EP1566459A2 - Procédé de fabrication de pièces en fonte à graphite sphéroidal de grande précision géométrique et dimensionnelle et à caractéristiques mécaniques améliorées. - Google Patents
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- EP1566459A2 EP1566459A2 EP05290234A EP05290234A EP1566459A2 EP 1566459 A2 EP1566459 A2 EP 1566459A2 EP 05290234 A EP05290234 A EP 05290234A EP 05290234 A EP05290234 A EP 05290234A EP 1566459 A2 EP1566459 A2 EP 1566459A2
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Classifications
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Definitions
- the present invention relates to a method for the manufacture of Cast iron castings with spheroidal graphite and cast iron as obtained by the implementation of the method.
- Patent FR 2,839,727 discloses a specific process for manufacture of spheroidal graphite cast iron parts, which combines successively combining the techniques of molding, forging and heat treatment.
- the process described in this patent makes it possible to obtain Spheroidal graphite cast iron parts with very high characteristics Mechanical (Rm> 1000 Mpa, Rp 0.2 / Rm> 0.68 and A% between 4 and 14%), with dimensional and geometric accuracy close to that of conventional forging, therefore greater than that obtained by classic foundry techniques.
- the weak point in fatigue stress is located at the level of the burrs that are located at the joint plane generally located at the middle part of the room.
- This embodiment of the method according to the invention makes it possible to obtain a spheroidal graphite cast iron with a structure essentially bainitic, which gives the pieces of very high characteristics mechanical, but with a fatigue limit greater than that obtained with the process according to patent FR 2 839 727.
- Essentially bainitic means here a structure constituted at least 50% of bainite.
- said molded part is cooled calibrated at room temperature freely, controlled or by quenching, to give the piece the mechanical characteristics desired; this in replacement of bainitic stepped quenching.
- This embodiment of the invention makes it possible to obtain a graphite cast iron spheroidal with a structure made up of variable proportions of ferrite and / or perlite; The structure then being essentially ferritic or essentially pearlitic, or ferrito-pearlitic.
- essentially ferritic or essentially pearlitic one means here, and in all that follows, a structure constituted 50% or more of ferrite, or 50% or more of perlite.
- This intermediate operation is intended to rid the draft molded of all its casting appendages, but also if necessary to perfect its geometry or its volume, in view of the calibration operation following.
- This operation may include, in addition, an operation of cleaning of said blank of the workpiece, for example by brushing or another process, in order to rid it of oxides or residues from of the molding operation, before the calibration operation.
- the rate of plastic deformation during the calibration operation is deliberately limited to avoid excessive crushing of nodules of graphite which are oriented in the direction of the flow of the metal.
- the shape given to the molded blank of the piece is determined from the final shape of the piece to allow for a rate of deformation in all parts of the blank during the operation of calibration, between 1 and 20% maximum, and to orient the flow of the metal during this operation in a direction favorable to mechanical characteristics, and in particular to fatigue stresses of the piece in use.
- this cooling is carried out in the open, at blown air, or in a confined atmosphere or environment as the case may be.
- Controlled cooling here refers to a cooling carried out with a speed imposed and controlled for allow to obtain a previously defined and desired structure on the room.
- a heat treatment of income after the cooling operation of the molded part calibrated intended to adjust the structure and / or the characteristics mechanical components of said calibrated molded part.
- the invention also relates to a spheroidal graphite cast iron developed and shaped according to the process of the invention, the structure of which is either essentially bainitic or essentially pearlitic or essentially ferritic, consisting of ferrite and pearlite in variable proportions.
- the cast has undergone a plastic deformation rate limited and contained during the calibration operation, thus limiting the crushing graphite nodules.
- the rate of deformation in all parts of the blank during the operation of calibration is between 1 and 20% maximum, thus allowing to guide the flow of the metal during the calibration operation in a favorable to the mechanical characteristics and in particular to the fatigue loads of the part in service, thus favoring the limitation of deformation of spheroidal graphite nodules.
- the invention also relates to a casting made of cast iron spheroidal graphite cast iron elaborated and shaped according to one any of the embodiments of the method according to the invention.
- the present invention is particularly suitable, without this restrictive, to the manufacture of mechanical parts of automobile engines, as the connecting rod for example, or other moving parts of the engine.
- the invention is particularly well adapted without this being restrictive, to parts that must have a high fatigue limit, with a weight saving compared to steel.
- Another important advantage of the invention is to enable the production of spheroidal graphite cast iron parts with shapes impossible to obtain on steel parts by conventional stamping, as for example hollow forms on the piece located perpendicularly to the joint plane so undercut from to the direction of typing or pressing. Easily obtained by casting in a mold, these shapes already present on the molded blank of the piece only require low plastic deformation rates to be put into the final forms of the piece; these low rates of plastic deformation being compatible with a calibration operation at hot in containers or closed dies with inserts or tools placed in the matrices, as is the case in the various embodiments of the invention.
- the connecting rod of motor where the soul, which is the central part of the connecting rod that connects the head and the foot, has a profile in the form of "H" whose hollows are placed in the direction of the joint plane that is to say in the direction suitable for stamping.
- this profile should be placed perpendicular to the current profile on the part but can not be realized as well as with standard steel stamping techniques.
- the method according to the invention makes it possible to produce the engine connecting rod with the profile of the soul perpendicular to the existing profile, that is to say with the hollow forms of the section of the soul placed perpendicularly by compared to the joint plane, allowing the piece a better hold when mechanical stresses in service.
- the shape to give to the molded rod blank to ensure a deformation rate of said molded rod blank during the calibration operation, between 1 and 20% maximum in all parts of it, and this with a volume of the rod blank substantially identical to that of the connecting rod Calibrated molded mold desired to obtain the molded connecting rod calibrated without lateral burr.
- a roughing volume equal to the volume of the calibrated molded part + 2%.
- Calibration tooling included two closed dies as well that a sliding element in one of the dies for the realization of the bore of the big end; an excess metal housing had been provided at different locations on the perimeter of this bore, where a subsequent machining operation, as well as in a cavity of the foot of connecting rod where there is also a subsequent machining operation.
- the final composition cast 3.7% of VS ; 2.62% Si; 0.19% Mn; 0.3% Ni; 0.4% Cu; 0.15% of Mo, with a residual magnesium content that remained within the range 0.028% - 0.042%, was developed in the electric oven at induction, treated with ferro-silico-magnesium, and then poured between 1380 ° C and 1450 ° C in a metal mold controlled at 270 ° C and coated a protective poteyage.
- the metal mold has four rod draft impressions, so that four rod-shaped rods made of spheroidal graphite cast iron are molded at each cycle of the mold.
- the molded rod blanks have been extracted from the mold at a temperature that has always remained during testing, between 980 ° C and 950 ° C.
- each casting group consisting of four rod blanks was placed in a tool of cutting mounted on a press for separation of the weights and the casting system.
- Each rod draft was then placed immediately into an oven under a controlled nitrogen atmosphere at a temperature of 950 ° C, to ensure temperature homogeneity throughout the entire section of the rod blank before calibration.
- the holding time of each blank in the oven is always remained between 15 and 35 minutes.
- the parts compared here obtained by the process according to the invention and those made simply by molding in a metal mold, have the same metallographic structure, ie predominantly pearlitic or ferritic dominant, since they have undergone the same speed controlled cooling.
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Abstract
L'invention concerne un procédé de fabrication de pièces coulées en
fonte à graphite sphéroïdale de grande précision géométrique et
dimensionnelle et à caractéristiques mécaniques améliorées, à partir de:
Fonte à graphite sphéroïdal élaborée et mise en forme selon
l'invention dont la structure est, soit essentiellement bainitique, soit
essentiellement perlitique, soit essentiellement ferritique, soit constituée
de ferrite et de perlite en proportions variables.
Description
La présente invention concerne un procédé pour la fabrication de
pièces coulées en fonte à graphite sphéroïdal et la fonte telle qu'obtenue
par la mise en oeuvre du procédé.
Par grande précision géométrique et dimensionnelle et à
caractéristiques mécaniques améliorées, il faut entendre ici des pièces en
fonte à graphite sphéroïdal dont l'état de surface, la précision géométrique
et dimensionnelle, ainsi que les caractéristiques mécaniques, sont
supérieures à celles habituellement rencontrées avec les procédés
classiques de fonderie.
On connaít par le brevet FR 2 839 727 un procédé spécifique de
fabrication de pièces en fonte à graphite sphéroïdal, qui combine en les
associant successivement les techniques de moulage, de forgeage et de
traitement thermique. Le procédé décrit dans ce brevet permet d'obtenir
des pièces en fonte à graphite sphéroïdal à très hautes caractéristiques
mécaniques (Rm>1 000 Mpa ; Rp 0,2/ Rm > 0,68 et A% compris entre 4
et 14 %), avec une précision dimensionnelle et géométrique voisine de
celle du forgeage classique, donc supérieure à celle obtenue par les
techniques classiques de fonderie.
Cependant, selon ce procédé breveté, toutes les étapes de
fabrication sont réalisées dans la chaude de coulée ; cela nécessite des
opérations intermédiaires de maintien en température entre certaines
phases de fabrication, car toutes les étapes n'ont pas la même durée.
C'est particulièrement le cas des opérations de moulage et de forgeage,
mais aussi de forgeage et de traitement thermique de trempe étagée
bainitique. La mise en oeuvre du procédé nécessite donc une chaíne de
production spécifique et coûteuse, c'est à dire que le procédé est bien
adapté à la grande série, type automobile par exemple, mais mal adapté à
la moyenne et petite série.
D'autre part, de nombreuses pièces mécaniques ne nécessitent pas
de caractéristiques mécaniques aussi élevées que celles obtenues par le
brevet FR 2 839 727 avec des structures de type bainitique ou austeno-ferritique,
par ailleurs difficiles à usiner.
On a constaté également dans l'application du procédé à certains
types de pièces nécessitant de forts taux de déformation plastique pour
l'opération d'estampage, des endommagements subis par les pièces lors
de l'opération d'ébavurage, à cause des déformations parfois importantes
des nodules de graphite et de leur alignement dans certaines zones de
pièces proches du cordon de bavure et dans le cordon de bavure lui
même, qui favorisent une déchirure du métal dans ces endroits au
moment du passage de l'outil de découpe.
De plus, pour certaines géométries de pièces, le point faible en
sollicitation de fatigue se situe au niveau des bavures qui sont localisées
au plan de joint généralement situé au niveau de la partie médiane de la
pièce.
Dans l'application du procédé selon le brevet FR 2 839 727, il s'avère
difficile de contrôler les bavures qui sont inhérentes à l'estampage en
matrices ouvertes et par là même de contrôler le taux de déformation de
la fonte dans ces endroits, et donc le taux de déformation des nodules de
graphite.
Par ailleurs, les constructeurs souhaitent de plus en plus réduire les
coûts d'achat des pièces brutes et demandent des pièces brutes de plus
en plus précises, nécessitant le moins d'opérations d'usinage possible.
Dans ces conditions, pour être encore plus compétitif
économiquement par rapport au procédé classique de forgeage de pièces
en acier, notamment pour la fabrication de pièces en grandes séries type
automobile, mais aussi pour la fabrication de pièces en séries plus faibles,
le procédé breveté doit être amélioré.
Le but de la présente invention est de répondre à cet objectif et de
remédier à ces inconvénients en proposant un procédé de fabrication de
pièces en fonte à graphite sphéroïdal ayant les caractéristiques suivantes :
- mise au mille améliorée par rapport au procédé classique de forgeage et par rapport au précédent brevet FR 2 839 727 ;
- limite de fatigue améliorée par rapport à celle obtenue par le procédé selon le brevet FR 2 839 727 ;
- caractéristiques mécaniques supérieures à celles obtenues par un procédé classique de fonderie ;
- précision dimensionnelle et géométrique supérieure à celle obtenue par les procédés classiques de fonderie et de forgeage, et à celle obtenue avec le procédé objet du brevet FR 2 839 727 ;
A cet effet, l'invention concerne un procédé de fabrication de pièces
en fonte à graphite sphéroïdal de grande précision dimensionnelle et
géométrique, et à caractéristiques mécaniques améliorées, comprenant les
étapes suivantes :
Ce mode de réalisation du procédé selon l'invention permet d'obtenir
une fonte à graphite sphéroïdal avec une structure essentiellement
bainitique, ce qui confère aux pièces de trés hautes caractéristiques
mécaniques, mais avec une limite de fatigue supérieure à celle obtenue
avec le procédé selon le brevet FR 2 839 727.
Par essentiellement bainitique, on entend ici une structure constituée
de 50% au moins de bainite.
Dans un autre mode de réalisation du procédé selon l'invention après
l'opération de calibrage par déformation plastique à chaud pour obtenir la
pièce moulée calibrée sans bavure latérale, on refroidit ladite pièce moulée
calibrée à la température ambiante de façon libre, commandée ou par
trempe, pour conférer à la pièce les caractéristiques mécaniques
souhaitées ; ceci en remplacement de la trempe étagée bainitique. Ce
mode de réalisation de l'invention permet d'obtenir une fonte à graphite
sphéroïdal avec une structure constituée en proportions variables de
ferrite et/ou de perlite ; La structure étant alors essentiellement ferritique
ou essentiellement perlitique, ou ferrito-perlitique.
Par essentiellement ferritique ou essentiellement perlitique on
désigne ici, et dans tout ce qui suit, une structure constituée
respectivement de 50% au moins de ferrite, ou de 50% au moins de
perlite.
Les caractéristiques mécaniques ainsi obtenues sur les pièces, dont
notamment la limite de fatigue, bien qu'inférieures à celles résultant de
l'application du procédé, selon le brevet FR 2 839 727, sont améliorées par
rapport à celles rencontrées sur les pièces en fonte à graphite sphéroïdal
simplement moulées, grâce à l'effet de compactage et d'écrouissage
obtenu par l'opération de calibrage.
Dans ces 2 premiers modes de réalisation du procédé selon
l'invention, entre la sortie de l'ébauche du moule (c) et l'opération de
déformation plastique à chaud (d), ou entre la sortie de l'ébauche du
moule (c) et l'opération complémentaire de maintien de l'ébauche à la
température Tm, on ajoute une opération intermédiaire de séparation des
appendices de coulée (masselottes, chenaux de coulée ...) de l'ébauche de
la pièce par découpe ou autre procédé, pour obtenir l'ébauche de la pièce
seule avec un volume sensiblement identique à celui de la pièce moulée
calibrée à obtenir.
Cette opération intermédiaire est destinée à débarrasser l'ébauche
moulée de tous ses appendices de coulée, mais aussi si nécessaire à
parfaire sa géométrie ou son volume, en vue de l'opération de calibrage
qui suit. Cette opération peut comporter, en outre, une opération de
nettoyage de ladite ébauche de la pièce, par exemple par brossage ou
autre procédé, afin de la débarrasser des oxydes ou des résidus provenant
de l'opération de moulage, avant l'opération de calibrage.
Dans un autre mode de réalisation du procédé selon l'invention,
après l'opération de coulée de l'ébauche de la pièce et avant l'opération de
calibrage de celle-ci en conteneurs ou en matrices fermées par
déformation plastique à chaud, on extrait ladite ébauche de la pièce du
moule après refroidissement en dessous de AR3, et on la parachève à la
température ambiante, on réchauffe et on maintient ladite ébauche de la
pièce à une température comprise entre AC3 et 1 050°C pendant une
durée comprise entre 10 et 90 minutes pour permettre une bonne
homogénéité de température et de composition chimique à l'intérieur de
ladite ébauche.
Le parachèvement de l'ébauche moulée de la pièce, qui comprend le
démasselottage, le meulage, les éventuelles opérations d'ébarbage et le
grenaillage, est facilité, dans ce mode de réalisation du procédé selon
l'invention, car il s'effectue à la température ambiante ; le procédé est
ainsi simplifié dans sa mise en oeuvre, car les opérations de moulage et de
calibrage sont dissociées.
Dans ce mode de réalisation du procédé selon l'invention, on peut en
outre inclure dans l'opération de parachèvement, une opération de
meulage et/ou de découpe destinée à permettre d'obtenir le volume de
ladite ébauche de la pièce sensiblement identique à celui de la pièce et/ou
destinée à parfaire la géométrie de ladite ébauche de la pièce.
Dans les différents modes de réalisation du procédé selon l'invention,
le taux de déformation plastique lors de l'opération de calibrage, est
volontairement limité pour éviter des écrasements trop importants des
nodules de graphite qui s'orientent dans le sens de l'écoulement du métal.
La suppression de la bavure latérale, par l'utilisation d'une ébauche
de volume sensiblement identique à la pièce à obtenir et par l'utilisation
de matrices fermées, élimine par là même les zones de faiblesse en
sollicitation de fatigue dues à la grande déformation des nodules dans ces
endroits.
Par ailleurs, l'opération de découpe de la bavure latérale n'est plus
nécessaire et les risques de déchirure du métal dans ces zones supprimés.
Dans les différents modes de réalisation du procédé selon
l'invention, la forme donnée à l'ébauche moulée de la pièce est
déterminée à partir de la forme finale de la pièce pour permettre un taux
de déformation dans toutes les parties de l'ébauche lors de l'opération de
calibrage, compris entre 1 et 20% maximum, et pour orienter
l'écoulement du métal lors de cette opération dans un sens favorable aux
caractéristiques mécaniques, et en particulier aux sollicitations en fatigue
de la pièce en service.
Selon d'autres caractéristiques de l'invention dans ces différents
modes de réalisation du procédé :
- l'opération de calibrage en conteneurs ou en matrices fermés est réalisée par pressage ou frappe de l'ébauche entre au moins deux outils, ou à l'aide d'éléments et/ou de poinçons mobiles coulissant à l'intérieur des matrices ou des outils, pour permettre notamment une déformation plastique multiaxiale sur l'ébauche ;
- le volume de l'ébauche moulée de la pièce est égal à celui de la pièce moulée calibrée avec une tolérance maximale comprise dans la fourchette 0 à + 6% ;
- le volume de matière en excès sur l'ébauche de la pièce, qui correspond à la tolérance autorisée sur le volume de l'ébauche de la pièce, est orienté lors de l'opération de calibrage dans un logement de métal en excès placé, soit dans un ou plusieurs trous borgnes ou débouchants de la pièce destinés à être usinés, soit dans une ou plusieurs cavités prévues à cet effet sur la pièce dans des zones qui n'affectent pas la précision géométrique de la pièce moulée calibrée ;
- le moule utilisé pour la coulée de l'ébauche de la pièce est de préférence un moule permanent constitué d'au moins deux demi parties métalliques revêtues d'un poteyage, mais peut aussi être un moule non permanent en sable ou autre.
Dans les modes de réalisation du procédé selon l'invention qui
comportent un refroidissement de la pièce moulée calibrée de façon libre,
commandée ou par trempe, ce refroidissement est réalisé à l'air libre, à
l'air soufflé, ou en atmosphère ou milieu confiné selon le cas.
Le refroidissement de façon commandée désigne ici un
refroidissement réalisé avec une vitesse imposée et contrôlée pour
permettre d'obtenir une structure définie préalablement et souhaitée sur la
pièce. Dans les cas où la structure définie et souhaitée n'est pas obtenue
directement à la suite du refroidissement effectué de façon libre,
commandée ou par trempe, on inclut en outre un traitement thermique de
revenu situé après l'opération de refroidissement de la pièce moulée
calibrée, destiné à ajuster la structure et/ou les caractéristiques
mécaniques de ladite pièce moulée calibrée.
L'invention concerne également une fonte à graphite sphéroïdal
élaborée et mise en forme selon le procédé de l'invention dont la structure
est, soit essentiellement bainitique, soit essentiellement perlitique, soit
essentiellement ferritique, soit constituée de ferrite et de perlite en
proportions variables.
De préférence, la fonte a subi un taux de déformation plastique
limité et contenu lors de l'opération de calibrage, en limitant ainsi les
écrasements des nodules de graphite. Avantageusement, le taux de
déformation dans toutes les parties de l'ébauche lors de l'opération de
calibrage est compris entre 1 et 20 % au maximum, en permettant ainsi
d'orienter l'écoulement du métal lors de l'opération de calibrage dans un
sens favorable aux caractéristiques mécaniques et en particulier aux
sollicitations en fatigue de la pièce en service, en favorisant ainsi la
limitation de la déformation des nodules de graphite sphéroïdal.
L'invention concerne également une pièce en fonte constituée d'une
fonte à graphite sphéroïdal élaborée et mise en forme selon l'un
quelconque des modes de réalisation du procédé selon l'invention.
La présente invention est particulièrement adaptée, sans que cela
soit restrictif, à la fabrication de pièces mécaniques de moteur automobile,
comme la bielle par exemple, ou autres pièces en mouvement du moteur.
Plus légères et à caractéristiques mécaniques voisines, voire
supérieures à l'acier forgé, les pièces en fonte à graphite sphéroïdal
moulées et calibrées par déformation plastique à chaud présentent un état
de surface, une précision dimensionnelle et géométrique meilleurs que
ceux obtenus avec les procédés classiques de forgeage ou de moulage en
grande série.
L'invention est particulièrement bien adaptée, sans que cela soit
restrictif, aux pièces qui doivent présenter une limite de fatigue élevée,
avec un gain de masse par rapport à l'acier.
Un autre avantage important de l'invention est de permettre la
réalisation de pièces en fonte à graphite sphéroídal avec des formes
impossibles à obtenir sur des pièces en acier par estampage classique,
comme par exemple des formes en creux sur la pièce situées
perpendiculairement au plan de joint donc en contre-dépouille par rapport
à la direction de frappe ou de pressage. Obtenues facilement par coulée
dans un moule, ces formes déjà présentes sur l'ébauche moulée de la
pièce ne nécessitent plus que de faibles taux de déformation plastiques
pour être mises aux formes finales de la pièce ; ces faibles taux de
déformation plastique étant compatibles avec une opération de calibrage à
chaud en conteneurs ou matrices fermées avec inserts ou outils placés
dans les matrices, comme c'est le cas dans les divers modes de réalisation
de l'invention.
Comme exemple non limitatif, on peut citer le cas de la bielle de
moteur où l'âme, qui est la partie centrale de la bielle qui relie la tête et le
pied, possède un profil en forme de « H » dont les creux sont placés dans
le sens du plan de joint c'est-à-dire dans le sens adapté à l'estampage.
Pour une meilleure tenue de la pièce en service ce profil devrait être placé
perpendiculairement au profil actuel sur la pièce, mais ne peut être réalisé
ainsi avec les techniques classiques d'estampage sur pièce en acier. Le
procédé selon l'invention permet de réaliser la bielle de moteur avec le
profil de l'âme perpendiculaire au profil existant, c'est-à-dire avec les
formes en creux de la section de l'âme placées perpendiculairement par
rapport au plan de joint, permettant à la pièce une meilleure tenue lors
des sollicitations mécaniques en service.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention
apparaítront à la lecture de la description qui suit , d'un de ses modes de
réalisation donné à titre d'exemple non limitatif.
On a fait des essais sur une bielle automobile d'une masse de
770 grammes, habituellement réalisée en acier forgé et fabriquée selon
l'invention. Cette pièce, dont la plus grande dimension est de 180 mm,
possède une épaisseur dans sa partie la plus forte de 25 mm.
Conformément à l'invention, à partir de la forme finale de la bielle
moulée calibrée souhaitée, nous avons déterminé la forme à donner à
l'ébauche de bielle moulée pour assurer un taux de déformation de ladite
ébauche de bielle moulée lors de l'opération de calibrage, compris entre 1
et 20% maximum dans toutes les parties de celle-ci, et ceci avec un
volume de l'ébauche de bielle sensiblement identique à celui de la bielle
moulée calibrée souhaitée pour permettre d'obtenir la bielle moulée
calibrée sans bavure latérale. Pour les calculs de déformation, nous avons
choisi un volume d'ébauche égal au volume de la pièce moulée calibrée +
2%.
Par des études de déformation plastique sur logiciel de simulation
numérique de forgeage, nous avons déterminé la forme géométrique et
A partir de cette forme de l'ébauche de bielle, nous avons dimensionné les
formes de l'outillage de calibrage en matrices fermées, ainsi que celles de
l'outillage de moulage constitué de deux demi-coquilles métalliques, en
tenant compte des retraits de refroidissement de l'ébauche de bielle et de
la bielle moulée calibrée et des dilatations des outillages de moulage et de
calibrage.
L'outillage de calibrage comprenait deux matrices fermées ainsi
qu'un élément coulissant dans une des matrices pour la réalisation de
l'alésage de la tête de bielle ; un logement de métal en excès avait été
prévu à différents endroits sur le périmètre de cet alésage, là où subsiste
une opération d'usinage ultérieure, ainsi que dans une cavité du pied de
bielle où subsiste également une opération d'usinage ultérieure.
Conformément à l'invention, la fonte de composition finale : 3,7% de
C ; 2,62% de Si ; 0,19% de Mn ; 0,3% de Ni ; 0,4% de Cu ; 0,15% de
Mo, avec une teneur en magnésium résiduel qui est restée comprise dans
la fourchette 0,028 %- 0,042 %, a été élaborée au four électrique à
induction, traitée au ferro-silico-magnésium, et ensuite coulée entre
1 380°C et 1 450°C dans un moule métallique régulé à 270°C et revêtu
d'un poteyage protecteur.
Le moule métallique présente quatre empreintes d'ébauche de bielle,
de sorte que quatre ébauches de bielle en fonte à graphite sphéroïdal sont
moulées à chaque cycle du moule.
Conformément à l'invention, les ébauches de bielle moulées ont été
extraites du moule à une température qui est toujours restée comprise
lors des essais, entre 980°C et 950°C.
Immédiatement après leur sortie du moule, chaque grappe de coulée
constituée de quatre ébauches de bielle était placée dans un outil de
découpe monté sur une presse pour séparation des masselottes et du
système de coulée.
Chaque ébauche de bielle était ensuite placée immédiatement dans
un four sous atmosphère d'azote régulé à la température de 950°C, de
façon à assurer une homogénéité de température dans toute la section de
l'ébauche de bielle avant son calibrage.
La durée de maintien de chaque ébauche dans le four est toujours
restée comprise entre 15 et 35 minutes.
Chaque ébauche était ensuite calibrée à la presse par déformation
plastique à la température de 930°C dans l'outillage de calibrage
préalablement réalisé.
Après l'opération de calibrage, trois types de refroidissement ont été
pratiqués sur trois lots différents de bielles moulées calibrées :
- sur un premier lot de bielles, chaque bielle moulée calibrée du lot a été laissée se refroidir à l'air libre ;
- sur un deuxième lot de bielles, chaque bielle moulée calibrée du lot, dés sa sortie de l'opération de calibrage, a été aussitôt placée dans un four tunnel à passage où une vitesse de refroidissement commandée de 20°C par minute lui était imposée entre 900°C et 500°C, puis ensuite laissée se refroidir à l'air libre ;
- enfin, sur un troisième lot de bielles, chaque bielle moulée calibrée du lot, dés sa sortie de l'opération de calibrage, a été aussitôt placée dans un bain à lit fluidisé de sable de zircon régulé à la température de 360°C, et de volume suffisamment grand pour garantir une variation de température du lit fluidisé inférieure à 5°C, lors de chaque immersion de pièce . Chaque bielle subissait ainsi une trempe étagée bainitique à la température de 360°C, et était maintenue à cette température dans le lit fluidisé pendant une durée de 110 minutes, à l'issue de laquelle chaque bielle était retirée du bain à lit fluidisé et laissée refroidir à l'air jusque la température ambiante conformément à l'invention.
Différentes mesures ont été réalisées sur les bielles ainsi fabriquées
selon l'invention afin de déterminer leur mise au mille, leur précision
géométrique et dimensionnelle et leurs caractéristiques mécaniques. Ainsi,
pour caractériser la précision dimensionnelle et géométrique des mesures
dimensionnelles, de rugosité et de dispersion de poids ont été pratiquées ;
pour les caractéristiques mécaniques, les mesures suivantes ont été
réalisées : resistance mécanique (Rm : limite de rupture de la pièce
sollicitée en traction), limite d'élasticité (Rp0.2), capacité d'allongement
(A%) ainsi que limite de fatigue en traction-compression à 3 millions de
cycles (LF).
Au niveau de la mise au mille, qui est le rapport entre la quantité
globale de métal mise en oeuvre et la quantité de métal représentée par
les pièces produites (1 000 Kg), les mesures obtenues sont reportées dans
le tableau 1 suivant, comparativement aux valeurs obtenues avec les
autres procédés pour fabriquer la même bielle.
| Procédé selon l'invention | Procédé selon FR 2 839 727 | Procédé classique de forgeage | |
| Matériau mis en oeuvre | Fonte GS | Fonte GS | Acier |
| Quantité de métal mise en oeuvre en Kg | 1520 | 1800 | 1650 |
| Quantité de métal de pièces produits en Kg | 1000 | 1000 | 1000 |
| Mise au mille | 1,52 | 1,8 | 1,65 |
Elles montrent que le procédé selon l'invention permet de réduire la
quantité de métal mis en oeuvre pour produire les pièces ; il améliore ainsi
la mise au mille par rapport au précédent brevet FR 2 839 727, et par
rapport au procédé classique de forgeage sur pièces en acier.
De même, au niveau de la précision géométrique et dimensionnelle, les mesures réalisées sur les bielles fabriquées selon l'invention sont comparées dans le tableau 2 suivant aux valeurs rencontrées par l'utilisation des autres procédés pour fabriquer les mêmes pièces.
De même, au niveau de la précision géométrique et dimensionnelle, les mesures réalisées sur les bielles fabriquées selon l'invention sont comparées dans le tableau 2 suivant aux valeurs rencontrées par l'utilisation des autres procédés pour fabriquer les mêmes pièces.
| Procédé utilisé | Selon l'invention | Selon brevet FR 2 839 727 | Forgeage classique | Fonderie moule métallique |
| Matériau mis en oeuvre | Fonte GS | Fonte GS | Acier | Fonte GS |
| Poids moyen de la pièce en gr | 770 | 770 | 835 | 770 |
| Précision sur le poids de la pièce | +/- 1,5 % | +/- 2 % | +/- 2 % | +/- 3 % |
| Précision dimensionnelle sur la plus grande dimension de pièce (180m/m) en m/m | +/-0,15 | +/-0,3 | +/-0,4 | +/-0,3 |
| Précision dimensionnelle sur l'épaisseur de la pièce (25 m/m) en m/m | +/-0,1 | +/-0,2 | +/-0,25 | +/-0,3 |
| Rugosité Ra en µm | 5 à 6 | 6 à 7 | 7 à 8 | 7 à 9 |
| Angle de dépouille en degrés | 0,5° à 2° | 3° | 3° | 2° |
Ce tableau montre qu'on obtient effectivement une précision
géométrique et dimensionnelle supérieure à celle obtenue avec les
procédés classiques de fonderie et de forgeage et supérieure à celle
obtenue avec le procédé objet du précédent brevet FR 2 839 727.
D'autre part, les valeurs des mesures de caractéristiques mécaniques
obtenues sur les bielles moulées calibrées à structure essentiellement
bainitique, obtenues par trempe étagée à 360°C pendant 110 minutes,
sont reportées dans le tableau 3 suivant, comparativement aux valeurs
obtenues sur les mêmes bielles par l'utilisation des autres procédés.
| Procédé utilisé | Selon l'invention | Selon brevet FR 2 839 727 | Forgeage classique | Fonderie moule métallique |
| Matériau mis en oeuvre | Fonte GS | Fonte GS | Acier | Fonte GS |
| Rm (moyenne) en Mpa | 1070 | 1020 | 915 | 980 |
| Rp0,2 (moyenne) en Mpa | 735 | 700 | 570 | 665 |
| A% (moyenne) | 6,8 | 5,6 | 10,4 | 6,8 |
| LF (moyenne) en Mpa | 380 | 345 | 315 | 345 |
Ces résultats montrent que les caractéristiques mécaniques sont
améliorées par rapport aux procédés classiques de fonderie et de
forgeage, et par rapport au procédé selon le brevet FR 2 839 727. En
particulier la limite de fatigue, déterminée ici en traction - compression à 3
millions de cycles, est sensiblement améliorée par rapport au précédent
brevet FR 2 839 727.
Les mesures réalisées sur les lots de bielles à structure
essentiellement perlitique ou essentiellement ferritique sont reportées
dans le tableau 4 suivant comparativement aux valeurs obtenues sur les
bielles réalisées avec la même fonte à graphite sphéroïdal, refroidies dans
les mêmes conditions, mais simplement moulées en moule métallique,
c'est à dire sans calibrage par déformation plastique à chaud.
| Qualité de fonte | Fonte GS perlitique Pièces de même structure | Fonte GS ferritique Pièces de même structure | ||
| Procédé utilisé | Selon l'invention | Fonderie moule métallique | Selon l'invention | Fonderie moule métallique |
| Dureté HB (moyenne) | 280 | 260 | 200 | 185 |
| Rm (moyenne) en Mpa | 820 | 775 | 505 | 475 |
| Rp0,2 (moyenne) en Mpa | 515 | 470 | 350 | 310 |
| A% (moyenne) | 4 | 3,8 | 10 | 9,2 |
| LF (moyenne) en Mpa | 320 | 295 | 310 | 290 |
Les pièces comparées ici, obtenues par le procédé selon l'invention
et celles réalisées simplement par moulage en moule métallique,
possèdent la même structure métallographique, soit à dominante
perlitique ou à dominante ferritique, puisqu'elles ont subi la même vitesse
de refroidissement commandée.
Ce tableau montre qu'on obtient effectivement avec le procédé selon
l'invention des caractéristiques mécaniques supérieures à celles obtenues
par un procédé classique de fonderie, et ceci pour la même structure
métallographique, c'est à dire pour le même taux de perlite et/ou de
ferrite de la fonte.
Claims (16)
- Procédé de fabrication de pièces en fonte à graphite sphéroïdal à caractéristiques mécaniques améliorées et de grande précision géométrique et dimensionnelle comprenant les étapes suivantes :caractérisé en ce que l'ébauche de la pièce obtenue par moulage possède un volume sensiblement identique à celui de la pièce et que l'opération de mise en forme par déformation plastique à chaud est une opération de calibrage en conteneurs ou en matrices fermées permettant d'obtenir la pièce moulée calibrée sans bavure latérale.a) on prépare un mélange à l'état liquide ayant la composition pondérale suivante : 3 à 4 % de C ; 1,7 à 3 % de Si ; 0,1 à 0,7% de Mn ; 0 à 4% de Ni ; 0 à 1,5% de Cu ; 0 à 0,5% de Mo , avec une teneur en Mg résiduel adaptée à l'épaisseur des pièces comprise entre 0,025% et 0,080%, le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration ; les impuretés sont notamment le S dont la teneur est inférieure à 0,015% et le P dont la teneur est inférieure à 0,10% ;b) on coule ce mélange à l'état liquide à une température comprise entre 1350°C et 1 550°C dans un moule permettant d'obtenir une forme approchée de la pièce appelée ébauche de la pièce ;c) on extrait ladite ébauche de la pièce du moule à une température Ts comprise entre le solidus et AR3, le solidus et AR3 représentant les températures limites du domaine austénitique de ladite composition ;d) on met en forme l'ébauche de la pièce à la température Tf comprise entre 1050°C et AR3 par déformation plastique à chaud, directement dans la chaude de coulée ou après un maintien à la température Tm = Tf + 20° à 50°C pendant une durée comprise entre 10 et 60 mn, pour obtenir la pièce dans sa forme et ses dimensions finales ;e) on trempe ladite pièce directement dans la chaude de formage à une température Tb comprise entre 260°C et 420°C située dans le domaine bainitique et on maintient celle-ci à la dite température Tb pendant une durée tb comprise entre 60 mn et 180 mn ; etf) on refroidit ladite pièce à la température ambiante ;
- Procédé de fabrication de pièces en fonte à graphite sphéroïdal à caractéristiques mécaniques améliorées et de grande précision géométrique et dimensionnelle qui se caractérise en ce qu'il comprend les étapes suivantes :a) on prépare un mélange à l'état liquide ayant la composition pondérale suivante : 3 à 4 % de C ; 1,7 à 3 % de Si ; 0,1 à 0,7% de Mn ; 0 à 4% de Ni ; 0 à 1,5% de Cu ; 0 à 0,5% de Mo , avec une teneur en Mg résiduel adaptée à l'épaisseur des pièces comprise entre 0,025% et 0,080%, le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration ; les impuretés sont notamment le S dont la teneur est inférieure à 0,015% et le P dont la teneur est inférieure à 0,10% ;b) on coule ce mélange à l'état liquide à une température comprise entre 1350°C et 1550°C dans un moule permettant d'obtenir une forme approchée de la pièce appelée ébauche de la pièce ayant un volume sensiblement identique à celui de la pièce ;c) on extrait ladite ébauche de la pièce du moule à une température Ts comprise entre le solidus et AR3, le solidus et AR3 représentant les températures limites du domaine austénitique de ladite composition ;d) on calibre en conteneurs ou en matrices fermées ladite ébauche de la pièce à la température Tf comprise entre 1 050°C et AR3 par déformation plastique à chaud, directement dans la chaude de coulée ou après un maintien à la température Tm = Tf + 20°C à 50°C pendant une durée comprise entre 10 et 60 mn, pour obtenir la pièce moulée calibrée sans bavure latérale ;e) on refroidit ladite pièce moulée calibrée à la température ambiante de façon libre ou commandée ou par trempe, pour conférer à la pièce les caractéristiques mécaniques souhaitées.
- Procédé de fabrication de pièces en fonte à graphite sphéroïdal à caractéristiques mécaniques améliorées et de grande précision géométrique et dimensionnelle qui se caractérise en ce qu'il comprend les étapes suivantes :a) on prépare un mélange à l'état liquide ayant la composition pondérale suivante : 3 à 4 % de C ; 1,7 à 3 % de Si ; 0,1 à 0,7% de Mn ; 0 à 4% de Ni ; 0 à 1,5% de Cu ; 0 à 0,5% de Mo , avec une teneur en Mg résiduel adaptée à l'épaisseur des pièces comprise entre 0,025% et 0,080%, le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration ; les impuretés sont notamment le S dont la teneur est inférieure à 0,015% et le P dont la teneur est inférieure à 0,10% ;b) on coule ce mélange à l'état liquide à une température comprise entre 1350°C et 1 550°C dans un moule permettant d'obtenir une forme approchée de la pièce appelée ébauche de la pièce ayant un volume sensiblement identique à celui de la pièce ;c) on extrait ladite ébauche de la pièce du moule après refroidissement en dessous de AR3 et on la parachève à la température ambiante ;d) on réchauffe et on maintient ladite ébauche de la pièce à une température comprise entre AC3 et 1 050°C pendant une durée comprise entre 10 et 90 minutes pour permettre une bonne homogénéité de température et de composition chimique à l'intérieur de ladite ébauche ;e) on calibre en conteneurs ou en matrices fermées par déformation plastique à chaud ladite ébauche de la pièce à une température comprise entre AC3 et 1 050°C pour obtenir la pièce moulée calibrée sans bavure latérale ;f) on refroidit ladite pièce moulée calibrée à la température ambiante de façon libre ou commandée ou par trempe, selon les caractéristiques mécaniques souhaitées.
- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la forme donnée à l'ébauche moulée de la pièce est déterminée à partir de la forme finale de la pièce pour permettre un taux de déformation dans toutes les parties de l'ébauche lors de l'opération de calibrage, compris entre 1 et 20% maximum et pour orienter l'écoulement du métal lors de cette opération dans un sens favorable aux caractéristiques mécaniques et en particulier aux sollicitations en fatigue de la pièce en service.
- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que l'opération de calibrage en conteneurs ou en matrices fermés est réalisée par pressage ou frappe de l'ébauche entre au moins deux outils ou à l'aide d'éléments et/ou de poinçons mobiles coulissant à l'intérieur des matrices ou des outils pour permettre notamment une déformation plastique multiaxiale sur l'ébauche.
- Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que, entre la sortie de l'ébauche du moule (c) et l'opération de déformation plastique à chaud (d), ou entre la sortie de l'ébauche du moule (c) et l'opération complémentaire de maintien de l'ébauche à la température Tm, on ajoute une opération intermédiaire de séparation des appendices de coulée (masselottes, chenaux de coulée ...) de l'ébauche de la pièce par découpe ou autre procédé, pour obtenir l'ébauche de la pièce seule avec un volume sensiblement identique à celui de la pièce moulée calibrée à obtenir.
- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le volume de l'ébauche moulée de la pièce est égal à celui de la pièce moulée calibrée avec une tolérance maximale comprise dans la fourchette 0 à + 6%.
- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le volume de matière en excès sur l'ébauche de la pièce qui correspond à la tolérance autorisée sur le volume de l'ébauche de la pièce est orienté lors de l'opération de calibrage dans un logement de métal en excès placé, soit dans un ou plusieurs trous borgnes ou débouchants de la pièce destinés à être usinés, soit dans une ou plusieurs cavités prévues à cet effet sur la pièce dans des zones qui n'affectent pas la précision géométrique de la pièce moulée calibrée.
- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le moule utilisé pour la coulée de l'ébauche de la pièce est de préférence un moule permanent constitué d'au moins deux demi parties métalliques revêtues d'un poteyage, mais peut aussi être un moule non permanent en sable ou autre.
- Procédé selon la revendication 3 caractérisé en ce que l'opération de parachèvement de l'ébauche de la pièce après sa sortie du moule comporte si nécessaire une opération de meulage ou de découpe destinée à permettre d'obtenir le volume de ladite ébauche de la pièce sensiblement identique à celui de la pièce et/ou destinée à parfaire la géométrie de ladite ébauche de la pièce.
- Procédé selon la revendication 2 ou la revendication 3 caractérisé en ce que le refroidissement de la pièce moulée calibrée de façon libre, commandée ou par trempe, est réalisé à l'air libre, à l'air soufflé, ou en atmosphère ou milieu confiné.
- Procédé selon la revendication 2 ou la revendication 3 caractérisé en ce qu'il comporte, en outre , un traitement thermique de revenu situé après l'opération de refroidissement de la pièce moulée calibrée, destiné à ajuster la structure et/ou les caractéristiques mécaniques de ladite pièce moulée calibrée.
- Fonte à graphite sphéroïdal ayant la composition pondérale suivante: 3 à 4% de C ; 1,7 à 3% de Si ; 0,1 à 0,7% de Mn ; 0 à 4% de Ni ; 0 à 1,5% de Cu ; 0 à 0,5% de Mo, avec une teneur en Mg résiduel adaptée à l'épaisseur des pièces comprise entre 0,025% et 0,080%, le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration ; les impuretés sont notamment le S dont la teneur est inférieure à 0,015% et le P dont la teneur est inférieure à 0,10%, élaborée et mise en forme selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle a une structure essentiellement bainitique, et ayant subi un taux de déformation plastique limité et contenu lors de l'opération de calibrage, en limitant ainsi les écrasements des nodules de graphite.
- Fonte à graphite sphéroïdal ayant la composition pondérale suivante: 3 à 4% de C 1,7 à 3% de Si ;0,1 à 0,7% de Mn ; 0 à 4% de Ni ; 0 à 1,5% de Cu ; 0 à 0,5% de Mo, avec une teneur en Mg résiduel adaptée à l'épaisseur des pièces comprise entre 0,025% et 0,080%, le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration ; les impuretés sont notamment le S dont la teneur est inférieure à 0,015% et le P dont la teneur est inférieure à 0,10%, élaborée et mise en forme selon l'une quelconque des revendications 2, 3, 11 ou 12, caractérisée en ce qu'elle a une structure, soit essentiellement ferritique, soit essentiellement perlitique, soit ferrito-perlitique, et ayant subi un taux de déformation plastique limité et contenu lors de l'opération de calibrage, en limitant ainsi les écrasements des nodules de graphite.
- Fonte selon la revendication 13 ou 14, caractérisée en ce que le taux de déformation dans toutes les parties de l'ébauche lors de l'opération de calibrage est compris entre 1 et 20 % au maximum, en permettant ainsi d'orienter l'écoulement du métal lors de l'opération de calibrage dans un sens favorable aux caractéristiques mécaniques et en particuliers aux sollicitations en fatigue de la pièce en service, en favorisant ainsi la limitation de la déformation des nodules de graphite sphéroïdal.
- Pièce en fonte caractérisée en ce qu'elle est constituée d'une fonte à graphite sphéroïdal selon la revendication 13, ou la revendication 14, ou la revendication 15, cette pièce étant en particulier de forme en creux ou bielle de moteur.
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