Procédé de coulée d'un corps tubulaire en fonte blanche et corps tubulaire coulé obtenu par ce procédé. La présente invention concerne un procédé de coulée d'un corps tubulaire en fonte blan che. Elle comprend également un corps tubu laire coulé obtenu par ce procédé. Dans un but de simplification, les corps tubulaires en fonte blanche auxquels l'invention se rapporte seront appelés ci-après cylindres puisqu'ils conviennent à l'usage comme cylindres de moulins ou de laminoirs et sont largement utilisés dans l'industrie dans ce but.
Quand des cylindres en fonte en coquille, ayant une épaisseur de paroi de 12,7 mm ou supérieure, sont obtenus par les méthodes clas siques die coulée par centrifugation, ils n'ont pas habituellement une structure cristalline homogène dans toute l'épaisseur de leur paroi, mais au contraire, ils sont caractérisés par la ségrégation ou la formation d'une bande de cémentite grossièrement coaxiale au cylindre, donnant des produits qui, pour les raisons apparaissant ci-après, ne sont pas commer cialement acceptables pour certains buts.
Cette difficulté ne se rencontre généralement pas dans les cylindres en fonte en coquille ayant une épaisseur de paroi inférieure à <B>12,7</B> mm, parce que des cylindres de ce genre se solidifient si rapidement, après qu'ils ont été coulés, que le mécanisme de ségrégation n'a pas l'occasion de se produire.
Dans certains cas, par exemple quand le cylindre moulé en coquille est utilisé sans modification de s'a forme cylindrique, le man que d'uniformité dû à la ségrégation peut passer d'abord inaperçu et ne se manifeste qu'après un. service considérable du cylindre, par une usure irrégulière de celui-ci.
Toute fois, quand des cylindres de ce genre sont cannelés avant leur utilisation, la cémentite de ségrégation, étant considérablement plus dure que les couches adjacentes de métal, qui forment le corps du cylindre, se manifeste rapidement en émoussant l'outil servant au eannelage et en résistant énormément au pas sage de cet outil, rendant ainsi le processus de cannelage plus difficile et plus long.
Que des cylindres de ce genre soient des tinés à être utilisés avec des surfaces unies ou des surfaces cannelées,. il est donc haute ment désirable d'éliminer cette ségrégation, car, en agissant ainsi, cela permet aux cylin dres de s'user uniformément en service et de prolonger leur durée effective.
Le procédé faisant l'objet de la présente invention est caractérisé en ce qu'on fait tour ner un moule métallique cylindrique monté sur un axe horizontal à une vitesse telle qu'elle soumet le métal en fusion introduit dans ledit moule à une force centrifuge qui, mesurée à la paroi intérieure du moule, est égale à au moins 125 fois l'accélération due à la pesanteur,
en ce qu'on introduit dans le moule tournant une charge de fonte en fusion à un taux tel que pratiquement toute la charge est introduite dans ledit moule avant le commencement de la solidification, la charge de fonte en fusion étant en quantité suffisante pour produire un moulage tubu laire ayant -me épaisseur d'au moins 12,7 mm et de composition telle que la masse solidifiée soit constituée entièrement de fonte blanche, et en ce qu'on maintient ladite vitesse de rota tion du moelle pendant la durée totale de soli dification de ladite fonte.
Le dessin annexé se réfère à deux cylindres en fonte obtenus par centrifugation, l'un au moyen du procédé antérieur, l'autre au moyen du procédé selon l'invention; dans ce dessin La fig. 1 est une coupe de la paroi du cylindre obtenu par centrifugation au moyen dit procédé antérieur, après décapage. La fig. 2 est la même coupe que celle représentée fig. 1, mais agrandie vingt fois.
La fig. 3 est une coupe de la paroi du cylindre obtenu par centrifugation au moyen du procédé selon l'invention.
La fig. 4 est la même coupe que celle re présentée en 3, mais agrandie vingt fois.
On -utilise, dans le procédé selon l'inven tion, des vitesses de rotation du moule consi dérablement supérieures à celles employées habituellement dans la coulée par centrifu gation.
Le fait que la ségmégation puisse être éli minée avec de telles vitesses de rotation du moelle est tout à fait inattendu, étant donné que la ségrégation était considérée comme liée à l'action de la centrifugation. Des moulages en fonte coulés en coquille au repos, par exemple, ne montrent pas le type de ségréga tion rapporté ci-dessus. En conséquence, on devrait s'attendre à ce que, plis la force cen trifuge appliquée au métal coulé pendant la coulée est grande,
plus la tendance à la ségré gation doive être grande.
La cause de la ségrégation de la cémentite dans les moulages en coquille par centrifuga tion peut semblent-il être recherchée dans les mouvements relatifs du métal coulé et du moule pendant une partie du temps de soli dification. Après que la fonte en fusion, qui est sujette à la ségrégation, a été versée dans le moule métallique en rotation et pendant l'intervalle de solidification de la fonte, des cristaux primaires (des ossatures de den- drites), qui sont relativement pauvres en car bone, se forment sur la paroi du mollie et.
se développent essentiellement à l'intérieur de celui-ci et radialement. Ces dendrites sont très fragiles au point de vue de leur structure et sont. facilement détachées du moule par le glissement et l'écoulement de la fonte fondue par rapport au moule, résultant du retard des zones intérieures de la fonte fondue à attein dre la vitesse du moule.
De cette façon, ces dendrites brisées flottent librement pendant un temps court dans la masse fondue et; étant plus denses que le métal liquide, sont concen trées à la surface extérieure de la masse fon due par la force centrifuge. Le liquide inter- dendritique riche en carbone, qui reste pour former la couche suivante intérieure de métal, après que les dendrites se sont rassemblées à l'extérieur, est près de se soldifier et,
comme la solidification a lieu rapidement en ne lais sant que très peu de temps pour une diffu sion entre le liquide interdendritique et les couches intérieures de métal fondu, la compo sition de cette couche reste sensiblement celle du liquide interdendritique.
La couche la plis intérieure de métal li- qiüde restant a atteint pendant ce temps la vitesse de rotation du moule et., par suite, la solidification de celle-ci a lieu sans brisure nouvelle des dendrites se développant intérieu rement en partant de la couche solidifiée an térieurement. Le résultat est. que l'action de la force centrifuge décrite ci-dessus ne peut plus se faire sentir et que la couche la plus inté rieure du moulage est par suite sensiblement exempte de ségrégation de cémentite.
On doit dire ici que ces différentes cou ches ne se disposent pas en réalité concentri quement dans le moulage, de sorte que, lors qu'un cylindre moulé en coquille présen tant de la ségrégation est usiné, la cémentite de ségrégation est normalement découverte sous forme de parties isolées plutôt qu'en cou ches continues, ce qui explique les propriétés indésirables des cylindres de ce genre, men tionnées ci-dessus.
Quand des vitesses très élevées de rotation du moelle sont utilisées, le métal fondu est rapidement entrainé et amené à la vitesse du moule avant que la solidification de la surface extérieure du moulage ait progressé à une pro fondeur considérable. La solidification a lieu alors dans -Lui liquide calme, d'une façon très analogue à celle d'une coulée au repos, avec les cristaux primaires se développant sensi blement perpendiculairement à la paroi du moulage et s'étendant à travers toute l'épais seur de celui-ci.
Par suite, les forces centri fuges élevées qui agissent ne produiront au- eim effet de séparation, puisqu'il n'y aura. pas de cristaux solides flottant librement d'ans le métal liquide.
Le procédé selon l'invention permet de produire des cylindres coulés par centrifuga tion, ayant une régularité de composition com parable aux produits en fonte coudés en co quille au repos, avec l'avantage supplémen taire que les moulages sont plus denses et con tiennent moins d'inclusions non métalliques que le produit correspondant coulé au repos.
Les vitesses<B>d'a</B> moule que l'on préfère utiliser dans la mise en pratique de l'inven tion sont celles qui exercent une force cen trifuge comprise entre 175 et 200 fois l'accélé ration due à la pesanteur (g) sur le métal fondu, mesurée sur la surface de la paroi exté rieure du corps tubulaire en cours de coulée (c'est-à-dire la surface de la paroi intérieure du moule).
Le tableau suivant (tableau I) se réfère à des essais effectués conformément à l'inven tion (exemples 3 et 4) et à des essais compa- ratifs effectués selon la technique antérieure (exemples 1 et 2).
Dans tous les essais, on a utilisé un moule en acier ayant un diamètre intérieur de 24,8 cm, un diamètre extérieur de 41,9 cm et une longueur de 85,1 cm et, avant l'exécution de chaque coulée, le moule est garni sur sa surface intérieure d'un revête ment réfractaire mince, dans le but de la pro téger contre lui contact direct avec le métal fondu.
Le revêtement du moelle n'avait pas d'effet appréciable sur le taux de refroidisse ment de la fonte en fusion qui y était conte nue. Dans tous les exemples, la quantité de métal versé était la même, à savoir 113,5 kg, qui donnait des moulages ayant une épais seur de paroi d'environ 25,4 mm.
Les données sur la répartition du carbone dans les produits sont obtenues comme suit: Un anneau de 25,4 mm de longueur est dé coupé au centre de chaque moulage dans le but d'effectuer des analyses de parois trans versales successives. Les anneaux étaient d'abord soumis à un recuit adoucissant et ensuite usinés pour enlever toute couche de surface décarburée.
Des perçages pour analyse des couches sont faits en six points à travers la paroi, en partant à 4,7 mm de la surface extérieure brute de coulée. Les centres sont espacés de 3,2 mm et on utilise une mèche à pointe de carbure de 4,7 nïm de diamètre qui foilrrit une enveloppe complète. Un échantillon de paroi entière est aussi prélevé afin qu'on puisse .comparer les échantillons correspon dants prélevés à la cuiller et dans-des couches.
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Ces fontes peuvent d'ailleurs contenir, en plus des éléments spécifiés, d'autres éléments d'alliage.
Il est indiqué d'utiliser une température de coulée d'au moins l315 C, pour la fonte, une température de moule à la coulée d'au moins 93 C et un taux de coulée d'au moins 3 kg de fonte fondue par seconde.
Il ressort immédiatement de l'examen du tableau I que les moulages tubulaires en co quille obtenus conformément à la présente in vention sont supérieurs sur plusieurs points à ceux obtenus par les procédés usuels de coulée par centrifugation. Par exemple, en considé rant la régularité de la répartition du car bone (calculé comme carbone total) à travers l'épaisseur de paroi du moulage, on voit que les moulages suivant la technique antérieure montrent un écart de teneur de 0,46 et<B>dé</B> 0,
51% de carbone pour un pourcentage de sé- grégation die 13,1 et 14,4 respectivement (exemples 1 et 2).
Par contre, l'écart de teneur en carbone est inférieur à<B>0,15</B> 0/u, exac- tement 0,10 et 0,11 %, dans les exemples 3 et 4 pour un pourcentage de ségrégation respec tivement de 2,8 et 3,1.
La supériorité des moulages de fonte en coquille selon l'invention, telle qu'elle est dé terminée par les analyses chimiques données ci-dessus, apparaît aussi à la comparaison de la structure cristalline des moulages de la technique antérieure (fig. 1 et 2) et de celle des moulages obtenus par le présent procédé de coulée (fig. 3 et 4).
Ces deux genres de moulages, de même que les cylindres usuels coulés en coquille au repos, de compositions ordinairement em ployées, comprennent deux constituants prin cipaux de microstructure:
a) dendrites ou cristaux primaires qui se forment d'abord quand la température descend au-dessous de celle de liquéfaction et b) un eutectique qui est composé de carbure de fer (cémentite) et d'austénite. Les cristaux primaires ou a.rbo- r eseents augmentent en dimension et en nom bre quand la température tombe à celle du solide ou à la fin de la solidification et se transforment par refroidissement à travers la.
zone critique en perlite avec précipitation d'un peu de carbone libre.
Ces dendrites portent aussi le nom de phase proeutectique et correspondent aux sur faces d'un noir foncé facilement visibles sur les fig. 2 et 4. Les zones dendritiques contien nent théoriquement environ 1,4011/o de car bone et, après refroidissement lent, sont rela tivement malléables et ductiles, ressemblant à, un acier à haute teneur en carbone plutôt qu'à de la fonte moulée en coquille. Le matériau eutectique ou lédéburite consiste,
quand il est formé d'abord dans la masse solide, en car bone Hbre et en austénite. Une partie de l'aus- ténite eutectique se réunit aux dendrites pri maires et une autre partie se sépare en îlots à l'intérieur de .la cémentite, les deux parties se transformant en perlite par refroidissement au-dessous de la zone critique.
La cémentite consiste en le composé Fe3C et est extrême ment dure, brillante et résistante à l'usnire. Le constituant cémentite apparaît sous la forme des zones entièrement blanches dans les fig. 2 et 4.
Telles sont en général les micro- structures existant dans tous les cylindres de fonte blanche moulés en coquille, du type à carbone simple ou à alliage bas.
Comme on voit sur les fig. 1 et 2, les mou lages en coquille par centrifugation de la technique antérieure sont caractérisés par des bandes de matériau dendritique proeutectique, pauvres en carbure de fer, ces bandes étant de structure colonnaire et séparées par une bande non. colonnaire très riche en carbure de fer (cémentite), la présence de cette dernière.
détruisant la continuité de la. structure colon- naire du cristal primaire à travers la paroi du moulage. Les bandes montrant une faible et itne haute teneur en carbone ne sont pas toujours exactement coaxiales au diamètre extérieur du cylindre. La coupe de la.
machine de finition, par suite, peut avoir lieu dans une zone malléable ou à basse teneur en car bone à un endroit et dans une bande à haute teneur en carbone en un autre endroit, de sorte qu'il y aura des irrégularités en ce qui concerne le poli de la surface, la dureté (et par suite la résistance à l'usure), et la facilité d'usinage, là où dé fins sillons longitudinaux ou des cannelures doivent être pratiqués dans le cylindre.
Au contraire, comme le montrent les fig. 3 et 4, les moulages en fonte en coquille par centrifugation, faits par le présent procédé de coulée, sont caractérisés par une répartition remarquablement uniforme des dendrites pri maires (perlite) dans la matrice de matériau à carbure eutectique. Cette uniformité de structure entraîne un poli de surface très ré- gulier, -une dureté uniforme (et par suite des qualités d'usure uniformes)
et une facilité d'usinage beaucoup plus grande. Une autre caractéristique d'un tel moulage réside dans le fait que les dendrites primaires, c'est-à-dire les cristaux primaires vus dans leur macro- structure, sont disposés radialement au mou lage, cette macrostructure s'étendant sur toute l'épaisseur de la paroi de celui-ci,
produisant la structure colonnaire visible à la fig. 3.