EP4448822B1 - Nuance de fonte ductile a matrice ferritique renforcee - Google Patents

Nuance de fonte ductile a matrice ferritique renforcee

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EP4448822B1
EP4448822B1 EP22835342.1A EP22835342A EP4448822B1 EP 4448822 B1 EP4448822 B1 EP 4448822B1 EP 22835342 A EP22835342 A EP 22835342A EP 4448822 B1 EP4448822 B1 EP 4448822B1
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EP
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ductile iron
iron
equal
mpa
ductile
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François Dauvin
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Societe Europeenne dIsolateurs en Verre et Composite SEDIVER SA
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Societe Europeenne dIsolateurs en Verre et Composite SEDIVER SA
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    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/16—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing copper

Definitions

  • the field of the invention is that of ductile irons or spheroidal graphite (SG) irons with a reinforced ferritic matrix (mostly ferritic).
  • Ductile irons or ductile irons with spheroidal graphite, standardized according to the European standard EN 1563 and referred to as having a reinforced ferritic matrix, are characterized by the following mechanical properties: tensile strength (Rm) in MPa, elongation (A) in %, and yield strength (Rp 0.2 , i.e., the stress value at which 0.2% of the plastic deformation remains) in MPa.
  • Rm tensile strength
  • A elongation
  • Rp 0.2 yield strength
  • the ratio between yield strength and tensile strength is also an indicator of the quality of ductile irons.
  • the table below lists the various standardized (EN 1563) ductile irons with a reinforced ferritic matrix, along with their properties and structures.
  • the document EP3243920A1 proposes a high-strength cast iron alloy with an elongation at break between 2% and 10%.
  • the document WO2018093894 discloses a ductile iron alloy exhibiting an elongation at break greater than or equal to 2.5%.
  • the invention relates to a ductile iron with a reinforced ferritic matrix according to the claims. It is remarkable in that the structure with a reinforced ferritic matrix comprises more than 70% ferrite and in that the ductile iron exhibits a tensile strength (Rm) greater than or equal to 700 MPa, an elongation at break greater than or equal to 11%, a yield strength (Rp 0.2 ) greater than or equal to 532 MPa and a yield strength (Rp 0.2 ) to tensile strength (Rm) ratio greater than or equal to 76%, during a tensile test carried out on a specimen taken from a tensile bar in accordance with EN 1563 with a diameter of 25 mm and a length of 200 mm.
  • Rm tensile strength
  • the inoculated material consists (by mass percentage) of 2.8% to 4.5% carbon, 3% to 5% silicon, 0.1% to 0.8% manganese, less than 0.01% sulfur, 0.001% to 0.05% phosphorus, 0.1% to 1% copper, less than 0.1% magnesium, 0% to 1% nickel, 0% to 1% chromium, iron and unavoidable impurities.
  • ductile spheroidal graphite (SG) cast irons with reinforced ferritic matrix stems from the objective of manufacturers to reduce variations in mechanical properties and the machinability costs of parts.
  • the spheroidization quality is very good when the proportion of graphite particles of form VI is greater than 90%. It is optimal when the proportion of graphite particles of form VI is greater than 95%, with 5% or less of particles of form V, i.e., 100% nodularity.
  • the graphite particle count can be performed manually or by software. For the classification of graphite particles, reference is made to the NF-EN-945 standard.
  • composition of the ductile iron according to the invention falls within the ranges defined by the min and max limits, at the end of the manufacturing process. Therefore, care will be taken during the various stages (supply of raw materials, inoculation, spheroidization) to introduce the compounds in such a way as to respect these ranges in the final iron obtained.

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Description

    DOMAINE DE L'INVENTION
  • Le domaine de l'invention est celui des fontes ductiles ou fontes à graphite sphéroïdal (GS) à matrice ferritique renforcée (majoritairement ferritique).
    • ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION
  • Les fontes ductiles ou fontes GS à graphite sphéroïdal normalisées selon la norme européenne EN 1563 et dites à matrice ferritique renforcée se caractérisent par les propriétés mécaniques suivantes : la résistance à la traction (Rm) en MPa, l'allongement (A) en %, la limite d'élasticité (Rp0,2, soit la valeur de la contrainte laissant 0,2% de déformation plastique résiduelle) en MPa. Le rapport entre la limite d'élasticité et la résistance à la traction est également un indicateur de qualité des fontes ductiles. Le tableau ci-dessous répertorie les différentes fontes GS à matrice ferritique renforcée normalisées (EN1563) ainsi que leurs propriétés et structures.
    Désignation Rm (MPa) Rp0,2 (MPa) A% Structure de la matrice
    EN-GJS-450-18 450 350 18 Ferritique renforcée
    EN-GJS-500-14 500 400 14 Ferritique renforcée
    EN-GJS-600-10 600 470 10 Ferritique renforcée
  • Ces fontes ont des propriétés très intéressantes en termes d'allongement à la rupture mais présentent des résistances à la traction toujours inférieures à 700MPa.
  • Il est connu par ailleurs que des fontes ductiles traditionnelles, également normalisées (EN1563), présentent une excellente résistance à la traction pouvant atteindre 700MPa (cf tableau ci-dessous - nuance EN-GJS-700-2), l'allongement à la rupture est alors limité à 2%.
    Désignation Rm (MPa) Rp0,2 (MPa) A% Structure de la matrice
    EN-GJS-700-2 700 420 2 Perlitique
    EN-GJS-600-3 600 370 3 Perlitique
    EN-GJS-500-7 500 320 7 Perlito-ferritique
    EN-GJS-400-15 400 250 15 Ferritique
    EN-GJS-350-22 350 220 22 Ferritique
  • On voit que les nuances ductiles actuellement existantes n'offrent pas, à la fois des valeurs de résistance à la traction Rm supérieures ou égales à 700MPa et un allongement à la rupture supérieur ou égal à 8%, à 10%, voire à 11%, et ce avec un rapport entre la limite d'élasticité et à la résistance à la traction important, typiquement supérieur à 75%.
  • Le document EP3243920A1 propose un alliage de fonte à haute résistance, dont l'allongement à la rupture est compris entre 2% et 10%. Le document WO2018093894 divulgue un alliage de fonte ductile présentant un allongement à la rupture supérieur ou égal à 2,5%.
    • OBJET DE L'INVENTION
  • L'invention vise à remédier aux inconvénients précités en proposant une fonte ductile à matrice ferritique renforcée présentant une résistance à la traction au moins comparable aux fontes ductiles à structure perlitique (typiquement supérieure ou égale à 700MPa), avec un allongement à la rupture supérieur ou égal à 11%, et en outre un rapport Rp0,2/Rm supérieur à 76%. L'invention porte également sur un procédé de fabrication d'une telle fonte ductile.
    • BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION
  • L'invention a pour objet une fonte ductile à matrice ferritique renforcée conforme aux revendications. Elle est remarquable en ce que la structure à matrice ferritique renforcée comprend plus de 70% de ferrite et en ce que la fonte ductile présente une résistance à la traction (Rm) supérieure ou égale à 700 MPa, un allongement à la rupture supérieur ou égal à 11%, une limite d'élasticité (Rp0,2) supérieure ou égale à 532 MPa et un rapport limite d'élasticité (Rp0,2) sur résistance à la traction (Rm) supérieur ou égal à 76%, lors d'un essai de traction réalisé sur éprouvette prélevée dans un barreau de traction conformément à la norme EN 1563 de diamètre 25 mm et de longueur 200 mm.
  • La fonte ductile selon l'invention a la composition suivante, la teneur des différents éléments étant en pourcentage massique :
    • une teneur en carbone comprise entre 2,8 et 4,5% ;
    • une teneur en silicium comprise entre 3 et 5% ;
    • une teneur en manganèse comprise entre 0,1 et 0,8% ;
    • une teneur en soufre inférieure à 0,01% ;
    • une teneur en phosphore comprise entre 0,001 et 0,05% ;
    • une teneur en cuivre comprise entre 0,1 et 1%, avantageusement comprise entre 0,1% et 0,8%, voire encore préférentiellement comprise entre 0,1% et 0,7% ;
    • une teneur en magnésium inférieure à 0,1%,
    • une teneur en nickel comprise entre 0% et 1%,
    • une teneur en chrome comprise entre 0% et 1%,
    • des impuretés à moins de 0,2%, ces impuretés venant notamment des matériaux et équipements utilisés dans le procédé de fabrication de la fonte,
    • la balance pour atteindre 100% étant faite par la teneur en fer.
  • Selon l'invention, cette nuance de fonte permet d'abord d'obtenir un gain significatif à l'allongement à la rupture, en conservant une excellente résistance à la traction, par rapport aux fontes ductiles de l'état de la technique. Elle permet également une moindre diminution des caractéristiques mécaniques entraînée par l'augmentation de l'épaisseur de la pièce fabriquée, soit une faible sensibilité à l'épaisseur. Le rapport entre la limite d'élasticité et la résistance à la traction, qui dépasse 76% pour la présente nuance, est également un atout important.
  • L'invention s'étend également à un procédé de préparation d'une fonte ductile à matrice ferritique renforcée pour la fabrication d'une pièce moulée, comprenant les étapes suivantes :
    • la préparation d'une matière première qui contient du carbone, du silicium, du manganèse, du soufre, du phosphore, du cuivre, du magnésium et du fer, et potentiellement du nickel et du chrome ;
    • la fusion de la matière première ;
    • l'inoculation de la matière première ;
    • l'application d'une sphéroïdisation ;
    • la coulée de la matière inoculée.
  • La fonte ductile obtenue présente une résistance à la traction (Rm) supérieure ou égale à 700 MPa, une limite d'élasticité supérieure ou égale à 532 MPa et un rapport limite d'élasticité (Rp0,2) sur résistance à la traction (Rm) minimum de 76%, lors d'un essai de traction réalisé sur éprouvette prélevée dans un barreau de traction conformément à la norme EN 1563 de diamètre 25 mm et de longueur 200 mm ; la fonte ductile présente en outre un allongement à la rupture supérieur ou égal à 11%.
  • La matière inoculée consiste (en pourcentage massique) en 2,8% à 4,5% de carbone, 3% à 5% de silicium, 0,1% et 0,8% de manganèse, moins de 0,01% de soufre, 0,001% à 0,05% de phosphore, 0,1% à 1% de cuivre, moins de 0,1% de magnésium, 0% à 1% de nickel, 0% à 1% de chrome, du fer et des impuretés inévitables.
  • Préférentiellement, la teneur en cuivre est comprise entre 0,1% et 0,8%, voire avantageusement comprise entre 0,1% et 0,7%.
  • L'inoculation est réalisée en une, en deux, en trois ou en quatre fois.
  • La sphéroïdisation est avantageusement réalisée jusqu'à obtenir une proportion de particules de graphite de forme VI supérieure à 90%, voire supérieure à 95%.
  • L'invention s'étend également à un procédé de fabrication d'une pièce moulée caractérisé en ce que la pièce moulée ne subit aucun traitement thermique, ce qui confère à la fonte ductile de l'invention un fort intérêt économique.
  • Enfin, l'invention porte sur l'utilisation de la fonte ductile pour la fabrication d'un capot d'isolateur de ligne électrique à haute tension ou pour la fabrication de pièces mécaniques moulées dans les domaines du transport, de l'extraction minière ou de la production d'énergie.
    • BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
  • La présente invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui suit et des dessins annexés dans lesquels :
    • [Fig.1] la figure 1 est une image de microstructure d'une fonte GS à matrice ferrito-perlitique selon l'invention avant attaque nital ;
    • [Fig.2] la figure 2 est une image de microstructure d'une fonte GS à matrice ferrito-perlitique selon l'invention après attaque nital.
    DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
  • Le développement des fontes ductiles à graphite sphéroïdal (GS) à matrice ferritique renforcée vient de l'objectif des industriels de réduire les variations de propriétés mécaniques et les coûts d'usinabilité de pièces.
  • Des fontes ductiles traditionnelles à matrice de microstructure majoritairement perlitique connues présentent les propriétés mécaniques regroupées dans le tableau 1, à partir d'essais effectués avec la nuance EN-GJS-600-3. [Tableau 1]
    # Rm (MPa) Rp0.2 (MPa) A (%) Rp0.2/ Rm (en %)
    1 713 508 8,4 71,2%
    2 646 452 11,8 70,0%
    3 689 495 9,8 71,8%
    4 708 500 8,8 70,6%
    5 719 512 8,3 71,2%
    6 686 485 9 70,7%
    7 721 512 8,2 71,0%
    8 646 452 11,8 70,0%
    9 686 480 9,3 70,0%
    10 725 511 8,2 70,5%
  • Ces fontes ont dans leur composition en plus du fer, des teneurs en pourcentage massique selon le tableau 2 ci-après. [Tableau 2]
    % massique C Si Mn P S Cu Mg
    min 3 2,1 0,1 0,2 0,02
    max 4 3 0,5 0,1 0,05 0,7 0,06
  • Même si les propriétés mécaniques de ces fontes sont déjà remarquables, elles ne permettent pas d'atteindre à la fois des valeurs très élevées de résistance à la traction (supérieure ou égale à 700MPa), de limite d'élasticité (Rp0,2/Rm supérieur ou égal à 76%) et d'allongement à la rupture (supérieur à 8%, voire supérieur ou égal à 11%).
  • Les caractéristiques mécaniques de ces fontes à structure majoritairement perlitique souffrent en outre d'une grande sensibilité à l'épaisseur de la pièce fabriquée.
  • La fonte ductile selon l'invention présente une matrice ferritique renforcée. Cela signifie que sa structure est majoritairement ferritique (> 70%) et qu'elle peut comprendre, en proportion minoritaire, de la perlite ; la structure de la fonte ductile selon l'invention peut donc également être qualifiée de matrice ferrito-perlitique.
  • La fonte de la présente invention permet d'obtenir en moyenne une résistance à la traction (Rm) supérieure ou égale à 700MPa, une limite d'élasticité (Rp0,2) supérieure ou égale à 532MPa, un rapport limite d'élasticité (Rp0,2) sur résistance à la traction (Rm) minimum de 76% et un allongement à la rupture toujours supérieur à 8% et même supérieur ou égal à 11%, lors d'essais de traction réalisés sur éprouvette prélevée dans un barreau de traction conformément à la norme EN 1563 de diamètre 25 mm et de longueur 200 mm. Quatre résultats d'essais (A à D) sont notés dans le tableau 3 suivant. [Tableau 3]
    # Rm (MPa) Rp0.2 (MPa) A (%) Rp0.2/ Rm (en %)
    A 725 557 11,5 76,8
    B 710 556 11,5 78,3
    C 718 559 13 77,8
    D 709 539 12 77
  • Cette nuance de fonte a dans sa composition, en plus du fer (et d'inévitables impuretés), des teneurs en pourcentage massique selon le tableau 4. La composition d'une nuance conforme à la présente invention est également donnée, à titre d'exemple, dans le tableau 4. [Tableau 4]
    % massique C Si Mn P S Cu Mg Ni Cr
    min 2,8 3 0,1 0,001 0 0,1 0 0 0
    max 4,5 5 0,8 0,05 0,01 1 0,1 1 1
    Exemple 3,17 4,30 0,22 <0,012 0,0035 0,59 0,039 0 0
  • Dans la fonte ductile selon l'invention, le silicium contribue à renforcer la matrice ferritique ; le pourcentage en cuivre est limité dans la plage [0,1%-1%], voire dans la plage [0,1%-0,8%] pour maîtriser la proportion de perlite dans la matrice. Préférentiellement, la teneur en cuivre est même limitée à 0,7%.
  • Cette nuance de fonte ductile révèle une microstructure de type ferrito-perlitique (majoritairement ferritique) comme visible sur la figure 1 avant attaque métallographique au nital (solution d'acide nitrique et d'alcool couramment utilisée pour l'attaque chimique des métaux ferreux) et sur la figure 2 après attaque métallographique au nital.
  • Du fait de sa structure ferritique renforcée ou ferrito-perlitique, la fonte ductile présente des propriétés mécaniques beaucoup moins sensibles à l'épaisseur de la pièce fabriquée, ce qui est un fort avantage industriel.
  • Pour préparer une fonte ductile selon l'invention pour la fabrication de pièces moulées, le procédé comprend en premier lieu une étape de préparation d'une matière première contenant du carbone, du silicium, du manganèse, du soufre, du phosphore, du cuivre, du magnésium, du fer et potentiellement du nickel et du chrome, dans les plages de pourcentages massiques précédemment énoncés. Le procédé comprend ensuite des étapes de fusion de la matière première, d'inoculation de ladite matière, d'application d'une sphéroïdisation, avant l'étape de coulée de la matière inoculée. Ces étapes sont effectuées de sorte que la fonte ductile présente une structure ferritique renforcée et les caractéristiques mécaniques citées précédemment, soit une résistance à la traction (Rm) supérieure ou égale à 700 MPa, une limite d'élasticité supérieure ou égale à 532 MPa, un rapport limite d'élasticité (Rp0,2) sur résistance à la traction (Rm) minimum de 76% et un allongement à la rupture supérieur ou égal à 11%.
  • Les produits pour traitement d'inoculation sont ceux figurant aux catalogues fournisseurs traditionnels, mais requièrent une attention particulière tant dans leurs compositions, que dans leurs granulométries, afin d'obtenir des caractéristiques mécaniques Rm, Rp0.2 et A citées ci-dessus. De plus, le choix du produit inoculant doit être adapté au produit de traitement de sphéroïdisation (étape ultérieure). Notamment, le choix de l'élément actif de l'inoculant (baryum, strontium, zirconium) doit être fait en fonction de la composition de l'alliage de sphéroïdisation. L'inoculation s'effectue en une, en deux, en trois, voire en quatre fois. Elle se fait typiquement à chaque transfert de métal fondu, y compris dans le jet de fusion amenant le métal en fusion dans le moule et/ou en plaçant un lingotin dans la plaque modèle.
  • Les produits pour traitement de sphéroïdisation sont également ceux figurant aux catalogues fournisseurs traditionnels, mais requièrent une attention particulière tant dans leurs compositions, que dans leurs granulométries, afin d'obtenir des caractéristiques mécaniques Rm, Rp0.2 et A citées ci-dessus. Les teneurs en éléments actifs, tels que le magnésium, calcium, les terres rares, doivent être rigoureusement contrôlées. Tous les procédés d'introduction traditionnels pour la sphéroïdisation (Tundish Cover, Sandwich, InMold...) sont applicables au présent procédé.
  • Comme visible sur la figure 1, la qualité de sphéroïdisation est très bonne lorsque la proportion de particules de graphite de forme VI est supérieure à 90%. Elle est optimale lorsque la proportion de particules de graphite de forme VI est supérieure à 95%, avec 5% ou moins de particules de forme V, soit 100% de nodularité. Notons le comptage des particules de graphite peut être fait manuellement ou par logiciel. Pour la classification des particules de graphite, il est fait ici référence à la norme NF-EN-945.
  • La teneur en magnésium doit être également suffisante, mais inférieure à 0,1%, pour garantir un caractère sphéroïdal des particules de graphite, dans toute la gamme d'épaisseur des pièces, sans toutefois être excessive.
  • Les caractéristiques mécaniques de la fonte ductile selon l'invention s'obtiennent notamment avec une densité de sphéroïdes de graphite par unité de surface polie élevée, c'est-à-dire supérieure à 1000/mm2 de surface polie.
  • Il est rappelé ici que la composition de la fonte ductile selon l'invention entre dans les plages définies par les bornes min et max, à l'issue du procédé de fabrication. Il sera donc tenu compte au cours de différentes étapes (fourniture de la matière première, inoculation, sphéroïdisation) d'introduire les composés de manière à respecter lesdites plages dans la fonte finalement obtenue.
  • Le procédé concerne également la fabrication d'une pièce moulée, celle-ci ne subissant aucun traitement thermique. Des traitements thermiques sont habituellement appliqués aux pièces en fonte pour corriger une imperfection de microstructure : obtenir une pièce moulée en fonte ductile présentant directement la structure et les propriétés mécaniques souhaitées, sans nécessiter de traitement thermique apporte un fort avantage économique.
  • La fonte ductile selon l'invention trouve son application pour la fabrication de pièces mécaniques moulées, telle qu'un capot d'isolateur de ligne électrique à haute tension ou pour la fabrication de pièces mécaniques moulées dans les domaines du transport, de l'extraction minière ou de la production d'énergie.
  • Il va de soi que la présente invention ne saurait être limitée au mode de réalisation exposé plus haut, susceptible de subir des modifications sans pour autant sortir du cadre de l'invention.

Claims (7)

  1. Fonte ductile présentant une structure à matrice ferritique renforcée, caractérisée en ce que la structure à matrice ferritique renforcée comprend plus de 70% de ferrite, en ce que la fonte ductile présente une résistance à la traction (Rm) supérieure ou égale à 700 MPa, un allongement à la rupture supérieur ou égal à 11%, une limite d'élasticité (Rp0,2) supérieure ou égale à 532 MPa et un rapport limite d'élasticité (Rp0,2) sur résistance à la traction (Rm) minimum de 76%, lors d'un essai de traction réalisé sur éprouvette prélevée dans un barreau de traction conformément à la norme EN 1563 de diamètre 25 mm et de longueur 200 mm, et en ce qu'elle est formée par les composés suivants, en pourcentage massique :
    - du carbone, entre 2,8% et 4,5%,
    - du silicium, entre 3 et 5%,
    - du manganèse, entre 0,1 et 0,8%,
    - du soufre, à moins de 0,01%,
    - du phosphore, entre 0,001 et 0,05%,
    - du cuivre, entre 0,1 et 1%,
    - du magnésium, à moins de 0,1%,
    - du nickel, entre 0% et 1%,
    - du chrome, entre 0% et 1%,
    - des impuretés, à moins de 0,2%, et
    - du fer, pour faire la balance à 100%.
  2. Fonte ductile selon la revendication 1, dans laquelle le pourcentage massique de cuivre est compris entre 0,1% et 0,8%, voire préférentiellement compris entre 0,1% et 0,7%.
  3. Procédé de préparation d'une fonte ductile selon la revendication 1, comprenant les étapes suivantes :
    - la préparation d'une matière première contenant du carbone, du silicium, du manganèse, du soufre, du phosphore, du cuivre, du magnésium et du fer, et potentiellement du nickel et du chrome ;
    - la fusion de la matière première ;
    - l'inoculation de la matière première ;
    - l'application d'une sphéroïdisation ;
    - la coulée de la matière inoculée.
  4. Procédé de préparation selon la revendication précédente, dans lequel l'étape d'inoculation est effectuée en deux fois, trois fois ou quatre fois.
  5. Procédé de préparation selon l'une des revendications 3 et 4, dans lequel la sphéroïdisation est réalisée jusqu'à obtenir une proportion de particules de graphite de forme VI supérieure à 90%, voire supérieure à 95%.
  6. Procédé de préparation selon l'une des revendication 3 à 6, donnant lieu à la fabrication d'une pièce moulée ne subissant aucun traitement thermique.
  7. Application de la fonte ductile selon l'une des revendications 1 et 2 pour la fabrication d'un capot d'isolateur de ligne électrique à haute tension ou pour la fabrication de pièces mécaniques moulées dans les domaines du transport, de l'extraction minière ou de la production d'énergie.
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