Pièce en fonte graphitique brute de coulée, et procédé pour son obtention. On sait que la fonte se présente, après cou lée, sous forme de fonte grise, de fonte blanche ou de fonte truitée et que l'on peut traiter la fonte blanche par chauffage pour décompo ser le carbone combiné et rendre la fonte mal léable. La caractéristique de la fonte grise est que la plus grande partie du carbone non combiné dans la structure est présente sous forme de graphite. Si l'on examine au mi croscope des sections polies de fonte grise, le graphite apparaît toujours sous forme de fila ments allongés, parfois tordus. On désigne couramment ce graphite sous le nom de gra phite en lamelles et on donne à sa forme le nom de lamelles .
La présente invention est fondée sur la découverte < lue la forme des particules de graphite est modifiée si le fer, après coulée, contient du magnésium. Les lamelles s'arron dissent dans les trois dimensions ou se rac courcissent, de sorte que dans les sections po lies vues au microscope les points aigus carac- téristiques des sections des lamelles de gra phite disparaissent. pratiquement complète ment.
La présente invention concerne une pièce en fonte graphitique brute de coulée, constituée en majeure partie par du fer et un procédé pour l'obtention de cette pièce. La pièce en fonte graphitique selon l'invention est carac térisée en ce qu'elle contient de 0,02 à 0,04 /o de magnésium et en ce que pratiquement toutes les particules de graphite qu'elle contient sont de forme compacte. Le procédé pour l'obtention de cette pièce est caractérisé en ce que l'on incorpore du magnésium à un bain de métal fondu conte nant en majeure partie du fer, apte à fournir une fonte graphitique, et en ce qu'on coule ce bain, la quantité de magnésium incorporée et les conditions de coulage étant telles que la pièce brute de coulée contienne de 0,02 à.
0,04 % de magnésium et que pratiquement toutes les particules de graphite présentes soient de forme compacte.
Par l'expression particules de graphite de forme compacte , on entend toutes parti cules de graphite qui ont une forme plus arrondie et plus courte que les particules ordi naires de graphite, c'est-à-dire les lamelles. Parmi les particules de forme eotrrpacte, on peut distinguer celles ayant. une forme sphé- roïdale .
Le changement dans la microstructure apparaît clairement sur le dessin annexé.
La fig. 1 et la fig. 2- sont des reproduc tions de microphotographies de deux fontes grises. Chacune contient 3 % de carbone et 1,75 % de silicium. La fonte représentée sur la fig. 1. est obtenue de la manière habituelle;
celle représentée sur la fig. \' est traitée de façon qu'elle contienne 0,033 % de magné- sium retenu. La différence de forme du gra phite apparaît encore mieux sur les micro photographies faites avec un plus fort grossis sement.
La fig. 3 et la fig. 4 sont des reproductions de microphotographies faites avec un grossis sement cinq fois plus fort de deux fontes comparables, celle de la fig. 3 contenant 3,4 % de carbone et 2,2 % de siliciiun,
et celle de la fig. 4 contenant 3,3 % de carbone, 2,2 % de silicium et 0,021 % de magnésium retenu.
Les fig. 5 et 6 montrent respectivement les deux mêmes fontes avec un grossissement double de celui des fig. 3 et 4.
Toutes ces figures permettent de voir que les particules de graphite dans les fontes con tenant du magnésium sont plus courtes et phis épaisses et que leurs arêtes sont émoussées et arrondies, quelle que soit la section sous la quelle la particule est. examinée, mais la dis tribution du graphite n'est pas du type com munément désigné sous le nom d'inter-dendri- tique. Cette forme des particules représentée sur les fig. 2, 4 et 6 est désignée par l'expres sion forme compacte .
La foi-me exacte de la microstructure va rie avec un certain nombre de facteurs, et parmi ceux-ci la présence ou l'absence de la plus petite trace de certains éléments s'est révélée avoir un effet contraire à la tendance du graphite de changer à partir de la forme lamellaire. Dans les conditions favorisant le changement, certaines particules de graphite peuvent devenir sphéroïdales; les particules sphéroïdales représentent une classe spéciale des particules dites compactes .
De préférence, au plus 25 % des particules de graphite de forme compacte, présentes dans la fonte, sont sous forme sphéroïdale . Dans des conditions moins favorables, certai nes particules non compactes seront des la melles, ce qui est à éviter dans la préparation de la pièce en fonte graphitique selon l'inven tion.
La pièce en fonte graphitique selon l'in vention possède des propriétés bien supé rieures à celles d'une pièce en fonte graphi- tique dans laquelle le graphite subsiste sous la forme ordinaire de lamelles, mais qui est autrement constituée de la même façon.
La production d'une microstructure dans laquelle au moins une partie (par exemple les 25 0/0) du graphite est sous forme prati- quement sphéroïdale fait. l'objet. du brevet. suisse N 278655 de la même titulaire. Ce ré sultat peut être obtenu en assurant à la fonte une teneur en magnésium retenu comprise entre 0,04 et 0,5 0/0.
Dans la mise en oeuvre de la présente in vention, il est essentiel que le métal soit gra- phitique après coulée et la composition doit être appropriée à cet effet, compte tenu des conditions de coulée, c'est-à-dire du type de moule et de l'utilisation d'un agent inoculant quelconque, autrement dit de l'addition d'un agent fortement graphitisant immédiatement avant la coulée. De plus, il ne suffit pas d'ajouter simplement du magnésium au mé tal en fusion, comme proposé jusqu'à. main tenant; il faut que du magnésium soit retenu dans la. fonte.
C'est. un fait bien connu que le magnésium a une grande affinité pour l'oxy gène dans le métal et aussi qu'il s'oxyde rapi dement à la surface de la fonte en fusion; en conséquence, il n'y a pas de magnésium rési duel lorsque ce métal est. simplement utilisé pour produire la désoxydation. On sait aussi que le magnésium a une grande affinité pour le soufre. En conséquence, la quantité de ma gnésium introduite doit être augmenté de la quantité nécessaire pour éliminer ces éléments ou pour neutraliser d'une autre manière leurs effets. Quand il y a du soufre dans le bain avant le traitement, il est nécessaire d'intro duire dans le bain une quantité de magné sium qui soit. suffisante non seulement pour assurer la teneur désirée en magnésium re tenu, mais aussi pour réagir avec le soufre, et.
dans ce but, il est préférable d'introduire une partie en poids de magnésium pour chaque partie en poids de soufre à. éliminer. De cette façon, la teneur en soufre est généralement réduite à moins de 0,015 0/0. Seul l'excès non consommé de magnésium est alors disponible pour remplir son rôle consistant à déterminer la forme du carbone non combiné et assurer la teneur requise en magnésium résiduel.
Etant donné qu'il est essentiel que la fonte soit graphitique, le métal en fusion doit, au moment de la coulée, posséder un pouvoir graphitisant élevé. On peut lui communiquer cette propriété par un ajustement approprié de la composition du métal en fusion de di- verses manières bien connues dans la fabri cation de la fonte grise. En raison, toutefois, de l'effet blanchissant du magnésium sur la fonte, il est en général désirable d'inoculer le métal en fusion.
L'inoculation de la fonte a un effet graphitisant; elle consiste en une addi tion tardive d'un agent graphitisant fort qui est habituellement un agent contenant du sili cium, comme le ferrosilicium, le siliciure de calcium ou le siliciure de nickel, mais qui peut, par exemple, être l'aluminium. Pour la réali sation de la présente invention, on utilise l'inoculation sauf dans certains cas où le bain possède un pouvoir graphitisant élevé.
Il est préférable d'introduire le magnésium dans le bain, puis d'y introduire séparément l'inocu lant graphitisant, lequel est de préférence le silicium, ajouté par exemple, sous forme de ferrosilicium. La quantité de silicium ajoutée est d'ordinaire comprise entre 0,3 et 2,5 0/0 et, de préférence, entre 0,4 et 1,2 0/0. Si l'inoculation précède l'introduction du magné sium, elle peut ne pas donner les résultats dé sirés dans le produit tel qu'il est. coulé. On peut remédier à cette difficulté par une autre inoculation pratiquée au moment même de l'introduction du magnésium, mais de préfé rence après cette introduction.
Le bain en fu sion contenant du magnésium et inoculé doit être coulé très rapidement après l'inoculation, par exemple trois minutes après celle-ci. On a constaté que si le bain traité est maintenu pendant un temps beaucoup plus long après l'inoculation, l'effet de cette dernière opéra tion s'émousse et disparaît, mais il peut être restauré par un nouveau traitement inocu lant.
Les teneurs en carbone et en silicium des pièces coulées sont celles de la fonte grise ordinaire, mais quand la teneur en carbone augmente, la quantité de magnésium retenu nécessaire pour que le graphite soit principale ment compact augmente aussi. Ainsi, pour une teneur en carbone d'environ 3 0/0, une te- neur en magnésium de 0,035 % donne de bons résultats, mais quand la teneur en car- bone est de 3,5 0/0, une teneur en magnésium de 0,
039 % est. plus satisfaisante.
La fonte telle qu'elle vient d'être coulée peut. être exempte d'éléments d'alliage ou peut contenir des quantités notables de tels élé ments. C'est ainsi que la fonte peut contenir des éléments d'alliage tels que le nickel, le molybdène, le chrome, le manganèse et l'alu minium. Les propriétés blanchissantes, ou de stabilisation des carbures, de certains éléments d'alliage doivent être prises en considération en raison de la nécessité que le métal en fu sion possède un pouvoir graphitisant suffisant, lorsqu'il est coulé, pour qu'il se forme une quantité notable de carbone graphitique pen dant le refroidissement à partir des tempé ratures de coulée.
Pour cette raison, la. teneur en chrome ne doit pas dépasser normalement 1% et, de préférence 0,6 0/0. Toutefois, la quantité de chrome pouvant être tolérée dé pend de la composition du métal en fusion dans son ensemble, et la quantité maximum de chrome est celle qui donne un métal en fusion possédant le pouvoir graphitisant re quis au moment de la coulée.
Le manganèse, qui est un blanchissant ou un stabilisateur de carbures plus doux, peut être toléré en quan tités plus grandes allant, par exemple, jus qu'à 2,511/o. De plus grandes quantités de manganèse peuvent être présentes lorsque l'alliage a une composition, ou matrice, austé- nitique. En général, le manganèse tend à affaiblir certaines propriétés mécaniques, en particulier dans les alliages, tels que coulés, dans lesquels le fer est sous la forme alpha; pour cette raison, il est préférable que la teneur en manganèse ne dépasse pas l0/0.
L'aluminium diminue la stabilité des car bures et. agit comme graphitisant. Le cuivre ne doit. pas être utilisé en quantités dépas- sant 3 % ou même 2 % sans que l'on ait tout d'abord déterminé son effet sur les caracté ristiques et. propriétés générales de la fonte. Certains éléments d'alliage tels que le nickel peuvent augmenter la tolérance pour le cuivre.
Il est bien connu que certaines fontes graphitiques contiennent de petites quan tités de carbures libres distribués avec le graphite dans toute la matrice. Ces fontes sont. évidemment entièrement dif férentes des fontes blanches dans lesquelles tout, ou pratiquement tout le carbone est. com biné.
Dans la présente description, l'expres sion fonte graphitique désigne une fonte 'lise dans laquelle tout, ou presque tout le carbone non dissous ou combiné dans la ma trice est. du graphite, mais elle n'exclut pas les fontes dans lesquelles il v a certains car bures primaires distribués dans la matrice. Par exemple, les propriétés mécaniques et la résistance à l'oxydation des fontes grises ré sistantes à la chaleur contenant un peu de carbure de chrome distribué avec le graphite dans toute la matrice perlitique peuvent être améliorées en incorporant.
à ces fontes du ma gnésium. On pense que l'amélioration de la résistance à. l'oxydation est. due au fait que la pénétration de l'oxyde le long des particules de graphite compact est moindre que dans les fontes grises ordinaires présentant des la melles normales.
Comme il a été dit, plus haut, certains élé ments compensent. la tendance que le magné sium possède à produire du graphite com pact. Ces éléments doivent être évités ou ne doivent être présents qu'à l'état de traces ou en très petites quantités. Ces éléments nuisi bles sont. l'étain, le plomb, l'antimoine, le bis muth, l'arsenic, le sélénium et le tellure. On a. constaté que l'étain est particulièrement nuisible, et la teneur en étain doit être main tenue aussi basse que possible, et habituelle ment, il ne doit pas y avoir plus que des traces d'étain.
Le phosphore ne gêne pas la formation du graphite compact et la teneur en phosphore peut atteindre 0,5 % ou plus; toutefois, si l'on désire de très bonnes pro priétés, en particulier celles relatives au choc et à. la ductilité, la teneur en phosphore ne doit pas dépasser 0,06 % et être comprise par exemple entre 0,02 et 0,06 %.
Le magnésium peut être introduit de nombreuses manières.
La quantité de magnésium à ajouter au bain dépend du magnésium retenu désiré, de la quantité additionnelle de- magnésium re- guise pour combattre la présence de certains éléments comme le soufre, de la quantité de magnésium perdue par le retard de la coulée du bain après introduction du magnésium et de la. proportion de magnésium dans l'agent d'addition de magnésium perdu lors de l'in troduction du magnésium dans le bain.
On croit généralement que le magnésium ne s'al lie pas au fer et, en fait, lorsqu'on essaie d'introduire du magnésium métallique sous la forme élémentaire dans la. fonte en fusion à la température ordinaire élevée nécessaire pour une coulée satisfaisante, il se produit une réaction d'une telle violence explosive que la fonte en fusion peut. se trouver soufflée hors du récipient. On peut ajouter le magné sium métallique avec les précautions voulues sous la forme élémentaire solide directement dans le bain lorsque ce dernier est à une tem pérature de peu supérieure à la température du liquidus de la. composition en fusion, par exemple à une température d'environ l235\# C.
La température doit être assez élevée seule ment pour que le bain soit. en fusion com plète, tout. en étant visqueux. Une telle addi tion de magnésium élémentaire s'accompagne généralement de la combustion du magné sium à. la surface du bain avec production d'un éclair brillant, dégagement de grandes quantités de fumées d'oxyde de magnésium et perte de la plus grande partie du magné sium ajouté. Toutefois, une quantité suffi sante de magnésium se trouve retenue si l'on ajoute une quantité assez grande de ce corps.
Lorsqu'on applique ce procédé, il est préfé rable d'élever rapidement la. température du bain, après introduction du magnésium, à 1370 C ou à. une température plus élevée, puis d'inoculer le bain et. de couler rapide ment. On peut ajouter aussi le magnésium sous forme de briquettes avec des diluants et autres produits analogues pour réduire la combustion du magnésium, pour permettre à celui-ci de se trouver incorporé plus rapide ment et pour qu'une plus grande quantité s'y trouve retenue dans le bain.
Bien que l'on puisse utiliser les procédés rappelés ci-dessus, un procédé commode con- siste à ajouter le magnésium sous forme d'al- liage métallique contenant de 2 à 40 % envi- ron de magnésium.
Des alliages convenables comprennent. ceux que l'on désigne parfois sous le nom de composés intermétalliques , par exemple lIgNi2, ou des mélanges d'un composé intermétallique avec un métal oui avec un autre composé intermétallique, par exemple l4Ni2 + Ni ou Mg--\#i2 + Mg2Ni. D'autre part, le siliciure de magnésium se comporte pratiquement. de la même façon que le magnésium élémentaire et il peut être uti lisé seulement en prenant les mêmes précau tions. On a constaté qu'il est avantageux d'in troduire le magnésium sous forme d'alliage avec un ou plusieurs métaux qui sont solubles dans le fer à l'état fondu.
Pour la réalisation de la présente invention, le nickel et le cuivre sont les métaux préférés avec lesquels le ma gnésium est allié pour former l'agent d'addi tion, et les alliages peuvent comprendre aussi le silicium. L'utilité du cuivre est quelque peu limitée par le désir de maintenir la teneur en cuivre du produit final relativement basse. De même, l'effet nuisible d'une haute teneur en silicium sur les propriétés mécaniques du pro duit. final restreint l'utilité des alliages d'ad dition à haute teneur en silicium. On peut obtenir des résultats très satisfaisants avec des alliages binaires et des alliages plus com plexes contenant du nickel et. du magnésium.
On introduit de préférence le magnésium sous forme d'un alliage dont. la densité est voisine de celle du bain fondu et la dépasse, et on a trouvé que plus la densité est grande, plus la proportion de magnésium retenu dans le métal est grande dans des conditions don nées. Les alliages nickel-magnésitim contenant. de 4 % environ à 20 % environ de magné- sium donnent des résultats satisfaisants.
On donne ci-après quelques exemples de fontes constitutives de pièces conformes à l'in vention, en indiquant également leurs pro priétés.
Pour les applications générales, on désire habituellement une matrice perlitique formée soit entièrement de perlite, soit en partie de perlite, comme dans une matrice perlite-fer- rite; à cet effet, la fonte peut contenir les quantités des éléments indiquées dans le ta bleau 1.
EMI0005.0032
<I>Tableau <SEP> 1:</I>
<tb> Elément <SEP> Limites
<tb> Carbone <SEP> 2,5 <SEP> à <SEP> 3,5 <SEP> 0/0
<tb> Silicium <SEP> 1,6 <SEP> à <SEP> 3,0 <SEP> 0/0
<tb> Magnésium <SEP> 0,02 <SEP> à <SEP> 0,04 <SEP> %
<tb> Nickel <SEP> 0 <SEP> à <SEP> 3 <SEP> %
<tb> Manganèse <SEP> 0,.1 <SEP> à <SEP> 1,2 <SEP> 0/0 Habituellement, les fontes de cette com position ont des charges de rupture à la trac tion d'au moins 3,15 kg/mm2 et parfois jus qu'à 20,47 kg/mm2 plus élevées que celles des fontes comparables exemptes de magnésium.
Elles possèdent aussi le plus souvent une duc tilité, une résistance au choc, un module d'élasticité et des propriétés de résistance à la fatigue améliorés, en même temps que cette forte résistance. Les propriétés des fontes grises contenant du magnésium et dont les composi tions sont dans les limites données dans le ta bleau 1 sont. ordinairement au moins égales à celles données dans le tableau 2.
EMI0005.0036
<I>Tableau <SEP> ?:</I>
<tb> Essai <SEP> de <SEP> flexion <SEP> transversal
<tb> Flèche <SEP> 3,81
<tb> Charge <SEP> 1820
<tb> C. <SEP> R.. <SEP> T. <SEP> 28,35
<tb> Dureté <SEP> Brinell <SEP> 180
<tb> Choc <SEP> 4,15 Flèche: Flèche en mm dans l'essai de flexion transversal déterminé sur une éprou vette de 30,5 mm de diamètre avec une portée de 305 mm.
Charge: Charge en kg nécessaire pour la rup ture de l'éprouvette transversale avec une portée de 305 mm.
C.R.T.: Charge de rupture à la traction en kg/mm2.
Choc: . Nombre de kg/m nécessaire pour rom pre l'éprouvette d'essai non entaillée par choc avec la machine Izod (16,6 kg/m). Quand la. matrice n'est pas perlitique, les propriétés sont également améliorées. Ainsi, la charge de rupture à la traction ultime est toujours d'au moins 19,7 kg/mm2 supérieure à celle d'une fonte comparable exempte de magnésium, et cette augmentation de la charge de rupture à la traction s'accompagne d'une augmentation de la résistance au choc, de la ductilité, de la résistance à la chaleur et de la résistance à la compression.
Les résultats des essais effectués sur quel ques fontes comparables sont. donnés dans le tableau 3.
EMI0006.0004
<I>Tableau <SEP> 3:</I>
<tb> Composition: <SEP> C <SEP> 3,10/0; <SEP> Si <SEP> 1,6 <SEP> 0/0; <SEP> Ni <SEP> 0,8 <SEP> 0/0: <SEP> Mn <SEP> 0,7 <SEP> %; <SEP> P <SEP> 0,02 <SEP> 0/0.
<tb> Essai <SEP> de <SEP> flexion
<tb> No. <SEP> @/o <SEP> <B>mg</B> <SEP> transversal <SEP> C.R.T.
<SEP> Dureté <SEP> Choc
<tb> Flèche <SEP> Charge <SEP> kg/mm= <SEP> Brinell <SEP> kg/m
<tb> mm <SEP> kg
<tb> 1 <SEP> 0 <SEP> 3,94 <SEP> 1640 <SEP> 28,10 <SEP> <B>216</B> <SEP> 3,86
<tb> 2 <SEP> 0,020 <SEP> 5,0 <SEP> <B>2</B>080 <SEP> 33,60 <SEP> 222 <SEP> 5,48
<tb> 3 <SEP> 0,033 <SEP> 4,46 <SEP> 2800 <SEP> 48,70 <SEP> 269 <SEP> 7,72
<tb> 4 <SEP> 0 <SEP> 3,74 <SEP> 7.780 <SEP> 26,90 <SEP> 213 <SEP> 3,72
<tb> 5 <SEP> 0,023 <SEP> 3,9.1 <SEP> <B>1</B>760 <SEP> 23,10 <SEP> 222 <SEP> 3,0-1 Les fontes N 1, 2 et 3 étaient inoculées par une addition, faite dans la poche, de 0,
5 % de silicium sous forme de ferrosilieium. On peut voir que les fontes N 2 et 3 de com position conforme à l'invention, ont des pro priétés très supérieures à. celles de la fonte N 1. La fonte N 4 n'était pas inoculée et dif fère peu dans ses propriétés de la fonte N 1. La fonte N 5 contenait du magnésium retenu, mais, en l'absence d'inoculation, avait lin ré seau de carbures et n'était pas graphitique.
Finalement, on peut. remarquer qu'alors que la charge de rupture à la traction de la fonte représentée sur les fi,-. 3 et 5 est de <B>19,37</B> kgjmm2, celle de la fonte représentée sur les fig. 4 et 6 est de 34,81 kg/mm2.