EP0277931A2 - Fonte à haute teneur en phosphore résistant à l'usure - Google Patents

Fonte à haute teneur en phosphore résistant à l'usure Download PDF

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EP0277931A2 EP88870003A EP88870003A EP0277931A2 EP 0277931 A2 EP0277931 A2 EP 0277931A2 EP 88870003 A EP88870003 A EP 88870003A EP 88870003 A EP88870003 A EP 88870003A EP 0277931 A2 EP0277931 A2 EP 0277931A2
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carbon
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C37/00—Cast-iron alloys

Definitions

  • the present invention relates to a cast iron with a high phosphorus content intended in particular for the manufacture of friction braking devices, offering good resistance to wear and composed of the following constituents: 85 to 95% by weight of iron 2 to 10% by weight of phosphorus less than 6% of the total weight of carbon and silicon less than 5% of the total weight of the following metals: manganese, cobalt, nickel, vanadium, tungsten and molybdenum, and having a Brinell hardness of less than 270 HB.
  • the cast iron according to the invention can be used in devices involving cast iron parts subjected to friction wear, in particular friction brake shoes intended to equip railway equipment.
  • Belgian patent No. 717,428 discloses iron / phosphorus alloys which, thanks to their resistance to wear, can be used in friction braking devices.
  • the addition of at least 2% by weight of phosphorus reduces friction wear compared to that of conventional gray cast iron as well as reducing the emission of sparks during braking.
  • This phosphorus is generally added to cast iron in the form of ferro-phosphorus.
  • the incorporation is carried out during a second melting in a cupola in which alternating charges of coke and of a mixture of iron and ferro-phosphorus are previously put in place.
  • the cast iron thus obtained has a Brinell hardness of between 207 and 255 HB, while the ferrite content of the alloy is not specified.
  • Phosphorus promotes the segregation of graphite and gives rise to the formation of a ternary eutectic, steadite, which has a Brinell hardness of approximately 440 HB. Its melting point is around 950 ° C. Steadite has a much higher hardness than that of ferrite or even perlite.
  • ferrite has a Brinell hardness of approximately 125 HB and perlite a Brinell hardness of approximately 220 HB.
  • the value of the maximum hardness of cast iron has been fixed to take account of the usual hardness of the wheel treads of rolling stock.
  • Document FR-A-2,145,607 describes alloys of cast iron with a characteristic microstructure comprising phosphorus present in the form of a substantially continuous network of a degenerate phosphorus eutectic between voluminous primary dendrite crystals.
  • the degenerate eutectic comprises a substantially continuous matrix of iron predominantly in the form of ferrite or perlite.
  • This process provides a relatively low hardness ferritic iron.
  • it is therefore necessary to carry out an annealing which is obtained by prolonged heating for 1 to 6 hours of the parts cast at a temperature between 850 and 1,500 ° C., preferably 910 to 920 °. vs.
  • the limitation of the ferrite content is linked to a phenomenon of micro-welding between the ferritic structure of the brake shoe and that of the wheel tread, this which has the effect of causing premature wear of said wheel tread.
  • the invention proposes a cast iron with a high phosphorus content intended in particular for the manufacture of devices friction brake, offering good resistance to wear, and composed of the following constituents: 85 to 95% by weight of iron 2 to 10% by weight of phosphorus less than 6% of the total weight of carbon and silicon less than 5% of the total weight of the following metals: manganese, cobalt, nickel, chromium, tungsten and molybdenum, and having a Brinell hardness of less than 270 HB.
  • the production of a pig iron corresponding to the preceding paragraph is carried out by adding ferro-phosphorus to the liquid pig iron collected in a ladle or a mixer and not in the melting installation.
  • the direct incorporation of ferro-phosphorus into the ladle also makes it possible to obtain better accuracy of analysis of the phosphorus content.
  • the cast irons according to the invention with a phosphorus content of between 2 and 10% by weight and a carbon content of at least 3% by weight, meet the hardness and ferrite content requirements.
  • the cast iron contains at least 2.3% by weight of carbon in the form of lamellar graphite.
  • Cast iron generally has the following typical composition: carbon: 3 to 4% by weight silicon: 1 to 3% by weight manganese: 0.4 to 1.0% by weight phosphorus: 0.1 to 1.0% by weight sulfur: 0.08 to 0.15% by weight.
  • cupola fusion is accompanied by the incorporation of ferro-phosphorus when it comes to obtaining a wear-resistant ferrous alloy.
  • the present invention suggests subjecting the cast iron to a different treatment.
  • Undissolved iron therefore does not participate in the dilution of carbon, so that the carbon content decreases to a lesser extent than what could have been theoretically predicted and that it remains greater than 3%.
  • ferro-phosphorus is adjusted so as to bring the phosphorus content to a value between 2.25 and 4.00% by weight.
  • the alloy has a composition typically corresponding to gray cast iron, except as regards the high phosphorus content, greater than 2% by weight and a ferrite content less than 5% by volume.
  • the cast iron according to the invention is perfectly suitable for the manufacture of brake shoes for railway equipment. It has excellent wear resistance, as described in Belgian Patent No. 717,428 and considerably reduces the formation of sparks. It also reduces noise emission, since the graphite slats help to dampen the propagation of vibrations in the brake shoes.
  • the cast iron according to the invention has good flowability, due to the presence of phosphorus. It therefore allows relatively complicated parts to be produced with precision.

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Abstract

On produit une fonte à haute teneur en phosphore destinée notamment à la fabrication de sabots de freins, offrant une bonne résistance à l'usure, en incorporant directement environ 10 % en poids de ferro-phosphore, à de la fonte liquide récoltée dans une poche de coulée ou dans un mélangeur associé à cette poche de coulée.

Description

  • La présente invention est relative à une fonte à haute teneur en phosphore destinée notamment à la fa­brication de dispositifs de freinage par friction, of­frant une bonne résistance à l'usure et composée des constituants suivants :
    85 à 95 % en poids de fer
    2 à 10 % en poids de phosphore
    moins de 6 % du poids total de carbone et silicium
    moins de 5 % du poids total des métaux sui­vants : manganèse, cobalt, nickel, vanadium, tungstène et molybdène,
    et présentant une dureté Brinell inférieure à 270 HB. La fonte conforme à l'invention est utilisable dans les dispositifs faisant intervenir des pièces en fonte coulée soumises à une usure par frottement, notamment des sabots de freins à friction destinés à équiper le matériel de chemins de fer.
  • On connaît par le brevet belge n° 717.428, des al­liages fer/phosphore qui, grâce à leur résistance à l'usure, sont utilisables dans des dispositifs de freinage par friction. L'ajout d'au moins 2 % en poids de phosphore permet de réduire l'usure par friction par rapport à celle de la fonte grise classique ainsi que de réduire l'émission d'étincelles lors du freina­ge.
  • Ce phosphore est généralement ajouté à la fonte sous forme de ferro-phosphore. L'incorporation est ef­fectuée au cours d'une seconde fusion dans un cubilot dans lequel des charges alternées de coke et d'un mé­lange de fer et de ferro-phosphore sont préalablement mises en place. Selon le brevet belge susdit, la fonte ainsi obtenue possède une dureté Brinell comprise en­tre 207 et 255 HB, alors que la teneur en ferrite de l'alliage n'est pas précisée.
  • Des mesures de la dureté effectuées par le déposant selon la norme DIN 50 35l démontrent cependant que la dureté Brinell des alliages fer/phosphore ayant la composition décrite dans le brevet belge n° 717.428 ont une dureté bien supérieure à celle mentionnée ci-­dessus, du moins si aucune précaution particulière n'est prise. Des valeurs de dureté Brinell comprises entre 250 et 350 HB ont été relevées lorsque la fonte est préparée de manière classique par affinage au cubilot. L'obtention dans les fontes au phosphore d'une dureté Brinell élevée s'explique aisément par l'influence que joue le phosphore sur la fonte de se­conde fusion, qui a généralement une teneur en carbone supérieure à 2 % en poids.
  • Le phosphore favorise la ségrégation du graphite et donne lieu à la formation d'un eutectique ternaire, la steadite, qui présente une dureté Brinell d'environ 440 HB. Son point de fusion se situe vers 950°C. La steadite a une dureté bien supérieure à celle de la ferrite ou même de la perlite.
  • Ainsi, la ferrite a une dureté Brinell d'environ 125 HB et la perlite une dureté Brinell d'environ 220 HB.
  • Il est aisé de comprendre qu'une diminution de du­reté Brinell ne peut être obtenue qu'à condition de favoriser la formation d'une structure ferritique.
  • Sachant que l'ajout à une fonte grise de seconde fusion contenant environ 2 % en poids de carbone, d'environ 3 % en poids de phosphore, entraîne la for­mation d'environ 30 % en poids de steadite, on peut donc affirmer que l'alliage ferreux qui en résulte, devrait contenir au moins 20 % en poids de ferrite pour présenter une dureté Brinell inférieure à 225 HB, telle que mentionnée dans le Brevet belge n° 717.428.
  • Or, la plupart des réseaux de chemins de fer des états européens établissent des cahiers de charge ex­trêmement sévères pour la réalisation de sabots de frein. Les exigences les plus marquantes consistent dans le fait que la dureté Brinell de la fonte ne peut pas dépasser 270 HB pour une teneur en ferrite infé­rieure à 8 % en volume.
  • Les exigences de dureté maximale et de teneur en ferrite inférieure à un niveau déterminé semblent in­compatibles et irréalisables simultanément.
  • Pour une fonte de seconde fusion, deux solutions seulement sont susceptibles d'être retenues à ce jour pour diminuer la dureté. Ces solutions sont les sui­vantes :
    • 1. Forçage de la teneur en carbone de la fonte de seconde fusion par ajout au cubilot de carbure de si­licium, de manière à atteindre des valeurs de 3 à 3,3 % en poids de carbone. Le silicium, en formant du siliciure de fer plus stable que la cémentite, provo­ que la ségrégation du carbone. Or, les lamelles de graphite se comportent pratiquement comme des zones de dureté nulle, qui permettent d'abaisser la dureté Brinell de la fonte traitée:
    • 2. Incorporation de manganèse à la fonte de seconde fusion, en vue de favoriser une structure perlitique.
  • La valeur de la dureté maximale de la fonte a été fixée pour tenir compte de la dureté usuelle des ban­dages des roues du matériel roulant.
  • Par le document FR-A-2.145.607 sont décrits des alliages de fonte à microstructure caractéristique comprenant du phosphore présent sous forme d'un réseau sensiblement continu d'un eutectique de phosphore dé­généré entre de volumineux cristaux de dendrites pri­maires. L'eutectique dégénéré comprend une matrice sensiblement continue de fer en prédominance sous for­me de ferrite ou de perlite. Ces alliages de fonte s'obtiennent en faisant fondre ensemble, des déchets de fer et de ferro-phosphore dans un four à induction et en effectuant ensuite un recuit dans un moule chauffé électriquement.
  • Ce procédé procure une fonte ferritique de dureté relativement faible. Pour rendre les pièces plus du­res, il est donc nécessaire d'effectuer un recuit que l'on obtient par un chauffage prolongé pendant 1 à 6 heures des pièces coulées à une température comprise entre 850 et 1.500°C, de préférence 910 à 920°C.
  • La limitation de la teneur en ferrite est liée à un phénomène de micro-soudure entre la structure ferriti­que du sabot de frein et celle du bandage de roue, ce qui a pour effet d'entraîner une usure prématurée dudit bandage de roue.
  • Enfin, il est connu par le document US-A-4,352,416 un sabot de frein réalisé à partir d'un alliage de fonte contenant du soufre. Cet alliage présente la composition suivante :
    carbone : 2,5 à 3,5 % en poids;
    silicium : 1,6 à 2,2 % en poids:
    phosphore : plus de 2 et au maximum 10 % en poids;
    sulfure et manganèse, tous deux présents dans un rapport pondéral S : (Mn/1,8) > 1.
  • La présence de soufre dans l'alliage de fonte est désavantageuse dans le sens qu'elle rend les pièces fragiles et poreuses. On observe en effet que le soufre en réagissant avec des traces de laitier, en­gendre des soufflures dans l'alliage. Le soufre est généralement éliminé par l'ajout de manganèse, dans des proportions bien précises connues de l'homme de l'art.
  • En vue de satisfaire aux exigences de dureté maxi­male et de teneur en ferrite supérieure à un niveau déterminé dictées par les cahiers de charge pour la fabrication des sabots de freins l'invention propose une fonte à haute teneur en phosphore destinée notam­ment à la fabrication de dispositifs de freinage par friction, offrant une bonne résistance à l'usure, et composée des constituants suivants :
    85 à 95 % en poids de fer
    2 à 10 % en poids de phosphore
    moins de 6 % du poids total de carbone et si­licium
    moins de 5 % du poids total des métaux sui­vants : manganèse, cobalt, nickel, chrome, tungstène et molybdène,
    et présentant une dureté Brinell inférieure à 270 HB.
  • Cette fonte est essentiellement caractérisée en ce qu'elle comporte une structure perlitique contenant au moins 3 % en poids de carbone, 2 % en poids de phos­phore et moins de 5 % en volume de ferrite, et une teneur en manganèse au moins égale à celle trouvée par la formule Mn = 1.72 S + 0.30 où S est la teneur en soufre.
  • Selon l'invention, la fabrication d'une fonte cor­respondant au paragraphe précédent, s'effectue par l'ajout de ferro-phosphore à la fonte liquide récoltée dans une poche de coulée ou un mélangeur et non pas dans l'installation de fusion. L'incorporation directe de ferro-phosphore dans la poche de coulée permet éga­lement d'obtenir une meilleure précision d'analyse de la teneur en phosphore.
    La formule expérimentale de Lévi :
    Figure imgb0001
     qui régit l'équilibre entre le carbone, le phosphore et le silicium de la fonte dans une installation de fusion, montre qu'une teneur croissante en phosphore abaisse d'autant la teneur en carbone, pour une même teneur en silicium.
  • Les fontes selon l'invention, à teneur en phosphore comprise entre 2 et 10 % en poids et à teneur en car­bone d'au moins 3 % en poids, respectent les exigences de dureté et de teneur en ferrite.
  • Elles présentent en outre l'avantage d'amortir les bruits lors du freinage. Cette propriété est due au fait que les lamelles de graphite, présentes en nombre plus élevé sous une taille plus grande, sont d'excel­lents amortisseurs de vibrations.
  • Selon une particularité de l'invention, la fonte contient au moins 2,3 % en poids de carbone sous for­me de graphite lamellaire.
  • D'autres particularités et détails de l'invention apparaîtront au cours de la description détaillée d'une forme de mise en oeuvre particulière du procédé selon l'invention.
  • La fonte a généralement une composition typique suivante :
    carbone : 3 à 4 % en poids
    silicium : 1 à 3 % en poids
    manganèse : 0,4 à 1,0 % en poids
    phosphore : 0.1 à 1,0 % en poids
    soufre : 0,08 à 0,15 % en poids.
  • Selon les procédés connus, la fusion au cubilot est accompagnée de l'incorporation de ferro-phosphore lorsqu'il s'agit d'obtenir un alliage ferreux résis­tant à l'usure. La présente invention suggère de sou­mettre la fonte à un traitement différent.
  • Elle suggère d'amener la fonte dans une poche de coulée ou dans un mélangeur en vue d'ajouter environ 10 % en poids de ferro-phosphore.
  • On a constaté que lors de l'ajout de ferro-phospho­re dans la poche, la totalité du phosphore provenant de la décomposition du ferro-phosphore se retrouvait dans la fonte liquide, tandis qu'une proportion impor­tante du fer présent dans le ferro-phosphore surna­geait dans la poche, sous forme de scories.
  • Le fer non dissous ne participe donc pas à la dilu­tion du carbone, de sorte que la teneur en carbone di minue dans une mesure moindre que ce qu'on aurait pu prévoir théoriquement et qu'elle reste supérieure à 3 %.
  • L'ajout de ferro-phosphore est réglé de manière à amener la teneur en phosphore à une valeur comprise entre 2,25 et 4,00 % en poids.
  • L'alliage a une composition correspondant typique­ment à une fonte grise, sauf en ce qui concerne la te­neur élevée en phosphore, supérieure à 2 % en poids et une teneur en ferrite inférieure à 5 % en volume.
  • La fonte suivant l'invention convient parfaitement à la fabrication de sabots de frein pour matériel de chemins de fer. Elle présente une excellente résistan­ce à l'usure, comme décrit dans le brevet belge n° 717.428 et réduit considérablement la formation d'é­tincelles. Elle permet également de réduire l'émission de bruit, puisque les lamelles de graphite contribuent à amortir la propagation des vibrations dans les sa­bots de freins.
  • La fonte selon l'invention présente une bonne cou­labilité, due à la présence de phosphore. Elle permet donc de réaliser avec précision des pièces relative­ment compliquées.

Claims (4)

1. Fonte à haute teneur en phosphore destinée notam­ment à la fabrication de dispositifs de freinage par friction, offrant une bonne résistance à l'usure, et composée des constituants suivants :
85 à 95 % en poids de fer
2 à 10 % en poids de phosphore
moins de 6 % du poids total de carbone et silicium
moins de 5 % du poids total des métaux suivants :
manganèse, cobalt, nickel, vanadium, chrome, tung­stène et molybdène,
et présentant une dureté Brinell inférieure à 270 HB, caractérisée en ce qu'elle comporte une structure per­litique contenant au moins 3 % en poids de carbone, 2 % en poids de phosphore, moins de 5 % en volume de ferrite et une teneur en manganèse au moins égale à celle trouvée par la formule Mn = 1.72 S .+0.30 où S est la teneur en soufre due aux sulfures liés par le manganèse.
2. Fonte selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle contient au moins 2,3 % en poids de carbone sous forme de graphite lamellaire.
3. Procédé pour produire une fonte telle que décrite dans la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu'on favorise la formation d'une structure perlitique en effectuant l'ajout de ferro-phosphore à la fonte li­quide récoltée dans une poche de coulée ou un mélan­geur.
4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la quantité de ferro-phosphore ajoutée s'éléve à environ 10 % en poids de la fonte liquide.
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