¯¯¯¯¯ % Mn
EMI5.3
<tb> 0,35 <SEP> 2 <SEP> 51,3 <SEP> 53,6 <SEP> 55,2 <SEP> 257 <SEP> 12,9
<tb>
EMI5.4
o,60 3 51 9 53 8 54, 6 260 12, 5
EMI5.5
<tb> A <SEP> 0,93 <SEP> 3 <SEP> 47,5 <SEP> 44,2 <SEP> 280 <SEP> 9.9
<tb> 1, <SEP> la <SEP> 9 <SEP> 47,5 <SEP> 46 <SEP> 47,1 <SEP> 281 <SEP> 6, <SEP> 6 <SEP>
<tb>
<tb> % <SEP> S
<tb> 0,025 <SEP> 1 <SEP> 48,6 <SEP> 52 <SEP> 256 <SEP> 12,2
<tb> 0.038 <SEP> 2 <SEP> 46,5 <SEP> 51,2 <SEP> 51,8 <SEP> 224 <SEP> 12,1
<tb> B <SEP> 0,051 <SEP> 4 <SEP> 49,2 <SEP> 51,2 <SEP> 53,5 <SEP> 249 <SEP> 10,9
<tb> 0,
079 <SEP> 5 <SEP> 43,6 <SEP> 48 <SEP> 50 <SEP> 252 <SEP> 11,6
<tb>
<tb>
<tb> 0,047 <SEP> 2 <SEP> 51,7 <SEP> 52, <SEP> 6 <SEP> 54,1 <SEP> 244- <SEP> 13,8
<tb> 0,071 <SEP> 2 <SEP> 52,1 <SEP> 54 <SEP> 257 <SEP> 131,1
<tb> C <SEP> 0,112 <SEP> 2 <SEP> 51 <SEP> 49,2 <SEP> 52,3 <SEP> 249 <SEP> la,7
<tb> 0,182 <SEP> 2 <SEP> 49,2 <SEP> 50 <SEP> 51,5 <SEP> 246 <SEP> 8,2
<tb>
Ces résultats montrent que le manganèse augmente la profondeur de trempe et fait chuter la résistance à la traction et la valeur du module de choc, particulièrement à partir d'une teneur en manganèse dépassant 0,6%.
Le soufre augmente-la profondeur de trempe et baisse la résistance à la traction et le module de choc.
Le phosphore n'influe pas la profondeur de trempe, mais entraîne une diminution nette du module de choc.
Il est donc avantageux de limiter les teneus en man-
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ganèse, en soufre et en phosphore respectivement aux maxima- suivants:
0,7% pour le Mn; 0,05% pour le S et 0,1% pour le P.
Par suite de l'absence de germes naturels, et malgré l'effet graphitisant de l'aluminium, la tendance à la trempe léde- buritique des fontes, selon l'invention mais non-inoculées, est très grande.
La profondeur de trempe se situe généralement pour une fonte non inoculée entre 20 mm et la trempe totale; elle devient pratiquement inexistance (0 - 2 mm) après l'inoculation.
A noter cependant que ce résultat ne peut être obtenu que par addition d'une plus forte quantité d'alliage inoculant que celle utilisée pour l'inoculation des fontes classiques au silicium.
En effet, là où les fontes classiques sont généralement inoculées avec 0,1 à 0,3% d'un alliage inoculant, par exemple du
SiCa, les fontes selon l'invention doivent être inoculées avanta- geusement avec au moins 0,3% de SiCa.
Bien que les propriétés augmentent en fonction de la quantité d'inoculant ajouté, il n'est économiquement pas justifié d'utiliser plus de 2% de SiCa.
Il est à remarquer qu'il n'est pas indispensable que l'inoculant contienne du silicium comme véhiculant de l'élément inoculant actif.
Au contraire, pour éviter l'introduction de silicium dans la fonte et l'accumulation de cet élément lors de 1utilisa-¯ tion de retours de fonderie, il est même avantageux de pratiquer l'inoculation avec des alliages du type Fe-Al-Ca ne contenant pas de silicium, développés spécialement à cet effet.
La courbe 7 de la figure 3 donne la relation entre la résistance à la traction (ordonnée )-et- la dureté Brinell (abscisse) des fontes à l'aluminium. Les cercles représentent les résultats d'essai pour des fontesà 1,8% d'Al tandis que les croix représen- tent les résultats pour des fontes à 2,5% d'Al lee essais ayant été
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effectués sur des barreaux de fonte de 0 30 mm inoculée avec 1% de SiCa.
A titre de comparaison avec les fontes classiques au silicium, la droite en traits pointillés 8 donne pour celles-ci, la relation théorique d'après l'équation
HB = 100 + 4,3 Rt ,, où HB signifie "dureté Brinell-
Rt signifie "résistance à la traction "
Les cercles pleins représentent les quelques rares données quantitatives relatives aux fontes classiques à très haute résistance signalées dans la-littérature.
Il résulte de la figure 3 qu'à résistance à la traction égale, le dureté Brinell des fontes à l'aluminium est en moyenne de 50 à 60 points Brinell inférieure à celle des fontes classiques au silicium.
Malgré des résistances élevées, les duretés des fontes selon l'invention sont donc relativement faibles; il s'ensuit que leur usinabilité est comparable sinon meilleure que celle des fontes au silicium.
Les fontes selon l'invention présentent également l'a- vantage d'être fabriquées à partir de matières premières peu coù= teuses d'un approvisionnement aisé en toutes circonstances.
Les nouvelles fontes se prêtent particulièrement bien pour la coulée de pièces à haute résistance et de pièces minces né- cessitant un usinage ultérieur.
L'aluminium contenu dans ces fontes empêche toute réac- tion moule-métal de sorte que l'adhérence du sable est quasi inexis- tante,
Le peau des pièces en fonte à l'aluminium est-ainsi plus/belle que celle des pièces en- fontes classiques au silicium ce qui permet de réaliser une économie sur les frais de nettoyage.
Un domaine d'application particulièrement intéressant
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pour ces nouvelles fontes est celui de la coulée en moule métalli- que..
Les pièces en fontes classiques au silicium coulées en moule métallique doivent généralement subir un traitement thermique pour décomposer les carbures qui se sont formés lors du refroidisse- ment rapide dans le saoule.
Ses essais ont montré que par suite de la très faible tendance à la trempe lédeburitique des selon l'invention, les pièces coulées en roule métallique avec ces fontes ne doivent subir aucun traitement thermique ultérieur. on donnera ci-après ceux exemples non limitatifs de composition d'une fonte grise selon l'iovention, non traitée pour nodulation, coulée sous .forme de barres.
Les tableaux des mesures de résistance et de dureté de l'exemple 1 indiquent, pour la compa-- raison, les résultats -de mesure d'une fonte selon l'invention qui a donc été inoculée, la teneur en Si étant la somme de la teneur iné- vitable des matériaux de départ et de la teneur comme ccpcsant de l'inoculant, et de la fonte de base non inoculée dont la teneur en
Si est celle inévitable des matériaux de départ.
EXEMPLE 1
Composition chimique : -fente de base non inoculée : 2,90% C; 0.09% Si; 1,85% Al -fente inoculée à 1% de SiCa: 2,70% C; 0. 3 5% Si; 1,85% Al
Résistance à la traction, en kgf/mm2
EMI8.1
<tb> 30mm <SEP> 20mm <SEP> 12mm
<tb>
<tb> non <SEP> incculée <SEP> inoculée <SEP> non <SEP> inoculée <SEP> inoculée <SEP> non <SEP> inoculée <SEP> inoculée
<tb>
<tb>
<tb> 24,7 <SEP> 50,2 <SEP> 38,9 <SEP> 52,6 <SEP> fonte <SEP> blanche <SEP> 57.
<SEP> 9
<tb>
Profondeur de trempe en mm Module de chloc kgfcm/cm3 (# 30 mm)
EMI8.2
<tb> Kon <SEP> inoculée <SEP> Inoculée
<tb>
<tb>
<tb> 40 <SEP> 2
<tb>
<tb>
<tb> 5,6 <SEP> 12,5
<tb>
<tb>
<tb>
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Dureté Brineil
EMI9.1
ÇJ 30 mm 20 mm 12 san non inoculea ! Inoculée .non! inoculée L-ioc7ila- non inoculée -inoculée
EMI9.2
<tb> 246 <SEP> 234 <SEP> 295 <SEP> 256 <SEP> fonte <SEP> blanche <SEP> - <SEP> 280
<tb> (330)
<tb>
EXEMPLE 2
Dans cet exemple, on ajottepour comparaison,une fonte inoculée avec 1% de fe-Al-Ca.
EMI9.3
##-..# ¯¯ Coaposimon Ci'=ïTi.;,'.8 5[C S4 5d\!.l'! 1' 9S - % 3.
EMI9.4
<tb> non <SEP> inoculée <SEP> 8,18 <SEP> 0,15 <SEP> 0,45 <SEP> 0,042 <SEP> 0,040 <SEP> 2,53
<tb>
<tb> inoculée <SEP> au <SEP> SiCa <SEP> 3,02 <SEP> 0,77 <SEP> 0,44 <SEP> 0,042 <SEP> 0,030 <SEP> 2,53
<tb>
EMI9.5
inoculée au =e-hl-Ca 3,10 0.i2 0,:5 0,041 0,031 2,85 Fe : C. : 1 : d'; a s :tf Propr iétés . \vi 30 um 20 enz 12- roza 'non J sLizaµFeh=lGa 3c r (#o; sicai FaAlCa non' gé 12 un FeA1ca ¯¯¯¯¯¯¯¯¯LLS-¯¯¯ # i' }¯¯¯4¯¯¯¯¯ t jL.noc'.
O Résistance } ! l'l:noc.r1:- à la trac - tion kgf/ j MM2 ; 4G,1"47,6j 4,8 42 :518 z .43,zut 53.3 55,1 Dureté C.l,7.6; 49.S ( 1 53.5 43.2/ 3,3f 5.1 Dureté : .- ! 28 302 Brinell 239 ,241 245 272 28-5 278 288 302 o 1 302 ¯¯¯¯¯¯¯¯! !¯¯¯¯¯¯i 1 non inoculée SiCa Fe-Al-Ca
EMI9.6
Pro-fondeur de trempe en mm : 20-- ne: rt e. --
On peut ajouter à la fonte inoculée dont la composition a été signalée, des quantités variables d'éléments d'alliages, séparément cu simultanément., suivant les propriétés particulières que l'on désire en outré de celles d'une résistance élevée (résis- tance à la corresion, à la chaleur, etc,).' C'est ainsi que l'on peut ajouter notamment
Cuivre = 0-6% Nickel :
0-12% Chrome : 0-5%
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¯- ?.blybé);e : O-2% 3irc<oniina : z o-1% Xl àoit tr.s-este.ndu que l'invention n-*est 'pas 'l'imitée
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à la forme de réalisation décrite et que bien des variantes -peuvent y être apportées sans sortir du cadre du présent brevet.
REVENDICATIONS
1. Fonte grise inoculée, caractérisée en ce qu'elle comprend de l'aluminium en tant qu'élément graphitisant.
2. Fonte grise selon la revendication 1, caractérisée en ce que la-teneur en aluminium est au maximum d'environ 3%.
3. Fonte grise selon l'une ou l'autre des revendications
1 et 2, caractérisée en ce que sa teneur en silicium est au maximum d'environ 1%
4. fonte grise selon l'une ou l'autre des revendications
1 à 3, caractérisée en ce que la teneur en silicium, en tant qui élément graphitisant est nulle.
5. Fonte grise selon l'une quelconque des revendcations
1 à 4, caractérisée en ce que sa teneur en carbone est de l'ordre de 2 à 4%.
6. Fonte grise selon l'une quelconque des reveiidications
1 à 5, caractérisée en ce que l'élément inoculant actif choisi dans le groupe comprenant le calcium,le baryum et lestrontium, est in- troduit dans la fonte par un support comprenant de l'aluminium.