Procédé de traitement d'une fonte carburée <B>et utilisation de la fonte traitée par ce procédé</B> On a proposé antérieurement de vibrer, ou traiter par des vibrations, divers métaux fondus, principa lement en vue de les affiner.
La présente invention a pour objet un procédé de traitement d'une fonte carburée en vue d'en dimi nuer la fragilité par modification de sa structure et/ou formation de graphite dans sa masse. Ce procédé est caractérisé en ce que l'on soumet la fonte à un vi brage au cours de sa solidification dans un moule. Par fonte carburée on entend une fonte de fer qui se solidifierait normalement avec formation de carbures dans au moins la majeure partie de sa sec tion.
On peut commencer le vibrage avant le début de solidification et le poursuivre durant tout le cours de la période de solidification, ou on peut procéder au vibrage uniquement durant des parties déterminées de la période de solidification.
La fréquence de la vibration est de préférence d'au moins 50 cycles/min., mais, elle ne dépasse de préférence pas 20000 cycles/seconde, car avec l'aug mentation de la fréquence, il devient plus difficile d'obtenir une amplitude de vibration suffisante. L'amplitude est de préférence comprise entre 12,7 mm et 0,025 mm.
Le métal peut être vibré en faisant vibrer le moule, par exemple en fixant solidement le moule à une plaque que l'on fait vibrer électromagnétique- ment. D'autre part, on peut immerger une sonde vi brante dans l'évent du moule. La sonde peut être en métal, par exemple en acier doux, ou en une matière non métallique, telle que le graphite. Si la sonde est soluble dans la fonte, par exemple si elle est en acier doux, on peut la faire avancer dans l'évent au fur et à mesure de sa dissolution. La vibration peut être produite mécaniquement, hydrauliquement,- pneuma- tiquement, ou de toute autre façon.
La méthode dite brassage pulsé électromagnétique peut également être utilisée. Il faut dans tous les cas fournir une énergie suffisante pour que les vibrations intéressent la totalité du métal fondu.
On décrit ci-dessous la nature des effets produits en vibrant différents moulages, avec référence au dessin annexé dans lequel les différentes figures re présentent toutes des microphotographies de mou lages.
La fonte carburée est en général utilisée principa lement a) Là où sa dureté, et la résistance à l'abrasion qui en résulte, sont utiles, par exemple pour la fabri cation de billes en fonte blanche pour moulins à boulets.
b) En vue d'être convertie en fonte malléable par une opération de recuit. Les composants pro duits par le recuit de la fonte carburée ont une ductilité, une résistance aux efforts et aux chocs satisfaisantes, du fait que l'opération de recuit produit des amas ou sphéroïdes de graphite qui n'affaiblissent pas le moulage dans la même me sure que les écailles de graphite et de fonte grise. Le procédé selon l'invention permet d'améliorer la fonte carburée destinée à l'une ou l'autre de ces utilisations.
Ceci provient du fait que l'effet principal de la vibration sur les moulages de fonte blanche réside dans une modification des réactions hyper-eutectique et eutectique. En particulier, en vibrant durant la solidification un moulage qui serait normalement exempt de graphite eutectique et hyper-eutectique, et qui contiendrait normalement des carbures eutectique et hyper-eutectique, on peut induire la graphitisation.
Si la composition de la fonte et les conditions du moulage sont modifiées de manière à empêcher la production de graphite hyper-eutectique et eutectique à la suite du vibrage du moulage en cours de soli dification, le vibrage produit alors une altération mar quée de l'aspect et de la structure des carbures hyper- eutectique et eutectique. Ces carbures forment habi tuellement un réseau fragile dans la totalité des mou lages en fonte blanche et en diminuent gravement la résistance aux chocs, en formant un trajet continu pour la propagation des fentes.
Le vibrage entraîne un remplacement du réseau continu de carbure par un motif discontinu d'aiguilles ou de plaquettes de carbure. Comme ces aiguilles ou plaquettes de car bure ne forment pas un réseau continu, elles ne cons tituent pas un trajet continu pour la propagation des fentes, et la résistance au choc du moulage est re marquablement améliorée. Dans les moulages en fonte blanche ordinaire, obtenus sans vibrage, la rup ture se produit dans le réseau fragile de carbure. Dans le cas des moulages en fonte blanche vibrée, où le carbure est discontinu, la rupture doit se pro duire simultanément dans le carbure et dans les autres constituants présents.
Les autres constituants peuvent être rendus tenaces et résistants au choc par l'utilisation d'éléments d'alliage convenables et par des traitements thermiques, ce qui permet d'amélio rer notablement la résistance à la rupture du mou lage.
Les fig. 1 et 2 du dessin annexé illustrent un exemple d'une telle transformation, qui se rapporte à une fonte blanche au nickel-chrome avec des. car bures primaires (carbures hyper-eutectiques). La fig. 1 montre la microstructure d'un moulage non vibré, avec un carbure primaire massif, alors que la fig. 2 montre la structure d'un moulage obtenu de la même manière avec la même fonte, sauf que l'on a vibré le moule à 100 cycles/sec. avec une amplitude de 1 mm. Les carbures massifs sont brisés en frag ments et un affinage de l'eutectique s'est produit.
Le procédé selon l'invention permet de rendre aciculaire la structure d'autres fontes blanches qui, si elles n'étaient pas vibrées, se solidifieraient avec un réseau de carbure continu et fragile.
A titre d'exemple, on a préparé les fontes sui vantes, qui se ressemblent étroitement, en dehors de leur teneur en chrome.
EMI0002.0017
Fonte <SEP> N <SEP> Composition
<tb> C.T.o/o <SEP> Si <SEP> <B>0/0</B> <SEP> Mo/o <SEP> Mno/o <SEP> Cro/o
<tb> 1 <SEP> 3,2 <SEP> 0,52 <SEP> 4,15 <SEP> 0,60 <SEP> 1,55
<tb> 2 <SEP> 3,1 <SEP> 0,52 <SEP> 3,95 <SEP> 0,64 <SEP> 2,25
<tb> 3 <SEP> 3,1 <SEP> 0,55 <SEP> 3,75 <SEP> 0,61 <SEP> 3,0
<tb> 4 <SEP> 3,2 <SEP> 0,56 <SEP> 3,8 <SEP> 0,51 <SEP> 3,2
<tb> C.T. <SEP> = <SEP> Carbone <SEP> total. On a moulé au sable. deux billes de 6,35 cm de diamètre avec chaque fonte. Pour chacune des paires, une bille a été vibrée en cours de solidification, et l'autre pas.
Toutes les billes non vibrées ont contenu du carbure sous forme d'un réseau continu fragile accompagné de dendrites austénitiques hypo-eutec- tiques, comme représenté à la fig. 3. Cette struc ture est bien connue dans les moulages de ce type de fontes alliées, qui sont utilisées sur une grande échelle pour leur grande résistance à l'abrasion, par exemple pour les billes de moulins à broyer, et la présence de cette structure en limite la résistance au choc.
Les billes moulées dans des moules vibrés durant la coulée et la solidification (100 cycles/sec. avec environ 1 mm d'amplitude) ont présenté des structu res d'eutectique modifiées.
La fonte NI) 1, avec la plus faible teneur en chrome, a été inoculée par les vibrations et le mou lage a contenu des quantités notables de graphite en écailles. La fonte NO 2, avec une teneur en chrome de 2,25<I>Rio</I> n'as pas eu de graphite libredanssa struc ture brute de moulage mais a présenté des indices de modification de la structure du carbure, tendant vers des aiguilles discontinues.
Une augmentation plus marquée de la teneur en chrome a conduit à une transformation plus accentuée de la forme du carbure en aiguilles discontinues, et cette transformation a été complète à la plus haute teneur en chrome de la fonte NI' 4, de structure de carbure complètement aciculaire, ainsi qu'il ressort de la fig. 4. On sait que cette structure confère une ténacité accrue au mou lage qui la manifeste. En outre, la vibration a réduit la dimension des dendrites.
Le procédé selon l'invention peut rendre grise une fonte de fer qui se solidifierait avec une struc ture principalement blanche. 11 est bien entendu né cessaire que les conditions du moulage et la com position du métal soient appropriées. En effet (voir le dernier exemple) une fonte présentant une très forte tendance à fournir un moulage blanc, ne peut être graphitisée, même par vibrage. Une fonte de composition suivante
EMI0002.0029
Co/o <SEP> Sio/o <SEP> Mnolo <SEP> So/o <SEP> Po/o <SEP> Mgolo
<tb> 3,2 <SEP> 0,2 <SEP> 0,3 <SEP> 0,01 <SEP> 0,03 <SEP> 0,08 se solidifierait normalement à l'état complètement blanc, même si la totalité du silicium (0,2%) était ajoutée à titre d'agent d'ensemencement. On a cepen dant obtenu des moulages vibrés sensiblement gris avec cette composition.
Les fontes de cette compo sition et d'une telle structure à l'état brut de mou lage ,>, ne peuvent être obtenues d'une autre façon, pour autant qu'on le sache. Elles se sont révélées posséder une excellente ductilité et résistance au choc, même après un traitement thermique subsé quent de ferritisation.
On peut également utiliser le vibrage pour élever la proportion du graphite qui se forme au cours de la solidification de moulages qui ne contiendraient nor malement qu'une petite proportion de graphite en plus des carbures hyper-eutectique et eutectique. Le vibrage a, dans ce cas, un effet analogue à celui de l'ensemencement du métal liquide avec du ferro- silicium, du siliciure de calcium ou d'un autre agent d'ensemencement, préalablement à la coulée.
On peut utiliser le vibrage supplémentairementouenrem- placement de ces agents et obtenir ainsi un degré inconnu jusqu'ici de graphitisation durant la solidi fication, dans des conditions dans lesquelles on ob tiendrait autrement des moulages partiellement car burés.
Cette application du procédé selon l'invention est particulièrement utile pour la formation de gra phite sphéroïdal dans des moulages réalisés par des procédés dans lesquels on ajoute un agent de sphé- roïdisation, par exemple du magnésium, à la fonte liquide, en proportion suffisante à rendre au moins <B>25%</B> du graphite sphéroïdal dans la fonte à l'état brut de moulage.
Les moulages obtenus à partir de fonte ainsi traitée ont fréquemment tendance à con tenir une certaine proportion de carbures hyper- eutectique et eutectique et il a été jusqu'ici néces saire dans ces cas d'ajouter au métal liquide avant la coulée et après le traitement par l'agent sphéroï- disant, un agent d'ensemencement tel que le ferro- silicium. Cet agent favorise la formation de graphite sphéroïdal au lieu de carbures durant la solidifica tion.
Si l'on substitue, ou si l'on combine le vibrage à l'ensemencement, les carbures libres peuvent être totalement éliminés.
EMI0003.0019
j <SEP> Structure
<tb> Analyse
<tb> Bord <SEP> Centre
<tb> Moulage <SEP> 1
<tb> NI <SEP> ' <SEP> I <SEP> ' <SEP> Cementite@ <SEP> Cementitee
<tb> <B>CO/0</B> <SEP> Si <SEP> o/0 <SEP> Mnoi,o <SEP> j <SEP> Mgo/o <SEP> <B><I>Niolo</I></B> <SEP> -1/o <SEP> Graphite <SEP> % <SEP> Graphite <SEP> I <SEP> Voltage
<tb> 5 <SEP> 3,6 <SEP> <B>1,35'</B> <SEP> 0,29 <SEP> 0,065 <SEP> 0,66 <SEP> 40 <SEP> t. <SEP> de <SEP> GS <SEP> 40 <SEP> t. <SEP> de <SEP> GS
<tb> 5A <SEP> >> <SEP> <SEP> <SEP> <SEP> <SEP> 0 <SEP> bcp. <SEP> de <SEP> GS <SEP> I <SEP> 0 <SEP> bep. <SEP> de <SEP> GS <SEP> 250 <SEP> V
<tb> 6 <SEP> 3,6 <SEP> 1,451 <SEP> 0,35 <SEP> 0,071 <SEP> 0,54,1 <SEP> 30 <SEP> t.
<SEP> de <SEP> GS <SEP> 40 <SEP> t. <SEP> de <SEP> GS
<tb> 6A <SEP> <B>D <SEP> D</B> <SEP> <SEP> <SEP> <SEP> 0 <SEP> bep. <SEP> de <SEP> GS <SEP> 0 <SEP> bcp. <SEP> de <SEP> GS <SEP> 200 <SEP> V <SEP> .
<tb> 7 <SEP> 3,5 <SEP> 1,20 <SEP> 0,33 <SEP> 0,063 <SEP> 0,52<B>1</B> <SEP> 30 <SEP> t. <SEP> de <SEP> GS <SEP> 35 <SEP> t. <SEP> de <SEP> GS
<tb> 7A <SEP> <SEP> <SEP> <SEP> <SEP> <SEP> 0 <SEP> bcp. <SEP> de <SEP> GS <SEP> 0 <SEP> bep. <SEP> de <SEP> GS <SEP> 150 <SEP> V
<tb> t. <SEP> de <SEP> GS <SEP> = <SEP> traces <SEP> de <SEP> graphite <SEP> sphéroïdal.
<tb> bcp, <SEP> de <SEP> GS <SEP> = <SEP> beaucoup <SEP> de <SEP> graphite <SEP> sphéroïdal.
<tb> Evalué <SEP> par <SEP> examen <SEP> microscopique.
On voit que les moulages qui n'ont pas été vibrés en cours de solidification contenaient tous des pro portions importantes de cémentite (carbure de fer) et seulement de très faibles proportions de graphite sphéroïdal, alors que les moulages vibrés ont été presque complètement graphitisés.
On a établi que pour obtenir une structure com plètement graphitique dans des moulages semblables sans utiliser le vibrage, il aurait fallu ajouter environ A titre d'exemple de l'utilisation du vibrage com me agent de graphitisation dans la production de fonte à graphite sphéroïdal, on a effectué trois cou lées d'un bain de fonte contenant approximativement 3,6 % de carbone, 1,3 % de silicium et 0,3 % de manganèse, et on a traité chaque coulée avec 1 % d'un alliage de 85 % de nickel et 15 % de magné sium.
On a confectionné avec chacune des coulées deux moulages cylindriques semblables d'environ 5,7 cm de diamètre et 15,2 cm de longueur, dans des moules de sable lié par le procédé au silicate de sodium-CO.. On a serré rigidement un moule de chaque paire sur une table que l'on a fait vibrer à 100 cycles/sec. au moyen d'un électro-aimant excité par un solénoïde, alors que les autres moules n'ont pas été vibrés. Le vibrage a été effectué durant la coulée du métal et poursuivi jusqu'à ce que le mou lage soit refroidi jusqu'à environ 5000 C.
On a pu faire varier l'amplitude de vibration de la table en agissant sur la tension appliquée aux bornes du solé noïde, une tension de 250 V donnant une amplitude de 1 mm et de plus, faibles tensions donnant des amplitudes plus faibles.
Après le refroidissement, on a démoulé les mou lages et on les a découpés. On a analysé les coupes et on les a examinées au microscope. Les résultats figurent dans le tableau ci-dessous. Les moulages 5, 6 et 7 n'ont pas été vibrés et les moulages 5A, 6A et 7A ont été vibrés. 0,5 % de silicium comme agent d'ensemencement immédiatement avant la coulée.
Le silicium est l'élément ordinairement utilisé pour provoquer la graphitisation de la fonte. D'une manière générale, une fonte est blanche ou partiel lement blanche si elle ne contient pas au moins 2. % de silicium. Grâce au vibrage; on peut rendre gra phitique une fonte contenant moins de 1;5 % de silicium. Le vibrage a en outre pour avantage qu'il est efficace aussi longtemps qu'il est poursuivi, alors que les effets de l'ensemencement habituel s'évanouis sent > avec le temps.
On a constaté que dans les moulages de forte section, dont la solidification est de très longue durée, l'effet de l'ensemencement au ferro-silicium s'use ou s'évanouit >> avec le temps, de sorte que le centre des sections des mou lages de ce type peut présenter une structure de type non ensemencé. Si, par contre, on vibre en utilisant par exemple une sonde vibrante introduite dans l'évent du moule, on peut maintenir un effet d'en semencement très, marqué jusqu'à la solidification de la dernière portion de métal.
Un autre exemple de l'emploi du vibrage pour graphitiser les carbures eutectiques est fourni par les fontes fortement alliées contenant de 18 à 28 % de nickel, de 1,5 à 4 % de chrome et de 2,7 à 3,2 % de carbone, utilisées lorsqu'il est nécessaire de réunir la ténacité avec une résistance élevée à la corrosion. Lorsqu'on ensemence ces fontes de la manière habi tuelle, par exemple avec 0,5 % de silicium (ajouté sous forme de ferro-silicium), et on les coule dans des moules de sable non vibrants, elles contiennent des carbures et du graphite. Si par contre on vibre les moules, la proportion de carbure est réduite et si l'on associe le vibrage et l'ensemencement habi tuel, on obtient des fontes complètement exemptes de carbure.
Les fig. 5 et 6 illustrent l'utilisation du vi brage pour réduire la proportion de carbure eutec- tique présente dans une telle fonte alliée contenant 22 % de nickel, 2 % de chrome et 3 % de carbone.
La fig. 5 montre la microstructure d'une barre mou lée statiquement et la fig. 6 montre la microstructure d'une barre identique, coulée dans les mêmes con ditions dans un moule vibrant. Comme la fonte utili sée pour confectionner ces deux barres n'a pas été ensemencée avec du ferro-silicium, la fig. 6 révèle la présence d'une certaine proportion de carbures. Si la fonte avait été également ensemencée, les car bures auraient été complètement absents.
On obtient des résultats semblables avec des fontes de même composition de base, qui ont été traitées avec du ma gnésium et des métaux des terres rares pour rendre le graphite sphéroïdal. De plus, une partie du nickel de la fonte peut être remplacée par du cuivre, pour donner une fonte de base contenant de 12 à 19 % de nickel et de 6. à 8 % de cuivre.
Le fait de pouvoir graphiter un moulage qui se rait blanc s'il n'était pas vibré est particulièrement utile dans la fabrication des tuyaux de fonte par moulage centrifuge dans des moules métalliques, du fait que ces tuyaux se solidifient normalement à l'état principalement blanc. Le vibrage du moule au cours de la solidification permet la production d'une fonte grise brute de moulage et permet en outre l'utilisa tion d'une fonte de plus faible teneur en silicium, par exemple 1,5 %, ou moins, avec pour consé quence une amélioration des propriétés des tuyaux. L'influence graphitisante du vibrage peut égale ment être utilisée pour produire des effets localisés.
En particulier, on peut soumettre au vibrage un mou lage qui se solidifierait à l'état principalement blanc, c'est-à-dire avec au moins 50 % du carbone sous forme combinée, après solidification partielle, de ma nière à avoir un noyau graphitique, alors que la pé riphérie est complètement ou partiellement blanche. Un exemple de ce mode d'exécution est illustré dans les fig. 7 et 8, qui montrent les sections de rupture de billes de 5,7 cm de diamètre moulées à partir de la même fonte non ensemencée. La bille de la fig. 7 n'a pas été vibrée et est blanche dans toute sa sec tion.
On a laissé la bille de la fig. 8 se solidifier pen dant 30- secondes sans vibrage, puis on a vibré le moule durant le restant de la solidification.
On peut encore obtenir des moulages de forte section avec une bordure de trempe déterminée, en fontes traitées au magnésium et à faible teneur en silicium (0,01 à 0,8 %). On laisse les moulages se solidifier de manière à leur donner une bordure de trempe déterminée, puis on les vibre en utilisant une sonde vibrante immergée dans l'évent. Dans ces con ditions, la partie centrale des moulages est grise et par conséquent résistante aux chocs. Si le moulage contient une proportion suffisante de magnésium ré siduel, le graphite du noyau est sphéroïdal et le noyau est donc particulièrement tenace.
A titre d'exemple, une fonte contenant 0,06 % de magné sium, 3 % de carbone, 0,4 % de silicium, 0,3 % de manganèse, 0,008% de soufre, 0,04% de phosphore, 0,8 % de chrome et 1,5 % de nickel, le complément étant du fer, convient à la formation d'une telle bor dure de trempe.
Le procédé selon l'invention permet en général d'abréger notablement la durée nécessaire à l'obten tion de fonte malléable par recuit d'un moulage de fonte blanche. Ce recuit est ordinairement effectué à une température de 850 à 1000e C et nécessite fré quemment une durée de recuit d'au moins 48 heures. Si le réseau continu de carbure du moulage de fonte blanche réalisé de la façon habituelle est remplacé par une structure carburée discontinue à la suite du vibrage en cours de solidification, la durée de recuit peut être aussi brève que 4 heures et il n'est pas nécessaire qu'elle dépasse 36 heures.
D'autre part, dans le cas de la production de moulages de fonte à graphite sphéroïdal à partir d'une fonte traitée avec du magnésium ou avec un autre agent de sphéroïdisation, le vibrage, qui ne suffit pas à graphitiser complètement la fonte durant la solidification, peut donner une fonte qui est encore complètement ou partiellement blanche à l'état brut de moulage, mais qui peut être graphitisée par un re cuit plus court qu'il serait sans cela nécessaire. Lors que la fonte traitée au magnésium et vibrée contient, à l'état brut de moulage, du graphite sphéroïdal dans une matrice perlitique, la ferritisation subséquente est accélérée.