EP4616010A1 - Objet tubulaire en fonte à graphite lamellaire, élément de tuyauterie et procédé de fabrication correspondants - Google Patents

Objet tubulaire en fonte à graphite lamellaire, élément de tuyauterie et procédé de fabrication correspondants

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Publication number
EP4616010A1
EP4616010A1 EP23802267.7A EP23802267A EP4616010A1 EP 4616010 A1 EP4616010 A1 EP 4616010A1 EP 23802267 A EP23802267 A EP 23802267A EP 4616010 A1 EP4616010 A1 EP 4616010A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
inclusive
cast iron
mold
blank
tubular object
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23802267.7A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Jean-Michel Roch
Renaud Subra
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fornacis France
Original Assignee
Saint Gobain PAM Batiment SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Saint Gobain PAM Batiment SAS filed Critical Saint Gobain PAM Batiment SAS
Publication of EP4616010A1 publication Critical patent/EP4616010A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C37/00—Cast-iron alloys
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D1/00—Treatment of fused masses in the ladle or the supply runners before casting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D13/00—Centrifugal casting; Casting by using centrifugal force
    • B22D13/02—Centrifugal casting; Casting by using centrifugal force of elongated solid or hollow bodies, e.g. pipes, in moulds rotating around their longitudinal axis
    • B22D13/023—Centrifugal casting; Casting by using centrifugal force of elongated solid or hollow bodies, e.g. pipes, in moulds rotating around their longitudinal axis the longitudinal axis being horizontal
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D13/00—Centrifugal casting; Casting by using centrifugal force
    • B22D13/12—Controlling, supervising, specially adapted to centrifugal casting, e.g. for safety reasons
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21C—PROCESSING OF PIG-IRON, e.g. REFINING, MANUFACTURE OF WROUGHT-IRON OR STEEL; TREATMENT IN MOLTEN STATE OF FERROUS ALLOYS
    • C21C1/00—Refining of pig-iron; Cast iron
    • C21C1/08—Manufacture of cast-iron
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D5/00—Heat treatments of cast-iron
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C33/00—Making ferrous alloys
    • C22C33/08—Making cast-iron alloys
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C37/00—Cast-iron alloys
    • C22C37/10—Cast-iron alloys containing aluminium or silicon

Definitions

  • TITLE Tubular object in lamellar graphite cast iron, corresponding piping element and manufacturing process
  • the present invention relates to a tubular object made of lamellar graphite cast iron, in particular manufactured in a mold.
  • a cast iron alloy is known for example from FR3060607A1. This alloy is, however, a spheroidal graphite cast iron alloy and not a lamellar gray cast iron alloy.
  • inoculants for the manufacture of cast iron objects.
  • Such inoculants are for example described in document W00309314 which discloses an inoculant for foundry based on Fe-Si-Bi-La or in W02004104252 which discloses inoculants based on Fe-Si + Bi + Ca + Al + rare earths (mostly A).
  • WO992991 1 describes an inoculant for lamellar or spheroidal graphite cast iron, comprising Si + (Ca and/or Sr and/or Ba) and optionally a rare earth namely Ce and/or La, Mg, AI , Mn and/or Ti and/or Zr.
  • this inoculant also contains oxygen, in the form of metal oxides, and sulfur, in the form of metal sulphides.
  • Table 6 of this document describes a commercial inoculant based on FeSi + Ca + Ba [Test no. P.] and a commercial inoculant based on FeSi + Ca + Bi + rare earth [Test no. Q].
  • Lamellar graphite cast iron pipes should generally have a tensile strength greater than or equal to 200 MPa, a crushing strength greater than or equal to 350 MPa, and a Brinell HB hardness less than or equal to 260.
  • Known lamellar gray cast iron pipes have minimum wall thicknesses. These thicknesses depend on the nominal diameters of the pipes. These characteristics ensure the required mechanical performance.
  • the aim of the invention is to be able to provide a tubular object, for example a pipe or a tubular fitting, having given dimensions, which is light for these given dimensions, and which has mechanical properties at least in accordance with the standards in force.
  • the tubular object according to the invention allows a weight saving advantageously between 15 and 35% compared to a similar object from the state of the art.
  • a weight saving advantageously between 15 and 35% compared to a similar object from the state of the art.
  • an aim of the invention is to provide tubular objects, such as cast iron pipes, with identical or improved mechanical strength and low raw material consumption.
  • the object of the invention also applies to other tubular objects made of lamellar graphite cast iron than pipes, such as tubular fittings.
  • the invention seeks to reduce their weight while maintaining a given mechanical strength.
  • the subject of the invention is a tubular object made of lamellar graphite cast iron, in particular manufactured in a mold, the lamellar graphite cast iron comprising, in % by weight, the following elements:
  • Mo Molybdenum
  • the tubular object has an external diameter (DE) and a wall thickness (e), the wall thickness having, depending on the external diameter, one of the following values:
  • the object according to the invention may include one or more of the following characteristics:
  • the Silicon (Si) content of the lamellar graphite cast iron is between 2.8% inclusive and 3.9% inclusive, and is preferably between 3.1% inclusive and 3.9% inclusive, and is in individual between 3.3% inclusive and 3.7% inclusive;
  • the object is obtained by a manufacturing process in which a shaped surface is devoid of temporary thermal insulator or temporary refractory material when the liquid cast iron is poured into the mold, or the object is obtained by a manufacturing process in which a temporary refractory material or a temporary thermal insulator is deposited on a shaped surface before the step of pouring the liquid cast iron into the mold;
  • the lamellar graphite cast iron has a tensile strength Rm greater than 200 MPa, preferably greater than 340 MPa and in particular greater than 380 MPa; - the lamellar graphite cast iron has a crushing strength Re greater than 350 MPa, preferably greater than 490 MPa and in particular greater than 520 MPa;
  • the lamellar graphite cast iron has a Brinell HB hardness less than or equal to 260HB, and in particular less than or equal to 230HB;
  • the residual elements include one or more of the elements taken from the list consisting of Calcium (Ca) and Aluminum (Al);
  • the residual elements include one or more of the elements taken from the list consisting of: Zirconium (Zr), Manganese (Mn) and Barium (Ba); And
  • the residual elements include one or more of the elements taken from the list consisting of: at least one rare earth, in particular cerium (Ce) and Bismuth (Bi).
  • the invention also relates to a piping element comprising a base body, characterized in that the base body is a tubular object as defined above.
  • the piping element according to the invention is either a pipe, in particular a pipe comprising two joined ends or comprising a joined end and an interlocking end, or a tubular connection.
  • the invention also relates to a method of manufacturing a tubular object as defined above or a piping element as defined above, comprising the following successive steps: a) casting cast iron liquid in a mold having a shaped surface, b) the liquid cast iron is allowed to solidify, obtaining a blank of the object, c) the blank of the object is subjected to heat treatment, obtaining the cast iron object (16), notably
  • the manufacturing process may comprise one or more of the following characteristics:
  • an inoculant is added to the cast iron, the quantity of silicon added by the inoculant is included between 0.1 and 0.4% of the mass of the cast product, the silicon content added at this inoculation step corresponding to the final silicon content of the lamellar graphite cast iron minus the silicon content present in the casting ladle, and the inoculant is a ferroalloy comprising, in % by weight, silicon (Si) at a content of at less than 60.0% inclusive and at most 80.0% inclusive, in particular between 62.0% inclusive and 69.0% inclusive or between 68.0% inclusive and 70.0% inclusive, or even at a content between 70.0% inclusive and 76.0% inclusive, and one or more of the following:
  • Calcium (Ca) at least 0.5% inclusive and at most 2.1% inclusive, in particular between 1.2% inclusive and 2.1% inclusive, between 0.6% inclusive and 1.9% inclusive or between 0. 75% included and 1.25% included,
  • Aluminum (Al) at least 0.5% inclusive and at most 1.3% inclusive, in particular between 0.5% inclusive and 1.0% inclusive, between 0.55% inclusive and 1.3% inclusive or between 0. 75% included and 1.25% included,
  • Zirconium (Zi) ⁇ 4.5%, notably between 2.8% inclusive and 4.5% inclusive,
  • Manganese (Mn) ⁇ 3.5%, notably between 2.5% inclusive and 3.5% inclusive,
  • Bismuth (Bi) ⁇ 1.3%, notably between 0.8% inclusive and 1.3% inclusive, the remainder being iron (Fe).
  • the inoculant is a ferroalloy having, in % by weight, one of the following compositions: a) Silicon (Si) between 68.0% inclusive and 70.0% inclusive, Calcium (Ca) between 1.2 % inclusive and 2.1% inclusive, and Aluminum (Al) between 0.5% inclusive and 1.0% inclusive, the remainder being iron (Fe); b) Silicon (Si) between 62.0% inclusive and 69.0% inclusive, Calcium (Ca) between 0.6% inclusive and 1.9% inclusive, Aluminum (Al) between 0.55% inclusive and 1.3% inclusive, Zirconium (Zi) between 2.8% inclusive and 4.5% inclusive, Manganese (Mn) between 2.5% inclusive and 3.5% inclusive, Barium (Ba) between 3.0% inclusive and 5.0% inclusive, the remainder being iron (Fe); c) Silicon (Si) between 70.0% inclusive and 76.0% inclusive, Calcium (Ca) between 0.75% inclusive and 1.25% inclusive, Aluminum (Al) between 0.75% inclusive and 1.25% inclusive, Cerium (Ce) between 1.
  • the shaped surface is devoid of temporary thermal insulation or temporary refractory material when the liquid cast iron is poured into the mold, and the heat treatment includes:
  • a second graphitization step during which the blank of the lamellar graphite cast iron object is maintained at the graphitization temperature for a period of between 5 and 30 minutes, preferably 15 minutes,
  • a fourth stage (ED4) of ferritization during which the blank of the cast iron object is cooled slowly, at a speed less than 40°C/minute, within a temperature range between 700°C and 780°C;
  • a temporary refractory material or a temporary thermal insulator is deposited on the shaped surface before the step of pouring the liquid cast iron into the mold, and the heat treatment includes:
  • a first ferritization step consisting of cooling the blank of the object slowly, at a cooling rate of less than 40°C/minute, from an entry temperature into an oven, greater than or equal to 800° C up to an end of ferritization temperature below 740°C,
  • a third step consisting of heating the blank of the cast iron object to a relaxation temperature of between 600°C and 700°C, then maintaining the blank or the blank of the cast iron object at this temperature relaxation for a duration of between 10 minutes and 30 minutes.
  • Figure 1 is a schematic view of a first embodiment of an installation for manufacturing a piping element forming a tubular object according to the invention
  • FIG 2 is a time/temperature diagram showing the different stages of the heat treatment of the blank of the tubular object according to the invention manufactured by the installation of Figure 1;
  • FIG 3 is a schematic view of a second embodiment of an installation for manufacturing a piping element corresponding to a tubular object according to the invention
  • Figure 4 is a time/temperature diagram showing the different stages of the heat treatment of the blank of the tubular object manufactured by the installation of Figure 3;
  • Figure 5 is an image of a structure of a tubular object made of lamellar graphite cast iron from the state of the art close to the surface of the object on the mold side;
  • Figure 6 is an image of the structure of the tubular object in lamellar graphite cast iron of Figure 5 close to the surface of the object on the side opposite the mold;
  • Figure 7 is an image of a structure of a tubular object made of lamellar graphite cast iron according to the invention, the image corresponding to that of Figure 5;
  • Figure 8 is an image of the structure of the tubular lamellar graphite cast iron object of Figure 7, the image corresponding to that of Figure 6.
  • the term "rare earth” includes one or more elements from the list consisting of: lanthanum, cerium, praseodymium, neodymium, promethium, samarium, europium, gadolinium, terbium, dysprosium, holmium, erbium, thulium, ytterbium, lutetium, yttrium and scandium.
  • Figure 1 shows an installation for manufacturing a lamellar graphite cast iron pipe according to a first embodiment of the invention, designated by the general reference 2.
  • the installation 2 comprises a feed bag 4, a pouring device 6, a pouring channel 8, an inoculation device 9, a rotating mold 10, a cooling device 12 and an extraction device 14.
  • the installation 2 is used to manufacture piping elements 15, such as pipes, by centrifugation.
  • the pipe element 15 forms a tubular object or a basic body 16 made of lamellar graphite cast iron.
  • the feed bag 4 is a crucible made of refractory material containing liquid metal, such as cast iron.
  • the pouring device 6 also called “basket”, has a volume corresponding to the quantity of liquid metal necessary to manufacture one or more base bodies 16.
  • the pouring device 6 can be inclined into a position for pouring the liquid metal into the channel casting 8.
  • the pouring channel 8 conducts the liquid metal from the pouring device 6 to the mold 10. It comprises an inlet 20 located near the pouring device 6 and an outlet 22 extending into the mold 10.
  • the pouring channel 8 is inclined relative to the horizontal so that the outlet 22 is located lower than the inlet 20, thus allowing the liquid cast iron to flow by gravity.
  • the rotating mold 10, also called “shell”, has a shape with symmetry of revolution, in the present example generally cylindrical, of axis XX, inclined relative to the horizontal such that it is parallel to the channel of casting 8. In what follows the expressions “axially” and “radially” will be used in reference to this axis XX.
  • the mold 10 has an interior surface 24 of shape which is the negative surface of the base body 16, as well as a cylindrical exterior surface 26.
  • the interior surface 24 is provided with a controlled roughness called "peening", making it possible to drive the liquid metal rotating during its pouring into the mold 10.
  • the mold 10 includes a spigot end 28, which faces the inlet 20, and a spigot end 30, which faces away from the inlet 20 and which is provided with a core (not shown).
  • the spigot end 28 forms the spigot end of the base body 16, while the socket end 30 forms the socket end of the base body 16.
  • the mold 10 can be rotated around the axis XX. Furthermore, the mold 10 can be driven in translation along the axis , in which the outlet 22 is opposite the spigot end 28.
  • the cooling device 12 comprises a watering means which is adapted to project cooling liquid, for example water, onto the exterior surface 26 of the mold 10.
  • the cooling device may comprise a means cooling other than a means of watering the exterior surface of the mold, such as for example a water casing enveloping the exterior surface of the mold.
  • the extraction device 14 is adapted to extract axially from the mold 10 the basic body blank 16 obtained following the pouring of the liquid metal into the mold.
  • the pouring 6, cooling 12 and extraction 14 devices, the feed ladle 4 as well as the pouring channel 8 are known per se and are not described in more detail.
  • the mold 10 is for example entirely made of forged steel.
  • the installation also includes a heat treatment oven 40.
  • the manufacture of the tubular object or the base body 16 according to the invention using installation 2 is carried out as follows.
  • the manufacturing process implemented is a process having the characteristics of the manufacturing process called “DeLavaud”.
  • Liquid cast iron is introduced into the feed ladle 4.
  • the liquid cast iron in the ladle 4 is such that the tubular object or basic body 16 obtained with the method of manufacture according to the invention has the chemical composition defined below.
  • Establishing the final silicon content of the tubular object or the base body 16 can be done before the casting step in the mold 10, by adding materials containing silicon, in particular FeSi alloys.
  • the possible silicon contributions resulting from inoculation treatments using silicon-based agents can be taken into account to determine the quantity of silicon to be added to the liquid metal to obtain a tubular object or base body 16 having a compliant silicon content. to the invention.
  • the establishment of the final silicon content of the tubular object or the base body 16, made before the casting step in the mold 10, can be carried out by adding to the cast iron a silicon content equal to that of the object minus the content provided by the inoculation.
  • an inoculant is added to the cast iron.
  • a so-called “late” inoculation step is implemented by adding the inoculant at least partly into the mold.
  • the quantity of silicon added by the inoculant is between 0.1 and 0.4% of the mass of the cast product.
  • the silicon content added at this inoculation step corresponds to the final silicon content of the lamellar graphite cast iron minus the silicon content of the cast iron present in the ladle or in the pouring device 6.
  • an increase in the silicon content of the lamellar graphite cast iron according to the invention should not be obtained by increasing the quantity of silicon-based inoculating agent.
  • the silicon content in the cast iron of the tubular object provided by the inoculation agent is between 0.1% and 0.4%.
  • Liquid cast iron corresponding to the quantity of cast iron necessary for the base body 16, is introduced into the pouring device 6 via the feed pocket 4.
  • the mold 10 is rotated around the axis XX and it is brought into its starting position of casting.
  • liquid cast iron is poured from the pouring device 6 into the pouring channel 8, flows along it and is poured into the mold 10 at the socket end 30.
  • the mold 10 is brought to its end of casting position while the liquid cast iron is gradually poured onto the interior surface 24 of the mold and, before the liquid cast iron comes into contact with the interior surface 24, the device inoculation agent 9 deposits an inoculating agent, for example a powder based on FeSi, on the interior surface 24 of the mold 10.
  • an inoculating agent for example a powder based on FeSi
  • the inoculating agent contains silicon, it is necessary to take this into account for the establishment of the final silicon content of the tubular object or base body 16 molded.
  • the inoculating agent can be introduced entirely into the ladle or into the jet of cast iron poured into the pouring channel, even if this method of inoculation is not preferred.
  • the interior surface 24 of the mold 10 is not covered with other materials and is in particular devoid of any temporary thermal insulator or temporary refractory material as used during the casting process called “Wetspray” (see also below regarding the installation of Figure 3).
  • the mold 10 is cooled by the cooling device 12.
  • the liquid cast iron in the mold 10 is pressed against the inner surface 24 by centrifugation, solidifies and forms a blank 161 of the base body 16. Instead of the blank 161, a semi-finished product can be produced.
  • the blank 161 of the base body 16 is extracted from the mold 10 by the extraction device 14.
  • the blank 161 of the base body 16 is subjected to a heat treatment, which will be described in more detail below and, at the end of the heat treatment, the base body 16 is obtained.
  • the contents are indicated each time in % by weight.
  • this indication also corresponds to the same content to two digits.
  • the indication of a content value of 3.7% corresponds to the content value of 3.7% and to the content value of 3.70%.
  • composition of the lamellar graphite cast iron used for the manufacturing process and therefore the composition of the base body 16 comprises, in % by weight, Carbon (C) at a content less than or equal to 3.7%, and Silicon (Si) at a content between 2.0 inclusive and 3.9% inclusive.
  • composition of lamellar graphite cast iron also includes, in % by weight, Phosphorus (P) between 0.05% inclusive and 0.2% inclusive.
  • Lamellar graphite cast iron may also include, in % by weight, the following elements:
  • Mo Molybdenum
  • V Vanadium
  • Titanium (Ti) ⁇ 0.065%.
  • the rest of the lamellar graphite cast iron is iron (Fe), and residual elements due to the production of the cast iron at contents less than 0.01% and unavoidable impurities at contents less than 0.01%.
  • flake graphite cast iron can consist of the elements listed previously.
  • the composition of lamellar graphite cast iron does not include Aluminum (Al), apart from the Aluminum possibly provided by the inoculation [see below], therefore the Al content is less than 0, 01%, preferably less than 0.005%.
  • the composition of lamellar graphite cast iron does not include Magnesium (Mg), therefore the Mg content is less than 0.01%, preferably less than 0.005%.
  • the silicon (Si) content of the lamellar graphite cast iron is preferably between 2.8% inclusive and 3.9% inclusive, in particular between 3.1% inclusive and 3.9% inclusive, and in particular between 3.3% inclusive and 3.7% inclusive.
  • Figure 2 is shown the time/temperature diagram during the heat treatment of the blank of the base body 16 or more generally of a blank of the cast iron tubular object manufactured by the installation 2 of Figure 1 according to the “DeLavaud” manufacturing process. Subsequently, the terms “basic body 16” and “cast iron tubular object” will be used synonymously.
  • This “De Lavaud” manufacturing process includes a step consisting of pouring liquid cast iron into mold 10 and allowing the liquid cast iron to solidify while obtaining the blank of the tubular object in lamellar graphite cast iron; then the blank of the cast iron object is subjected to heat treatment.
  • the liquid cast iron is poured into the mold 10, the shaped interior surface 24 of which is devoid of temporary thermal insulation or temporary refractory material deposited on the interior surface 24.
  • the blank of the base body is at a temperature generally between 900°C and 1000°C, and in particular equal to approximately 950°C.
  • HAS the entrance to the heat treatment oven 40 the blank of the base body is at a temperature generally between 550°C and 650°C, in particular at a temperature of approximately 600°C, forming the starting temperature of the treatment thermal in the oven.
  • a second heat treatment step ED2 the blank of the tubular cast iron object is maintained at the graphitization temperature which in the present case is equal to approximately 950°C.
  • the second heat treatment step ED2 has a duration of between 5 minutes and 30 minutes, and in this case has a duration of 15 minutes.
  • the cementite is dissolved and transformed into austenite and graphite.
  • a third heat treatment step ED3 namely a cooling step, is implemented.
  • the temperature is lowered, starting from the graphitization temperature, to a ferritization start temperature of between 880°C and 750°C, in this case equal to approximately 800°C.
  • the temperature reduction during step ED3 is carried out over a period of time less than 7 minutes, and for example between 4 and 7 minutes excluded, preferably less than or equal to 6 minutes.
  • a fourth heat treatment step ED4 which is a ferritization step
  • the blank of the tubular cast iron object is cooled slowly, that is to say at a cooling rate of less than 40°C/ minute, preferably between 20°C/minute and 5°C/minute, within a temperature range between 700°C and 780°C.
  • austenite is transformed into ferrite and graphite.
  • a fifth step ED5 the blank of the tubular cast iron object is cooled from the end of ferritization temperature to a temperature below 100°C, and in particular to the ambient air temperature of 20°C. .
  • the inoculating agent or inoculant used in the context of the invention is a ferroalloy based on silicon, the silicon being at a content of at least 60% inclusive and at most 80% inclusive, in particular between 62 .0% inclusive and 69.0% inclusive, or between 68.0% inclusive and 70.0% inclusive or between 70.0% inclusive and 76.0% inclusive, and the inoculating agent or inoculant may comprise, in % inclusive by weight, one or more of the following elements, the values indicated being preferably included each time:
  • - Calcium (Ca) at least 0.5% inclusive and at most 2.1% inclusive, in particular between 1.2% inclusive and 2.1% inclusive, or between 0.6% inclusive and 1.9% inclusive or between 0.75% included and 1.25% included;
  • Aluminum (Al) at least 0.5% inclusive and at most 1.3% inclusive, in particular between 0.5% inclusive and 1.0% inclusive, or between 0.55 and 1.3% inclusive or between 0, 75% inclusive and 1.25% inclusive;
  • Manganese (Mn) ⁇ 3.5% inclusive, notably between 2.5% inclusive and 3.5% inclusive;
  • the inoculant is a ferroalloy based on silicon and comprises calcium and the elements of at least one of the two groups consisting on the one hand of Zr, Mn and Ba and on the other hand of Ce and Bi, in the content ranges mentioned above.
  • composition of the inoculants are indicated in the following Table 3 (% by weight, the remainder being iron):
  • the resulting flake graphite cast iron contains residual elements which include Calcium (Ca) and Aluminum (Al).
  • the content of the lamellar graphite cast iron of these residual elements Calcium (Ca) and/or Aluminum (Al) is in particular greater than 0.0% (ie not zero).
  • the residual elements may also include one or more of the elements taken from the list consisting of: Zirconium (Zr), Manganese (Mn) and Barium (Ba).
  • the content of the lamellar graphite cast iron of these residual elements Zirconium (Zr), Manganese (Mn) and/or Barium (Ba) is in particular greater than 0.0% (ie not zero).
  • the residual elements may also include one or more of the elements taken from the list consisting of in at least one rare earth, in particular cerium (Ce) and Bismuth (Bi).
  • the content of the lamellar graphite cast iron of these residual elements consisting of a rare earth, in particular cerium (Ce) and/or Bismuth (Bi), is in particular greater than 0.0% (ie not zero).
  • the lamellar graphite cast iron thus obtained has a tensile strength Rm greater than 200 MPa, preferably a tensile strength Rm greater than 340 MPa and in particular greater than 380 MPa.
  • the lamellar graphite cast iron thus obtained has a crushing strength Re greater than 350 MPa, preferably greater than 490 MPa and in particular greater than 520 MPa.
  • the lamellar graphite cast iron of the tubular object according to the invention has a Brinell HB hardness less than or equal to 260HB, and in particular less than or equal to 230 HB.
  • Lamellar graphite cast iron advantageously has an impact resistance according to standard NF A 48-730 of between 1.30 m inclusive and 2.00 m inclusive. Although this NF A 48-730 standard is generally no longer applied, it makes it possible to define the impact resistance of a lamellar cast iron object.
  • the pipe element 15 or the base body 16 has an outer diameter DE and a wall thickness e.
  • the pipe element 15 or the base body 16 also has a nominal diameter DN.
  • the nominal diameter DN is for example less than or equal to 400 mm or less than or equal to 300.
  • the nominal diameter DN is greater than or equal to 100 mm.
  • the objects or pipes manufactured by the installations 2 or processes according to the invention comprise a specific wall thickness e as a function of the external diameter DE.
  • These objects or pipes can have a relative mass MRL per cylindrical section one meter (1000mm) long which is a function of the external diameter DE and the wall thickness e.
  • the relationship between the outer diameter DE and the wall thickness e is shown in the following table 4.
  • the MRL relative masses were calculated considering that the density of the tubular objects according to the invention is 7.15 kg/dm 3 . For information purposes, the associated nominal diameter is also indicated. [Table 4]
  • the wall thicknesses for each outer diameter are generally between the minimum stated wall thickness inclusive and the maximum stated thickness inclusive. Likewise, the limit values between which the MRL masses of the linear cylindrical sections are located are each time included for each of the external diameters in table 4.
  • the values above can be considered exclusively on the current part, therefore excluding ends provided with a chamfer.
  • the above values can be considered exclusively on the current part, excluding the ends of the fitting.
  • the current part is therefore the part of a tubular object excluding the interlocking end.
  • the current part can therefore be the part in the shape of a hollow cylinder.
  • the wall thicknesses can also be located in each case between the minimum indicated wall thickness inclusive and the maximum indicated wall thickness excluded.
  • the wall thicknesses for the aforementioned tubular objects are in the ranges of the following table 5, in which the maximum wall thickness is reduced compared to the aforementioned table: [Table 5]
  • Pipe 1 is a comparative cast iron pipe with lamellar graphite which is not according to the invention and which has a standard thickness of 3.8mm.
  • Pipes 2 to 4 have a thickness of 2.7mm and were manufactured according to the invention.
  • Table 7 indicates certain mechanical properties measured on the pipes thus obtained.
  • FIG 3 is shown a second embodiment of a manufacturing installation 2 according to the invention.
  • Installation 2 and the method of manufacturing the piping element according to this second embodiment differ from the installation and the method described above only in what follows. Similar elements bear the same references.
  • Installation 2 includes a device (not shown) for applying a refractory material. This device is adapted to deposit a layer of a temporary refractory material 50 on the interior surface 24 of the mold 10.
  • the temporary refractory material 50 is known per se and is for example a mixture of water, bentonite and silica-based refractory product.
  • the layer of temporary refractory material 50 reduces the cooling rate of the cast iron cast in the mold 10.
  • the temporary refractory material 50 is replaced by a temporary thermal insulating material.
  • the manufacturing process using installation 2 in Figure 3 is a “Wetspray” type manufacturing process. This process is as follows.
  • the temporary refractory material 50 is placed on the interior surface 24 and forms a layer of temporary refractory material.
  • the next step is to pour the liquid cast iron onto the layer of temporary refractory material.
  • Lamellar graphite cast iron has an essentially ferritic matrix with a low pearlite content, in particular less than or equal to 10%, in particular when the Si content is greater than 3.1%.
  • FIG 4 is shown the temperature/time diagram during the heat treatment of the blank of the base body 16 or more generally of a blank of the tubular cast iron object manufactured according to the “Wetspray” process by installation 2 according to the second embodiment shown in Figure 3.
  • the blank of the base body 16 or of the cast iron tubular object undergoes heat treatment.
  • the blank of the base body or the object is introduced into an oven at an inlet temperature above 800°C and, in a first heat treatment step EW1, is cooled at a cooling rate less than 40°C/minute until an end of ferritization temperature less than 740°C and preferably between 700°C and 740°C.
  • This first step EW1 is a ferritization step during which the austenite is transformed into ferrite and graphite.
  • the blank of the base body or the cast iron tubular object is cooled from the end temperature.
  • ferritization up to a temperature below 100°C, and preferably between 20°C and 100°C excluded.
  • This cooling takes place in air, that is to say at a speed between 30°C/min and 70°C/min and preferably between 40°C/min and 60°C/min and in particular at approximately 50°C/min.
  • the air temperature during this cooling is between 10°C and 40°C.
  • a relaxation heat treatment intended to relax the internal stresses initially present in the cast iron. This consists first of all in heating the blank of the base body 16 or the tubular cast iron object from the aforementioned temperature located between 20°C and 100°C to a relaxation temperature of between 600°C and 700°C, then maintaining the blank of the base body or the tubular cast iron object at this relaxation temperature for a period of between 10 minutes and 30 minutes.
  • a fourth step EW4 the blank of the base body 16 or the cast iron tubular object is cooled to room temperature (20°C).
  • the finished product after heat treatment has a remarkable structure, in particular with graphite particles at the outer edge that are more compact and richer in carbon.
  • the chemical composition particularly in combination with the relatively low wall thickness and the heat treatment applied at the mold outlet, makes it possible to obtain a significant gain in terms of quality, size and distribution of particles, in particular throughout the thickness. .
  • the aggregation of the graphite in a homogeneous manner across the thickness of the tubular cast iron object makes it possible to obtain a new microstructure never before observed for gray cast iron with lamellar graphite, particularly centrifuged.
  • Figure 5 shows a micrograph of a structure of a tubular object made of lamellar graphite cast iron of the state of the art close to the surface of the object on the mold side. We see that the graphite particles are relatively small and distributed regularly.
  • Figure 6 is a micrograph of the structure of the tubular lamellar graphite cast iron object of Figure 5 close to the surface of the object on the side opposite the mold. We see that the cast iron contains only a few graphite particles, which are also distributed irregularly.
  • Figure 7 is a micrograph of a structure of a tubular object made of lamellar graphite cast iron according to the invention, the image being taken close to the surface of the object on the mold side, therefore close to the exterior surface in the case of a pipe.
  • Figure 8 is a micrograph of the structure of the tubular object in lamellar graphite cast iron of Figure 7, the image being taken close to the surface of the object on the side opposite the mold, therefore close to the interior surface in the case of a pipe.
  • Lamellar graphite cast iron within the meaning of the present invention can thus comprise a more or less high level of form II and/or IV graphite as described in standard NF EN ISO 945-1.
  • the pipe element manufactured by the above methods may be a tubular element other than a socket pipe, for example a cylindrical tubular element.
  • the composition of the lamellar graphite cast iron according to the invention can also be used for the manufacture of foundry fittings.
  • the manufacturing process for such tubular objects consists of pouring liquid cast iron into a mold and inoculating it simultaneously. Then, after extraction from the mold and cooling to a temperature below 100°C, the blank of the cast iron object is subjected to a relaxation heat treatment. This consists first of all in heating the blank of the tubular object to a relaxation temperature greater than 400°C and preferably between 600°C and 700°C. Then, the blank of the cast iron tubular object is maintained at this relaxation temperature for a period of between approximately 10 minutes and 30 minutes. Finally, the blank of the tubular object is cooled to room temperature.
  • the cast iron obtained at the end of this heat treatment makes it possible to reduce the weight of the foundry fitting compared to known fittings while maintaining identical or even improved mechanical resistance, or, at the same weight, makes it possible to increase the mechanical performance. of the foundry connection.
  • the tubular object made of lamellar graphite cast iron according to the invention therefore makes it possible to obtain piping elements having low wall thicknesses for a given mechanical resistance or improved mechanical performance at similar wall thicknesses.
  • the tubular objects according to the invention have significant resistance to shock, traction and crushing for given dimensions. Manufacturing and use, including transportation and handling, are therefore economical.

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Abstract

La fonte à graphite lamellaire comprend, en % en poids, les éléments suivants : - Carbone (C) inférieur ou égal à 3,7%, - Silicium (Si) entre 2,0% inclus et 3,9% inclus - Phosphore (P) entre 0,05% inclus et 0,2% inclus, le reste étant du Fer (Fe), et des éléments résiduels dus à l'élaboration de la fonte et des impuretés inévitables. L'objet tubulaire a un diamètre extérieur (DE) et une épaisseur de paroi (e), l'épaisseur de paroi ayant, en fonction du diamètre extérieur, l'une des valeurs suivantes : Tableau (AA).

Description

TITRE : Objet tubulaire en fonte à graphite lamellaire, élément de tuyauterie et procédé de fabrication correspondants
La présente invention concerne un objet tubulaire en fonte à graphite lamellaire, en particulier fabriqué dans un moule.
Les tuyaux en fonte grise lamellaire actuels ont des propriétés mécaniques qui doivent répondre à la norme EN877.
Un alliage de fonte est connu par exemple de FR3060607A1. Cet alliage est cependant un alliage de fonte à graphite sphéroïdal et non pas un alliage de fonte grise lamellaire.
Par ailleurs, on connait des inoculants pour la fabrication d’objets en fonte. De tels inoculants sont par exemple décrits dans le document W00309314 qui divulgue un inoculant pour fonderie à base de Fe-Si-Bi-La ou dans W02004104252 qui divulgue des inoculants à base de Fe-Si + Bi + Ca + Al + des terres rares (majoritairement du La).
WO992991 1 décrit un inoculant pour de la fonte à graphite lamellaire ou sphéroïdal, comprenant du Si + (Ca et/ou Sr et/ou Ba) et optionnellement une terre rare à savoir Ce et/ou La, du Mg, de l’AI, du Mn et/ou du Ti et/ou du Zr. Cet inoculant contient cependant aussi de l’oxygène, sous forme d’oxydes métalliques, et du soufre, sous forme de sulfures métalliques. Le tableau 6 de ce document décrit un inoculant du commerce à base de FeSi + Ca + Ba [Test no. P.] et un inoculant du commerce à base de FeSi + Ca + Bi + terre rare [Test no. Q].
Les tuyaux en fonte à graphite lamellaire doivent avoir généralement une résistance à la traction supérieure ou égale à 200 MPa, une résistance à l’écrasement supérieure ou égale à 350 MPa et une dureté Brinell HB inférieure ou égale à 260.
Les tuyaux en fonte grise lamellaire connus ont des épaisseurs de parois minimum. Ces épaisseurs dépendent des diamètres nominaux des tuyaux. Ces caractéristiques permettent d’assurer les performances mécaniques demandées.
Les diamètres nominaux de ces tuyaux sont généralement compris entre 100 et 300 mm. Le tableau 1 suivant donne à titre d’exemple les caractéristiques des tuyaux connus : [Tableau 1 ]
Le but de l’invention est de pouvoir proposer un objet tubulaire, par exemple un tuyau ou un raccord tubulaire, possédant des dimensions données, qui soit léger pour ces dimensions données, et qui ait des propriétés mécaniques au moins conformes aux normes en vigueur.
Plus particulièrement, l’objet tubulaire selon l’invention permet un gain de poids avantageusement compris entre 15 et 35 % par rapport à un objet similaire de l’état de la technique. Ainsi, grâce au poids faible, l’installation et la manutention sont facilitées.
Les tuyaux en fonte grise lamellaire connus ont une épaisseur de paroi importante et nécessitent une consommation importante de matière première afin d’obtenir une résistance à l’écrasement donnée.
En particulier, un but de l’invention est de proposer des objets tubulaires, tels que des tuyaux en fonte, à résistance mécanique identique ou améliorée et à consommation de matière première faible. Le but de l’invention s’applique également à d’autres objets tubulaires en fonte à graphite lamellaire que des tuyaux, tels que des raccords tubulaires. L’invention cherche à réduire leur poids tout en conservant une résistance mécanique donnée.
A cet effet, l’invention a pour objet un objet tubulaire en fonte à graphite lamellaire, en particulier fabriqué dans un moule, la fonte à graphite lamellaire comprenant, en % en poids, les éléments suivants :
- Carbone (C) inférieur ou égal à 3,7%,
- Silicium (Si) entre 2,0% inclus et 3,9% inclus,
- Phosphore (P) entre 0,05% inclus et 0,2% inclus, optionnellement :
- Soufre (S) entre 0,10% inclus et 0,14% inclus, - Manganèse (Mn) < 0,7%,
- Chrome (Cr) < 0,15%,
- Nickel (Ni) < 0,5%,
- Molybdène (Mo) < 0,1%,
- Vanadium (V) < 0,5%,
- Cuivre (Cu) < 0,22%,
- Titane (Ti) < 0,065 %, le reste étant du Fer (Fe), et des éléments résiduels dus à l’élaboration de la fonte à des teneurs inférieures à 0,01% et des impuretés inévitables à des teneurs inférieures à 0,01%, et dans lequel l’objet tubulaire a un diamètre extérieur (DE) et une épaisseur de paroi (e), l’épaisseur de paroi ayant, en fonction du diamètre extérieur, l’une des valeurs suivantes :
[Tableau 2]
Selon des modes de réalisation particuliers, l’objet selon l’invention peut comporter l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- la teneur en Silicium (Si) de la fonte à graphite lamellaire est comprise entre 2,8% inclus et 3,9% inclus, et est de préférence comprise entre 3,1% inclus et 3,9 % inclus, et est en particulier comprise entre 3,3% inclus et 3,7% inclus ;
- soit l’objet est obtenu par un procédé de fabrication dans lequel une surface de forme est dépourvue d’isolant thermique temporaire ou de matériau réfractaire temporaire lorsqu’on fait couler la fonte liquide dans le moule, soit l’objet est obtenu par un procédé de fabrication dans lequel on dépose un matériau réfractaire temporaire ou un isolant thermique temporaire sur une surface de forme avant l’étape de faire couler la fonte liquide dans le moule ;
- la fonte à graphite lamellaire a une résistance à la traction Rm supérieure à 200 MPa, de préférence supérieure à 340 MPa et notamment supérieure à 380 MPa ; - la fonte à graphite lamellaire a une résistance à l’écrasement Re supérieure à 350 MPa, de préférence supérieure à 490 MPa et notamment supérieure à 520 MPa ;
- la fonte à graphite lamellaire a une dureté Brinell HB inférieure ou égale à 260HB, et notamment inférieure ou égale à 230HB ;
- la fonte à graphite lamellaire a une résistance aux chocs suivant la norme NF A 48-730 comprise entre 1 ,30m inclus et 2,00m inclus ;
- les éléments résiduels comprennent un ou plusieurs des éléments pris dans la liste consistant en du Calcium (Ca) et de l’Aluminium (Al) ;
- les éléments résiduels comprennent un ou plusieurs des éléments pris dans la liste consistant en : Zirconium (Zr), Manganèse (Mn) et Baryum (Ba) ; et
- les éléments résiduels comprennent un ou plusieurs des éléments pris dans la liste consistant en : au moins une terre rare, notamment le cérium (Ce) et le Bismuth (Bi).
L’invention a également pour objet un élément de tuyauterie comprenant un corps de base, caractérisé en ce que le corps de base est un objet tubulaire tel que défini ci- dessus.
Selon des modes de réalisation particuliers, l’élément de tuyauterie selon l’invention est soit un tuyau, notamment un tuyau comprenant deux bout unis ou comprenant un bout uni et un bout à emboîtement, soit un raccord tubulaire.
L’invention a également pour objet un procédé de fabrication d’un objet tubulaire tel que défini ci-dessus ou d’un élément de tuyauterie tel que défini ci-dessus, comprenant les étapes successives suivantes : a) on fait couler de la fonte liquide dans un moule ayant une surface de forme, b) on laisse solidifier la fonte liquide en obtenant une ébauche de l’objet, c) on fait subir à l’ébauche de l’objet un traitement thermique en obtenant l’objet en fonte (16), notamment
- un traitement de graphitisation,
- un traitement de ferritisation, ou
- un traitement de graphitisation suivi d’un traitement de ferritisation, et
- un traitement de relaxation.
Selon des modes de réalisation particuliers, le procédé de fabrication peut comprendre l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- avant l’étape de faire couler la fonte liquide dans le moule et/ou pendant l’étape de coulée de la fonte liquide dans le moule, on ajoute à la fonte un inoculant, la quantité de silicium ajoutée par l’inoculant est comprise entre 0,1 et 0,4 % de la masse du produit coulé, la teneur en silicium ajoutée à cette étape d’inoculation correspondant à la teneur en Silicium finale de la fonte à graphite lamellaire moins la teneur en silicium présente à la poche de coulée, et l’inoculant est un ferroalliage comprenant, en % en poids, du Silicium (Si) à une teneur d’au moins 60,0% inclus et d’au plus 80,0% inclus, notamment comprise entre 62,0% inclus et 69,0% inclus ou entre 68,0% inclus et 70,0% inclus, ou encore à une teneur comprise entre 70,0% inclus et 76,0% inclus, et un ou plusieurs des éléments suivants:
. Calcium (Ca) au moins 0,5% inclus et au plus 2,1% inclus, notamment entre 1 ,2% inclus et 2,1% inclus, entre 0,6% inclus et 1 ,9% inclus ou entre 0,75% inclus et 1 ,25% inclus,
. Aluminium (Al) au moins 0,5% inclus et au plus 1 ,3% inclus, notamment entre 0,5% inclus et 1 ,0% inclus, entre 0,55% inclus et 1 ,3% inclus ou entre 0,75% inclus et 1 ,25% inclus,
. Zirconium (Zi) < 4,5%, notamment entre 2,8% inclus et 4,5% inclus,
. Manganèse (Mn) < 3,5%, notamment entre 2,5% inclus et 3,5% inclus,
. Baryum (Ba) < 5,0%, notamment entre 3,0% inclus et 5,0% inclus,
. Cérium (Ce) < 2,0%, notamment entre 1 ,5% inclus et 2,0% inclus,
. Bismuth (Bi) < 1 ,3%, notamment entre 0,8% inclus et 1 ,3% inclus, le reste étant du fer (Fe).
- l’inoculant est un ferroalliage ayant, en % en poids, l’une des compositions suivantes : a) du Silicium (Si) entre 68,0% inclus et 70,0% inclus, du Calcium (Ca) entre 1 ,2% inclus et 2,1 % inclus, et de l’Aluminium (Al) entre 0,5% inclus et 1 ,0% inclus, le reste étant du fer (Fe) ; b) du Silicium (Si) entre 62,0% inclus et 69,0% inclus, du Calcium (Ca) entre 0,6% inclus et 1 ,9% inclus, de l’Aluminium (Al) entre 0,55% inclus et 1 ,3% inclus, du Zirconium (Zi) entre 2,8% inclus et 4,5% inclus, du Manganèse (Mn) entre 2,5% inclus et 3,5% inclus, du Baryum (Ba) entre 3,0% inclus et 5,0% inclus, le reste étant du fer (Fe) ; c) du Silicium (Si) entre 70,0% inclus et 76,0% inclus, du Calcium (Ca) entre 0,75% inclus et 1 ,25% inclus, de l’Aluminium (Al) entre 0,75% inclus et 1 ,25% inclus, du Cérium (Ce) entre 1 ,5% inclus et 2,0% inclus, du Bismuth (Bi) entre 0,8% inclus et 1 ,3% inclus, le reste étant du fer (Fe) ;
- la surface de forme est dépourvue d’isolant thermique temporaire ou de matériau réfractaire temporaire lorsqu’on fait couler la fonte liquide dans le moule, et le traitement thermique comprend :
. une première étape (ED1) de chauffage de l’ébauche de l’objet pendant une durée comprise entre 2 et 10 minutes jusqu’à atteindre une température de graphitisation supérieure à 800°C, et en particulier supérieure à 900°C, mais inférieure à 1000°C, cette première étape relaxant les contraintes internes présentes initialement dans la fonte,
. une deuxième étape (ED2) de graphitisation durant laquelle l’ébauche de l’objet en fonte à graphite lamellaire est maintenu à la température de graphitisation pendant une durée comprise entre 5 et 30 minutes, de préférence 15 minutes,
. une troisième étape (ED3) de refroidissement jusqu’à une température comprise entre 880°C et 750°C, de préférence jusqu’à 800°C, d’une durée inférieure à 7 minutes, et
. une quatrième étape (ED4) de ferritisation durant laquelle l’ébauche de l’objet en fonte est refroidi lentement, à une vitesse inférieure à 40°C/minute, à l’intérieur d’une plage de température comprise entre 700°C et 780°C ;
- on dépose un matériau réfractaire temporaire ou un isolant thermique temporaire sur la surface de forme avant l’étape de faire couler la fonte liquide dans le moule, et le traitement thermique comprend:
. une première étape (EW1) de ferritisation consistant à refroidir l’ébauche de l’objet lentement, à une vitesse de refroidissement inférieure à 40°C/minute, d’une température d’entrée dans un four, supérieure ou égale à 800°C jusqu’à une température de fin de ferritisation inférieure à 740°C,
. une deuxième étape (EW2) de refroidissement à l’air jusqu’à une température inférieure à 100°C, et
. une troisième étape (EW3) consistant à chauffer l’ébauche de l’objet en fonte à une température de relaxation comprise entre 600°C et 700°C, puis de maintenir le ou l’ébauche de l’objet en fonte à cette température de relaxation pendant une durée comprise entre 10 minutes et 30 minutes.
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels :
[Fig 1 ] La figure 1 est une vue schématique d’un premier mode de réalisation d’une installation de fabrication d’un élément de tuyauterie formant un objet tubulaire selon l’invention ;
[Fig 2] La figure 2 est un diagramme temps/température montrant les différentes étapes du traitement thermique de l’ébauche de l’objet tubulaire selon l’invention fabriquée par l’installation de la figure 1 ;
[Fig 3] La figure 3 est une vue schématique d’un second mode de réalisation d’une installation de fabrication d’un élément de tuyauterie correspondant à un objet tubulaire selon l’invention ; [Fig 4] La figure 4 est un diagramme temps/température montrant les différentes étapes du traitement thermique de l’ébauche de l’objet tubulaire fabriquée par l’installation de la figure 3 ;
[Fig 5] La figure 5 est une image d’une structure d’un objet tubulaire en fonte à graphite lamellaire de l’état de la technique proche de la surface de l’objet côté moule ;
[Fig 6] La figure 6 est une image de la structure de l’objet tubulaire en fonte à graphite lamellaire de la Figure 5 proche de la surface de l’objet côté opposé au moule ;
[Fig 7] La figure 7 est une image d’une structure d’un objet tubulaire en fonte à graphite lamellaire selon l’invention, l’image correspondant à celle de la Figure 5; et
[Fig 8] La figure 8 est une image de la structure de l’objet tubulaire en fonte à graphite lamellaire de la Figure 7, l’image correspondant à celle de la Figure 6.
A titre liminaire, le terme « terre rare » comprend un ou plusieurs éléments de la liste consistant en : le lanthane, le cérium, le praséodyme, le néodyme, le prométhium, le samarium, l’europium, le gadolinium, le terbium, le dysprosium, l’holmium, l’erbium, le thulium, l’ytterbium, le lutécium, l'yttrium et le scandium.
Sur la Figure 1 est représentée une installation de fabrication d’un tuyau en fonte à graphite lamellaire selon un premier mode de réalisation de l’invention, désignée par la référence générale 2.
L'installation 2 comprend une poche d’alimentation 4, un dispositif verseur 6, un canal de coulée 8, un dispositif d’inoculation 9, un moule rotatif 10, un dispositif de refroidissement 12 et un dispositif 14 d'extraction.
L'installation 2 sert à fabriquer par centrifugation des éléments de tuyauterie 15, tels que des tuyaux. L’élément de tuyauterie 15 forme un objet tubulaire ou un corps de base 16 en fonte à graphite lamellaire.
La poche d’alimentation 4 est un creuset en matière réfractaire contenant du métal liquide, tel que de la fonte.
Le dispositif verseur 6, également appelé "basket", a un volume correspondant à la quantité de métal liquide nécessaire pour fabriquer un ou plusieurs corps de base 16. Le dispositif verseur 6 peut être incliné dans une position de versement du métal liquide dans le canal de coulée 8.
Le canal de coulée 8 conduit le métal liquide du dispositif verseur 6 jusqu’au moule 10. Il comprend une entrée 20 située à proximité du dispositif verseur 6 et une sortie 22 s'étendant dans le moule 10. Le canal de coulée 8 est incliné par rapport à l'horizontale de telle sorte que la sortie 22 soit située plus bas que l'entrée 20, permettant ainsi à la fonte liquide de s'écouler par gravité. Le moule rotatif 10, également appelé "coquille", a une forme à symétrie de révolution, dans l’exemple présent généralement cylindrique, d'axe X-X, incliné par rapport à l'horizontale de telle sorte qu'il soit parallèle au canal de coulée 8. Dans ce qui suit les expressions "axialement" et "radialement" seront utilisées en référence à cet axe X-X. Le moule 10 a une surface intérieure 24 de forme qui est la surface négative du corps de base 16, ainsi qu'une surface extérieure cylindrique 26. La surface intérieure 24 est pourvue d’une rugosité contrôlée appelée "peening", permettant d’entraîner le métal liquide en rotation lors de sa coulée dans le moule 10.
Le moule 10 comprend une extrémité bout uni 28, tournée vers l'entrée 20, et une extrémité bout à emboîtement 30, qui est tournée à l'opposé de l'entrée 20 et qui est munie d’un noyau (non représenté). L’extrémité bout uni 28 forme le bout uni du corps de base 16, tandis que l’extrémité bout à emboîtement 30 forme le bout à emboîtement du corps de base 16.
Le moule 10 peut être entraîné en rotation autour de l'axe X-X. Par ailleurs, le moule 10 peut être entraîné en translation le long de l'axe X-X entre une position de début de coulée, dans laquelle la sortie 22 est en face de l'extrémité bout à emboîtement 30, et une position de fin de coulée, dans laquelle la sortie 22 est en face de l'extrémité bout uni 28.
Le dispositif de refroidissement 12 comprend un moyen d'arrosage qui est adapté pour projeter du liquide de refroidissement, par exemple de l'eau, sur la surface extérieure 26 du moule 10. En variante non représentée, le dispositif de refroidissement peut comprendre un moyen de refroidissement autre qu’un moyen d’arrosage de la surface extérieure du moule, comme par exemple un carter d’eau enveloppant la surface extérieure du moule.
Le dispositif d'extraction 14 est adapté pour extraire axialement du moule 10 l’ébauche de corps de base 16 obtenue à l’issue de la coulée du métal liquide dans le moule.
Les dispositifs verseur 6, de refroidissement 12 et d'extraction 14, la poche d’alimentation 4 ainsi que le canal de coulée 8 sont connus en soi et ne sont pas décrits plus en détail. Le moule 10 est par exemple entièrement en acier forgé.
L’installation comprend par ailleurs un four de traitement thermique 40.
La fabrication de l’objet tubulaire ou du corps de base 16 selon l'invention moyennant l'installation 2 est effectuée comme suit.
Le procédé de fabrication mis en œuvre est un procédé ayant les caractéristiques du procédé de fabrication appelé « DeLavaud ».
De la fonte liquide est introduite dans la poche d’alimentation 4. La fonte liquide dans la poche 4 est telle que l’objet tubulaire ou corps de base 16 obtenu avec le procédé de fabrication selon l’invention a la composition chimique définie ci-après. L’établissement de la teneur finale en Silicium de l’objet tubulaire ou du corps de base 16 peut être faite avant l’étape de coulée dans le moule 10, par des ajouts de matériaux contenant du silicium, notamment des alliages de FeSi. Les apports éventuels en silicium résultant de traitements d’inoculation utilisant des agents à base de silicium peuvent être pris en compte pour déterminer la quantité de silicium à ajouter au métal liquide pour obtenir un objet tubulaire ou corps de base 16 ayant une teneur en silicium conforme à l’invention.
Ainsi, l’établissement de la teneur finale en Silicium de l’objet tubulaire ou du corps de base 16, faite avant l’étape de coulée dans le moule 10, peut être effectué en ajoutant à la fonte une teneur en Silicium égale à celle de l’objet moins la teneur apportée par l’inoculation.
Avant l’étape de faire couler la fonte liquide dans le moule et/ou pendant l’étape de coulée de la fonte liquide dans le moule, on ajoute à la fonte un inoculant. Avantageusement, on met en œuvre une étape d’inoculation dite « tardive » en ajoutant l’inoculant au moins en partie dans le moule.
La quantité de silicium ajoutée par l’inoculant est comprise entre 0,1 et 0,4 % de la masse du produit coulé. La teneur en silicium ajoutée à cette étape d’inoculation correspond à la teneur en Silicium finale de la fonte à graphite lamellaire moins la teneur en silicium de la fonte présente à la poche de coulée ou dans le dispositif verseur 6.
Une augmentation de la teneur en silicium de la fonte à graphite lamellaire selon l’invention ne devrait pas être obtenue en augmentant la quantité d’agent d’inoculation à base de silicium. Ainsi, dans le cas du procédé DeLavaud, le taux de Silicium dans la fonte de l’objet tubulaire apporté par l’agent d’inoculation est compris entre 0,1 % et 0,4%.
De la fonte liquide, correspondant à la quantité de fonte nécessaire pour le corps de base 16, est introduite dans le dispositif verseur 6 par la poche d’alimentation 4.
Le moule 10 est entraîné en rotation autour de l'axe X-X et il est amené dans sa position de début de coulée.
Ensuite, la fonte liquide est versée du dispositif verseur 6 dans le canal de coulée 8, s'écoule le long de celui-ci et est versée dans le moule 10 à l'extrémité bout à emboîtement 30.
Successivement, le moule 10 est amené vers sa position de fin de coulée pendant que la fonte liquide est versée progressivement sur la surface intérieure 24 du moule et que, avant que la fonte liquide n’entre en contact avec la surface intérieure 24, le dispositif d’inoculation 9 dépose un agent d’inoculation, par exemple une poudre à base de FeSi, sur la surface intérieure 24 du moule 10. Comme l’agent d’inoculation contient du Silicium, il est nécessaire d’en tenir compte pour l’établissement de la teneur finale en silicium de l’objet tubulaire ou corps de base 16 moulé. En variante non représentée, l’agent d’inoculation peut être introduit en totalité dans la poche de coulée ou encore dans le jet de fonte déversé dans le canal de coulée, même si ce mode d’inoculation n’est pas privilégié.
Avant et pendant l’étape de la coulée, mis à part l’agent d’inoculation, la surface intérieure 24 du moule 10 n’est pas couverte d’autres matériaux et est en particulier dépourvue de tout isolant thermique temporaire ou matériau réfractaire temporaire tel qu’utilisé lors du procédé de coulée appelé « Wetspray » (voir aussi ci-après concernant l’installation de la Figure 3).
Pendant toute la durée de la coulée, le moule 10 est refroidi par le dispositif de refroidissement 12.
La fonte liquide se trouvant dans le moule 10 est pressée contre la surface intérieure 24 par centrifugation, se solidifie et forme une ébauche 161 du corps de base 16. Au lieu de l’ébauche 161 , un produit semi-fini peut être fabriqué.
Ensuite, l’ébauche 161 du corps de base 16 est extraite du moule 10 par le dispositif d’extraction 14.
Puis, l’ébauche 161 du corps de base 16 est soumise à un traitement thermique, qui sera décrit plus en détail ci-dessous et, à l’issue du traitement thermique, on obtient le corps de base 16.
Dans le contexte de la présente invention, les teneurs sont indiquées à chaque fois en % en poids. Lorsqu’une teneur est indiquée à un seul chiffre près après la virgule, cette indication correspond également à la même teneur à deux chiffres près. Par exemple, l’indication d’une valeur de teneur 3,7% correspond à la valeur de teneur de 3,7% et à la valeur de teneur de 3,70%.
La composition de la fonte à graphite lamellaire utilisée pour le procédé de fabrication et donc la composition du corps de base 16 comprend, en % en poids, du Carbone (C) à une teneur inférieure ou égale à 3,7%, et du Silicium (Si) à une teneur comprise entre 2,0 inclus et 3,9% inclus.
La composition de la fonte à graphite lamellaire comprend également, en % en poids, du Phosphore (P) entre 0,05% inclus et 0,2% inclus.
La fonte à graphite lamellaire peut comprendre également, en % en poids, les éléments suivants :
- Soufre (S) entre 0,10% inclus et 0,14% inclus,
- Manganèse (Mn) < 0,7%,
- Chrome (Cr) < 0,15,
- Nickel (Ni) < 0,5%,
- Molybdène (Mo) < 0,1%, - Vanadium (V) < 0,5%,
- Cuivre (Cu) < 0,22%, et/ou
- Titane (Ti) < 0,065 %.
Le reste de la fonte à graphite lamellaire est du Fer (Fe), et des éléments résiduels dus à l’élaboration de la fonte à des teneurs inférieures à 0,01 % et des impuretés inévitables à des teneurs inférieures à 0,01%.
En d’autres termes, la fonte à graphite lamellaire peut consister en les éléments énumérés précédemment.
En particulier, la composition de la fonte à graphite lamellaire ne comprend pas d’Aluminium (Al), mis à part l’Aluminium éventuellement apporté par l’inoculation [voir ci- après], donc le contenu en Al est inférieur à 0,01%, de préférence inférieur à 0,005%. De même, la composition de la fonte à graphite lamellaire ne comprend pas de Magnésium (Mg), donc le contenu en Mg est inférieur à 0,01%, de préférence inférieur à 0,005%.
La fonte à graphite lamellaire peut avoir un équivalent carbone CEQ = C (%) + 1/3 Si (%) + 1/3 P (%) inférieur ou égale à 4,75%. Ces % sont également indiqués en % en poids.
Par ailleurs, la fonte à graphite lamellaire peut avoir un équivalent carbone CEQ = C (%)+1/3 Si (%) + 1/3 P (%) inférieur ou égal à 4,7%, de préférence compris entre 4,2% inclus et 4,6% inclus, et notamment compris entre 4,2% inclus et 4,5% inclus et de préférence égal à 4,3%.
La teneur en silicium (Si) de la fonte à graphite lamellaire est de préférence comprise entre 2,8% inclus et 3,9% inclus, notamment comprise entre 3,1% inclus et 3,9% inclus, et en particulier comprise entre 3,3% inclus et 3,7% inclus.
Sur la figure 2 est représenté le diagramme temps/température lors du traitement thermique de l’ébauche du corps de base 16 ou plus généralement d’une ébauche de l’objet tubulaire en fonte fabriquée par l’installation 2 de la figure 1 selon le procédé de fabrication « DeLavaud ». Par la suite les termes « corps de base 16 » et « objet tubulaire en fonte » seront utilisés de manière synonyme.
Ce procédé de fabrication « De Lavaud » comprend une étape consistant à faire couler de la fonte liquide dans le moule 10 et à laisser solidifier la fonte liquide en obtenant l’ébauche de l’objet tubulaire en fonte à graphite lamellaire; ensuite on fait subir un traitement thermique à l’ébauche de l’objet en fonte. Selon le procédé DeLavaud, on fait couler la fonte liquide dans le moule 10 dont la surface intérieure de forme 24 est dépourvue d’isolant thermique temporaire ou de matériau réfractaire temporaire déposé sur la surface intérieure 24.
Après extraction du moule, l’ébauche du corps de base est à une température généralement comprise entre 900°C et 1000°C, et notamment égale à environ 950°C. A l’entrée du four de traitement thermique 40, l’ébauche du corps de base est à une température généralement comprise entre 550°C et 650°C, notamment à une température d’environ 600°C, formant la température de départ du traitement thermique dans le four.
Sur la figure 2 on voit ensuite qu’en partant de cette température de départ, l’ébauche de l’objet tubulaire en fonte est chauffée pendant une durée comprise entre 2 et 10 minutes lors d’une première étape de traitement thermique ED1 , jusqu’à atteindre une température de graphitisation supérieure à 800°C et en particulier supérieure à 900°C, mais inférieure à 1000°C. Cette première étape ED1 de montée en température permet de relaxer les contraintes internes présentes dans la fonte.
Ensuite, dans une deuxième étape de traitement thermique ED2, l’ébauche de l’objet tubulaire en fonte est maintenue à la température de graphitisation qui dans le cas présent est égale à 950°C environ. La deuxième étape de traitement thermique ED2 a une durée comprise entre 5 minutes et 30 minutes, et a en l’occurrence une durée de 15 minutes. Pendant cette deuxième étape, la cémentite est dissoute et transformée en austénite et en graphite.
Ensuite, une troisième étape de traitement thermique ED3, à savoir une étape de refroidissement, est mise en œuvre. Pendant cette étape, la température est baissée, en partant de la température de graphitisation, à une température de début de ferritisation comprise entre 880°C et 750°C, en l’occurrence égale à environ 800°C. L’abaissement de température pendant l’étape ED3 est effectué sur un laps de temps inférieur à 7 minutes, et par exemple compris entre 4 et 7 minutes exclus, de préférence inférieur ou égal à 6 minutes.
Puis, pendant une quatrième étape de traitement thermique ED4, qui est une étape de ferritisation, l’ébauche de l’objet tubulaire en fonte est refroidie lentement, c’est-à-dire à une vitesse de refroidissement inférieure à 40°C/minute, de préférence comprise entre 20°C/minute et 5°C/minute, à l’intérieur d’une plage de températures comprises entre 700°C et 780°C. Pendant cette quatrième étape, l’austénite est transformée en ferrite et en graphite.
Ensuite, pendant une cinquième étape ED5, l’ébauche de l’objet tubulaire en fonte est refroidie de la température de fin de ferritisation à une température inférieure à 100°C, et notamment à la température de l’air ambiant de 20°C.
Ainsi, on obtient l’objet tubulaire ou le corps de base 16.
L’agent d’inoculation ou inoculant utilisé dans le cadre de l’invention est un ferroalliage à base de silicium, le silicium étant à une teneur d’au moins 60% inclus et d’au plus 80% inclus, notamment comprise entre 62,0% inclus et 69,0% inclus, ou entre 68,0% inclus et 70,0% inclus ou encore entre 70,0% inclus et 76,0% inclus, et l’agent d’inoculation ou inoculant peut comprendre, en % inclus en poids, un ou plusieurs des éléments suivants, les valeurs indiquées étant de préférence à chaque fois incluses :
- Calcium (Ca) au moins 0,5% inclus et au plus 2,1 % inclus, notamment entre 1 ,2% inclus et 2,1% inclus, ou entre 0,6% inclus et 1 ,9% inclus ou entre 0,75% inclus et 1 ,25% inclus ;
- Aluminium (Al) au moins 0,5% inclus et au plus 1 ,3% inclus, notamment entre 0,5% inclus et 1 ,0% inclus, ou entre 0,55 et 1 ,3% inclus ou entre 0,75% inclus et 1 ,25% inclus ;
- Zirconium (Zi) < 4,5% inclus, notamment entre 2,8% inclus et 4,5% inclus ;
- Manganèse (Mn) < 3,5% inclus, notamment entre 2,5% inclus et 3,5% inclus ;
- Baryum (Ba) < 5,0% inclus, notamment entre 3,0% inclus et 5,0% inclus ;
- Cérium (Ce) < 2,0% inclus, notamment entre 1 ,5% inclus et 2,0% inclus ;
- Bismuth (Bi) < 1 ,3% inclus, notamment entre 0,8% inclus et 1 ,3% inclus ; le reste de l’inoculant étant du fer (Fe).
Avantageusement, l’inoculant est un ferroalliage à base de silicium et comprend du calcium et les éléments d’au moins l’un des deux groupes consistant d’une part en Zr, Mn et Ba et d’autre part en Ce et Bi, dans les plages de teneurs mentionnées ci-dessus.
Des exemples de composition des inoculants sont indiqués dans le tableau 3 suivant (% en poids, le reste étant du fer) :
[Tableau 3]
En utilisant l’agent d’inoculation du tableau 3 ci-dessus, la fonte à graphite lamellaire obtenue contient des éléments résiduels qui comprennent du Calcium (Ca) et de l’Aluminium (Al). Le contenu de la fonte à graphite lamellaire de ces éléments résiduels Calcium (Ca) et/ou Aluminium (Al) est en particulier supérieur à 0,0% (i.e. non nul). Les éléments résiduels peuvent également comprendre un ou plusieurs des éléments pris dans la liste consistant en : Zirconium (Zr), Manganèse (Mn) et Baryum (Ba). Le contenu de la fonte à graphite lamellaire de ces éléments résiduels Zirconium (Zr), Manganèse (Mn) et/ou Baryum (Ba) est en particulier supérieur à 0,0% (i.e. non nul). Les éléments résiduels peuvent également comprendre un ou plusieurs des éléments pris dans la liste consistant en au moins une terre rare, notamment le cérium (Ce) et le Bismuth (Bi). Le contenu de la fonte à graphite lamellaire de ces éléments résiduels consistant en une terre rare, notamment le cérium (Ce) et/ou le Bismuth (Bi), est en particulier supérieur à 0,0% (i.e. non nul).
La fonte à graphite lamellaire ainsi obtenue a une résistance à la traction Rm supérieure à 200 MPa, de préférence une résistance à la traction Rm supérieure à 340 MPa et notamment supérieure à 380 MPa.
La fonte à graphite lamellaire ainsi obtenue a une résistance à l’écrasement Re supérieure à 350 MPa, de préférence supérieure à 490 MPa et notamment supérieure à 520 MPa.
En outre, la fonte à graphite lamellaire de l’objet tubulaire selon l’invention a une dureté Brinell HB inférieure ou égale à 260HB, et notamment inférieure ou égale à 230 HB.
La fonte à graphite lamellaire a avantageusement une résistance aux chocs suivant la norme NF A 48-730 comprise entre 1 ,30 m inclus et 2,00 m inclus. Bien que cette norme NF A 48-730 ne soit généralement plus appliquée, elle permet de définir la résistance aux chocs d’un objet en fonte lamellaire.
En se référant à nouveau à la figure 1 , l’élément de tuyauterie 15 ou le corps de base 16 a un diamètre extérieur DE et une épaisseur de paroi e. L’élément de tuyauterie 15 ou le corps de base 16 a également un diamètre nominal DN. Le diamètre nominal DN est par exemple inférieur ou égal à 400 mm ou inférieur ou égal à 300. Le diamètre nominal DN est supérieur ou égal à 100mm.
Les objets ou tuyaux fabriqués par les installations 2 ou procédés selon l’invention comprennent une épaisseur de paroi e spécifique en fonction du diamètre extérieur DE. Ces objets ou tuyaux peuvent avoir une masse relative MRL par tronçon cylindrique d’un mètre (1000mm) de long qui est fonction du diamètre extérieur DE et de l’épaisseur de paroi e. La relation entre le diamètre extérieur DE et l’épaisseur de paroi e est indiquée dans le tableau 4 suivant. Les masses relatives MRL ont été calculées en considérant que la masse volumique des objets tubulaires selon l’invention est de 7,15 kg/dm3. A titre indicatif le diamètre nominal associé est également indiqué. [Tableau 4]
Les épaisseurs de paroi pour chaque diamètre extérieur sont généralement situées à chaque fois entre l’épaisseur de paroi minimum indiquée incluse et l’épaisseur maximum indiquée incluse. De même, les valeurs limites entre lesquelles se situent les masses MRL des tronçons cylindriques linéaires sont à chaque fois incluses pour chacun des diamètres extérieurs du tableau 4.
On comprend que pour un tuyau à bout à emboitement, les valeurs de l’épaisseur de paroi et/ou de masse relative par rapport à la longueur MRL sont considérées exclusivement sur la partie courante strictement cylindrique et donc hors bout à emboitement.
Pour un tuyau comprenant deux bouts unis, les valeurs ci-dessus peuvent être considérées exclusivement sur la partie courante, donc hors extrémités pourvues d’un chanfrein. Pour un raccord tubulaire, les valeurs ci-dessus peuvent être considérées exclusivement sur la partie courante, hors extrémités du raccord.
La partie courante est donc la partie d’un objet tubulaire hors bout à emboitement. La partie courante peut donc être la partie à forme de cylindre creux.
Les épaisseurs de paroi peuvent également être situées à chaque fois entre l’épaisseur de paroi minimum indiquée incluse et l’épaisseur de paroi maximum indiquée exclue.
En variante, les épaisseurs de paroi pour les objets tubulaires précités se trouvent dans les plages du tableau 5 suivant, dans lesquelles l’épaisseur de paroi maximum est réduite par rapport au tableau précité : [Tableau 5]
Les essais suivants ont été réalisés sur des tuyaux DN125 en fonte à graphite lamellaire ayant les compositions indiquées dans le tableau 6 suivant : [Tableau 6]
Le tuyau 1 est un tuyau comparatif en fonte à graphite lamellaire qui n’est pas selon l’invention et qui a une épaisseur standard de 3,8mm. Les tuyaux 2 à 4 ont une épaisseur de 2,7mm et ont été fabriqués selon l’invention. Le tableau 7 suivant indique certaines propriétés mécaniques mesurées sur les tuyaux ainsi obtenus.
[Tableau 7]
Sur la figure 3 est représenté un second mode de réalisation d’une installation 2 de fabrication selon l'invention. L’installation 2 et le procédé de fabrication de l’élément de tuyauterie selon ce second mode de réalisation diffèrent de l’installation et du procédé décrits ci-dessus uniquement par ce qui suit. Les éléments analogues portent les mêmes références.
L’installation 2 comprend un dispositif (non-représenté) d’application d’un matériau réfractaire. Ce dispositif est adapté pour déposer une couche d’un matériau réfractaire temporaire 50 sur la surface intérieure 24 du moule 10.
Le matériau réfractaire temporaire 50 est connu en soi et est par exemple un mélange d’eau, de bentonite et de produit réfractaire à base de silice. La couche de matériau réfractaire temporaire 50 réduit la vitesse de refroidissement de la fonte coulée dans le moule 10. Alternativement, le matériau réfractaire temporaire 50 est remplacé par un matériau d’isolant thermique temporaire.
Le procédé de fabrication utilisant l’installation 2 de la figure 3 est un procédé de fabrication du type « Wetspray ». Ce procédé est le suivant.
Avant de faire couler la fonte liquide dans le moule 10, le matériau réfractaire temporaire 50 est disposé sur la surface intérieure 24 et forme une couche de matériau réfractaire temporaire.
L’étape suivante consiste à faire couler la fonte liquide sur la couche de matériau réfractaire temporaire.
Grâce à la couche de matériau réfractaire 50, l’ébauche du corps de base 16 ou l’ébauche de l’objet tubulaire en fonte ne contient pas ou très peu de cémentite. La fonte à graphite lamellaire présente une matrice essentiellement ferritique avec une teneur en perlite faible, notamment inférieure ou égale à 10%, en particulier lorsque la teneur en Si est supérieure à 3,1%.
Sur la figure 4 est représenté le diagramme température/temps lors du traitement thermique de l’ébauche du corps de base 16 ou plus généralement d’une ébauche de l’objet tubulaire en fonte fabriquée selon le procédé « Wetspray » par l’installation 2 selon le second mode de réalisation montré sur la figure 3.
Après extraction du moule 10, l’ébauche du corps de base 16 ou de l’objet tubulaire en fonte subit un traitement thermique. A cet effet, l’ébauche du corps de base ou de l’objet est introduite dans un four à une température d’entrée supérieure à 800°C et, dans une première étape de traitement thermique EW1 , est refroidie à une vitesse de refroidissement inférieure à 40°C/minute jusqu’à une température de fin de ferritisation inférieure à 740°C et de préférence comprise entre 700°C et 740°C. Cette première étape EW1 est une étape de ferritisation durant laquelle l’austénite est transformée en ferrite et en graphite.
Ensuite, lors d’une deuxième étape de traitement thermique EW2, l’ébauche du corps de base ou de l’objet tubulaire en fonte est refroidie de la température de fin de ferritisation jusqu’à une température inférieure à 100°C, et de préférence comprise entre 20°C et 100°C exclue. Ce refroidissement a lieu à l’air, c’est-à-dire à une vitesse comprise entre 30°C/min et 70°C/min et de préférence comprise entre 40°C/min et 60°C/min et notamment à environ 50°C/min. La température de l’air pendant ce refroidissement est comprise entre 10°C et 40°C.
Ensuite, dans une troisième étape de traitement thermique EW3, l’ébauche du corps de base ou de l’objet tubulaire en fonte subit un traitement thermique de relaxation destiné à relaxer les contraintes internes présentes initialement dans la fonte. Celui-ci consiste tout d’abord à chauffer l’ébauche du corps de base 16 ou de l’objet tubulaire en fonte depuis la température précitée située entre 20°C et 100°C à une température de relaxation comprise entre 600°C et 700°C, puis de maintenir l’ébauche du corps de base ou de l’objet tubulaire en fonte à cette température de relaxation pendant une durée comprise entre 10 minutes et 30 minutes.
Ensuite, dans une quatrième étape EW4, l’ébauche du corps de base 16 ou de l’objet tubulaire en fonte est refroidie jusqu’à température ambiante (20°C).
Avec les deux procédés de fabrication décrits ci-dessus et les compositions de fonte selon l’invention, le produit fini après traitement thermique possède une structure remarquable, avec notamment des particules de graphite au bord extérieur plus compactes et plus riches en carbone.
La composition chimique, notamment en combinaison avec l’épaisseur de paroi relativement faible et le traitement thermique appliqué en sortie de moule, permet d’obtenir un gain important en terme de qualité, taille et répartition des particules, en particulier dans toute l’épaisseur. L’agrégation du graphite de manière homogène à travers l’épaisseur de l’objet tubulaire en fonte permet d’obtenir une nouvelle microstructure jamais observée jusque-là pour des fontes grises à graphite lamellaire, notamment centrifugées.
La figure 5 montre une micrographie d’une structure d’un objet tubulaire en fonte à graphite lamellaire de l’état de la technique proche de la surface de l’objet côté moule. On voit que les particules de graphite sont relativement petites et reparties régulièrement.
La figure 6 est une micrographie de la structure de l’objet tubulaire en fonte à graphite lamellaire de la Figure 5 proche de la surface de l’objet côté opposé au moule. On voit que la fonte ne comporte que peu de particules de graphite, qui de plus sont réparties de manière irrégulière.
La figure 7 est une micrographie d’une structure d’un objet tubulaire en fonte à graphite lamellaire selon l’invention, l’image étant prise proche de la surface de l’objet côté moule, donc proche de la surface extérieure dans le cas d’un tuyau. La figure 8 est une micrographie de la structure de l’objet tubulaire en fonte à graphite lamellaire de la Figure 7, l’image étant prise proche de la surface de l’objet côté opposé au moule, donc proche de la surface intérieure dans le cas d’un tuyau.
Sur les Figures 7 et 8, les particules de graphite sont regroupées en « grappes », qui de plus sont réparties de manière régulière sur toute l’épaisseur. La fonte à graphite lamellaire au sens de la présente invention peut ainsi comprendre un taux plus ou moins élevé de graphite de forme II et/ou IV tel que décrit dans la norme NF EN ISO 945-1 .
Il est à noter que la barre d’échelle sur les Figures 5 à 8 correspond à 200 pm.
L’élément de tuyauterie fabriqué par les procédés ci-dessus peut être un élément tubulaire autre qu’un tuyau à emboîtement, par exemple un élément tubulaire cylindrique.
La composition de la fonte à graphite lamellaire selon l’invention peut être également utilisée pour la fabrication de raccords de fonderie. Dans ce cas, le procédé de fabrication de tels objets tubulaires consiste à couler la fonte liquide dans un moule et à l’inoculer simultanément. Puis, après extraction du moule et refroidissement jusqu’à une température inférieure à 100°C, l’ébauche de l’objet en fonte est soumise à un traitement thermique de relaxation. Celui-ci consiste tout d’abord à chauffer l’ébauche de l’objet tubulaire à une température de relaxation supérieure à 400°C et de préférence comprise entre 600°C et 700°C. Ensuite, l’ébauche de l’objet tubulaire en fonte est maintenue à cette température de relaxation pendant une durée comprise entre 10 minutes et 30 minutes environ. Pour finir, l’ébauche de l’objet tubulaire est refroidie jusqu’à la température ambiante. La fonte obtenue à l’issue de ce traitement thermique permet de réduire le poids du raccord de fonderie par rapport aux raccords connus tout en conservant une résistance mécanique identique, voire améliorée, ou bien, à poids identique, permet d’augmenter les performances mécaniques du raccord de fonderie.
L’objet tubulaire en fonte à graphite lamellaire selon l’invention permet donc l’obtention d’éléments de tuyauterie ayant des épaisseurs de paroi faibles pour une résistance mécanique donnée ou des performances mécaniques améliorées à épaisseurs de paroi semblables. En particulier, les objets tubulaires selon l’invention ont des résistances aux chocs, à la traction et à l’écrasement importantes pour des dimensions données. La fabrication et l’utilisation, notamment le transport et la manipulation, sont donc économiques.

Claims

REVENDICATIONS
1. Objet tubulaire (16) en fonte à graphite lamellaire, en particulier fabriqué dans un moule (10), la fonte à graphite lamellaire comprenant, en % en poids, les éléments suivants :
- Carbone (C) inférieur ou égal à 3,7%,
- Silicium (Si) entre 2,0% inclus et 3,9% inclus,
- Phosphore (P) entre 0,05% inclus et 0,2% inclus, optionnellement :
- Soufre (S) entre 0,10% inclus et 0,14% inclus,
- Manganèse (Mn) < 0,7%,
- Chrome (Cr) < 0,15%,
- Nickel (Ni) < 0,5%,
- Molybdène (Mo) < 0,1%,
- Vanadium (V) < 0,5%,
- Cuivre (Cu) < 0,22%,
- Titane (Ti) < 0,065 %, le reste étant du Fer (Fe), et des éléments résiduels dus à l’élaboration de la fonte à des teneurs inférieures à 0,01% et des impuretés inévitables à des teneurs inférieures à 0,01%, et dans lequel l’objet tubulaire a un diamètre extérieur (DE) et une épaisseur de paroi (e), l’épaisseur de paroi ayant, en fonction du diamètre extérieur, l’une des valeurs suivantes :
2. Objet tubulaire selon la revendication 1 , dans lequel la teneur en Silicium (Si) de la fonte à graphite lamellaire est comprise entre 2,8% inclus et 3,9% inclus, et est de préférence comprise entre 3,1% inclus et 3,9 % inclus, et est en particulier comprise entre 3,3% inclus et 3,7% inclus.
3. Objet tubulaire selon la revendications 1 ou 2, soit dans lequel l’objet est obtenu par un procédé de fabrication dans lequel une surface de forme (24) est dépourvue d’isolant thermique temporaire ou de matériau réfractaire temporaire (50) lorsqu’on fait couler la fonte liquide dans le moule (10), soit dans lequel l’objet est obtenu par un procédé de fabrication dans lequel on dépose un matériau réfractaire temporaire (50) ou un isolant thermique temporaire sur une surface de forme (24) avant l’étape de faire couler la fonte liquide dans le moule (10).
4. Objet tubulaire selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la fonte à graphite lamellaire a une résistance à la traction Rm supérieure à 200 MPa, de préférence supérieure à 340 MPa et notamment supérieure à 380 MPa.
5. Objet tubulaire selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la fonte à graphite lamellaire a une résistance à l’écrasement Re supérieure à 350 MPa, de préférence supérieure à 490 MPa et notamment supérieure à 520 MPa.
6. Objet tubulaire selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la fonte à graphite lamellaire a une dureté Brinell HB inférieure ou égale à 260HB, et notamment inférieure ou égale à 230HB.
7. Objet tubulaire selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la fonte à graphite lamellaire a une résistance aux chocs suivant la norme NF A 48- 730 comprise entre 1 ,30m inclus et 2,00m inclus.
8. Objet tubulaire selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les éléments résiduels comprennent un ou plusieurs des éléments pris dans la liste consistant en du Calcium (Ca) et de l’Aluminium (Al).
9. Objet tubulaire selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les éléments résiduels comprennent un ou plusieurs des éléments pris dans la liste consistant en : Zirconium (Zr), Manganèse (Mn) et Baryum (Ba).
10. Objet tubulaire selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les éléments résiduels comprennent un ou plusieurs des éléments pris dans la liste consistant en : au moins une terre rare, notamment le cérium (Ce) et le Bismuth (Bi).
11 . Elément de tuyauterie comprenant un corps de base (16), caractérisé en ce que le corps de base est un objet tubulaire selon l’une quelconque des revendications précédentes.
12. Elément de tuyauterie selon la revendication 11 , dans lequel l’élément est soit un tuyau, notamment un tuyau comprenant deux bout unis ou comprenant un bout uni et un bout à emboîtement, soit un raccord tubulaire.
13. Procédé de fabrication d’un objet tubulaire selon l’une quelconque des revendications 1 à 10 ou d’un élément de tuyauterie selon l’une des revendications 1 1 ou 12, comprenant les étapes successives suivantes : a) on fait couler de la fonte liquide dans un moule (10) ayant une surface de forme (24), b) on laisse solidifier la fonte liquide en obtenant une ébauche de l’objet, c) on fait subir à l’ébauche de l’objet un traitement thermique en obtenant l’objet en fonte (16), notamment
- un traitement de graphitisation,
- un traitement de ferritisation, ou
- un traitement de graphitisation suivi d’un traitement de ferritisation, et
- un traitement de relaxation.
14. Procédé de fabrication selon la revendication 13, dans lequel, avant l’étape de faire couler la fonte liquide dans le moule et/ou pendant l’étape de coulée de la fonte liquide dans le moule, on ajoute à la fonte un inoculant, dans lequel la quantité de silicium ajoutée par l’inoculant est comprise entre 0,1 et 0,4 % de la masse du produit coulé, dans lequel la teneur en silicium ajoutée à cette étape d’inoculation correspondant à la teneur en Silicium finale de la fonte à graphite lamellaire moins la teneur en silicium présente à la poche de coulée, et dans lequel l’inoculant est un ferroalliage comprenant, en % en poids, du Silicium (Si) à une teneur d’au moins 60,0% inclus et d’au plus 80,0% inclus, notamment comprise entre 62,0% inclus et 69,0% inclus, ou entre 68,0% inclus et 70,0% inclus, ou encore entre 70,0% inclus et 76,0% inclus, et un ou plusieurs des éléments suivants:
- Calcium (Ca) au moins 0,5% inclus et au plus 2,1% inclus, notamment entre 1 ,2% inclus et 2,1% inclus, entre 0,6% inclus et 1 ,9% inclus ou entre 0,75% inclus et 1 ,25% inclus,
Aluminium (Al) au moins 0,5% inclus et au plus 1 ,3% inclus, notamment entre 0,5% inclus et 1 ,0% inclus, entre 0,55% inclus et 1 ,3% inclus ou entre 0,75% inclus et 1 ,25% inclus,
Zirconium (Zi) < 4,5%, notamment entre 2,8% inclus et 4,5% inclus,
Manganèse (Mn) < 3,5%, notamment entre 2,5% inclus et 3,5% inclus,
Baryum (Ba) < 5,0%, notamment entre 3,0% inclus et 5,0% inclus,
Cérium (Ce) < 2,0%, notamment entre 1 ,5% inclus et 2,0% inclus,
Bismuth (Bi) < 1 ,3%, notamment entre 0,8% inclus et 1 ,3% inclus, le reste étant du fer (Fe).
15. Procédé de fabrication selon la revendication 14, dans lequel l’inoculant est un ferroalliage ayant, en % en poids, l’une des compositions suivantes : a) du Silicium (Si) entre 68,0% inclus et 70,0% inclus, du Calcium (Ca) entre 1 ,2% inclus et 2,1% inclus, et de l’Aluminium (Al) entre 0,5% inclus et 1 ,0% inclus, le reste étant du fer (Fe) ; b) du Silicium (Si) entre 62,0% inclus et 69,0% inclus, du Calcium (Ca) entre 0,6% inclus et 1 ,9% inclus, de l’Aluminium (Al) entre 0,55% inclus et 1 ,3% inclus, du Zirconium (Zi) entre 2,8% inclus et 4,5% inclus, du Manganèse (Mn) entre 2,5% inclus et 3,5% inclus, du Baryum (Ba) entre 3,0% inclus et 5,0% inclus, le reste étant du fer (Fe) ; c) du Silicium (Si) entre 70,0% inclus et 76,0% inclus, du Calcium (Ca) entre 0,75% inclus et 1 ,25% inclus, de l’Aluminium (Al) entre 0,75% inclus et 1 ,25% inclus, du Cérium (Ce) entre 1 ,5% inclus et 2,0% inclus, du Bismuth (Bi) entre 0,8% inclus et 1 ,3% inclus, le reste étant du fer (Fe).
16. Procédé de fabrication selon l’une des revendications 13 à 15, dans lequel la surface de forme (24) est dépourvue d’isolant thermique temporaire ou de matériau réfractaire temporaire (50) lorsqu’on fait couler la fonte liquide dans le moule (10), et dans lequel le traitement thermique comprend :
- une première étape (ED1) de chauffage de l’ébauche de l’objet pendant une durée comprise entre 2 et 10 minutes jusqu’à atteindre une température de graphitisation supérieure à 800°C, et en particulier supérieure à 900°C, mais inférieure à 1000°C, cette première étape relaxant les contraintes internes présentes initialement dans la fonte,
- une deuxième étape (ED2) de graphitisation durant laquelle l’ébauche de l’objet en fonte à graphite lamellaire est maintenu à la température de graphitisation pendant une durée comprise entre 5 et 30 minutes, de préférence 15 minutes,
- une troisième étape (ED3) de refroidissement jusqu’à une température comprise entre 880°C et 750°C, de préférence jusqu’à 800°C, d’une durée inférieure à 7 minutes, et
- une quatrième étape (ED4) de ferritisation durant laquelle l’ébauche de l’objet en fonte est refroidi lentement, à une vitesse inférieure à 40°C/minute, à l’intérieur d’une plage de température comprise entre 700°C et 780°C.
17. Procédé de fabrication selon l’une des revendications 13 à 15, dans lequel on dépose un matériau réfractaire temporaire (50) ou un isolant thermique temporaire sur la surface de forme (24) avant l’étape de faire couler la fonte liquide dans le moule (10), et dans lequel le traitement thermique comprend : - une première étape (EW1) de ferritisation consistant à refroidir l’ébauche de l’objet lentement, à une vitesse de refroidissement inférieure à 40°C/minute, d’une température d’entrée dans un four, supérieure ou égale à 800°C jusqu’à une température de fin de ferritisation inférieure à 740°C, - une deuxième étape (EW2) de refroidissement à l’air jusqu’à une température inférieure à 100°C, et
- une troisième étape (EW3) consistant à chauffer l’ébauche de l’objet en fonte à une température de relaxation comprise entre 600°C et 700°C, puis de maintenir le ou l’ébauche de l’objet en fonte à cette température de relaxation pendant une durée comprise entre 10 minutes et 30 minutes.
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