Brevet FR2061645A1 — publié le 19710625

I 70 32968 i 2061645 On utilise les fontes austénitiques lorsque'.figurent parmi lçs propriétés requises la résistance à la chaleur, à l'érosion et'à la corrosion. Lorsque la ténacité et la ductilité se trouvent également requises, les fontes utilisées peuvent 5 être du type à graphite sphéroïdal, c'est-à-dire que la quasi totalité du graphite qu'elles contiennent affecte me forme sphéroïdale. Les fontes contiennent habituellement au moins 20$ de nickel, ou plus, de manière à s'assurer qu'elles soient entièrement aus-10 ténitiques. Lorsque le graphite dont elles sont dotées prend une forme sphéroïdale et qu'elles ne contiennent que peu ou pas du tout de chrome, elles font preuve d'une excellente ténacité ainsi que d'une bonne résistance mécanique, à la température ambiante dans leur état brut de coulée, leur résilience à l'essai de choc Charpy 15 sur éprouvette entaillée en V étant de l'ordre de 2,766 kgm à 3,457 kgm, leur résistance à la corrosion étant par ailleurs excellente . Cependant, le coût extrêmement élevé du nickel restreint l'utilisation de ces types de fontes. Il a été suggéré d'utiliser 20 une moindre quantité de nickel, c'est-à-dire pas plus de 10$, en combinaison avec du cuivre et du manganèse, de façon à en réduire le coût, mais à l'heure actuelle on utilise toujours communément des fontes à haute teneur en nickel. Lorsqu'on désire obtenir des propriétés diélectriques par-25 ticulières, l'on utilise des fontes contenant 10$ de nickel et 6$ de manganèse, bien que l'on ait constaté qu'elles ne présentent pas des propriétés mécaniques particulièrement satisfaisantes. La présente invention vise à pourvoir à l'obtention de 'fontes à/faible teneur en nicke.1, afin d'en réduire le coût tout en 50 leur conservant de bonnes qualités quant à la ténacité et autres propriétés y afférentes, y compris la résistance à l'usure et à la corrosion, en vue de diverses affectations usuelles. L'on a constaté qu'il était possible d'obtenir la combinaison des propriétés voulues avec des pièces de fonderie d'une 35 composition originale, pour autant que la structure de leur matrice soit d^&ature austénitique. Certaines des pièces de fonte élaborées conformément à la présente invention ne sont pas entièrement austé-nitiques à l'état brut de coulée. Dans d'autr® cas, l'austénite est de nature instable, du fait que placée dans diverses conditions d'utilisation sous contrainte ou tension elle peut se transformer i L 70 32968 a 2061645 partiellement en martensite. Cependant, grâce à un traitement thermique lesdites pièces de fonderie peuvent être rendues entièrement austénitiques, ou l'austénite qu'elles contiennent peut être stabilisée, selon le cas d'espèce. Dans d'autres pièces de 5 fonderie élaborées conformément à la présente invention, l'austé-nite est de nature stable même à l'état brut de coulée, bien qu'elle soit susceptible d'amélioration après ion traitement thermique . Etant donné que de la fonte contenant du graphite se pré-ÏO sentant sous forme lamellaire a pour avantage d'offrir des propriétés de fonderie. . supérieures à celles de la fonte contenant du graphite sphéroïdal et qu'elle ne requiert pas un traitement spécial .pour amener le graphite à prendre une forme sphéroïdale, les pièces de fonderie élaborées conformément à la présente inven-15 tîon peuvent se présenter sous forme de graphite lamellaire lorsqu'il n'est pas nécessaire d'obtenir la ténacité et la ductilité propres aux pièces de fonte à graphite sphéroïdal. La fonte faisant l'objet de la présente invention contient de 4 à ^,5$ de nickel, de 2,5 à 4$ de manganèse si le gra- " -20 phite est de nature sphéroïdale, ou de 5 à 4,5$ de manganèse si le graphite est de nature lamellaire, de 2,5 à 4$ de carbone, pas plus de 2,5$ de silicium, de 0 à 3$ de cuivre et de 0 à 0,5$ de molybdène, avec ou sans adjonction de magnésium en quantité suffisante pour rendre le graphite sphéroïdal et ce dans une proportion 25 n'excédant pas, en tout état de cause, 0,15$. L'on peut également y inclure de l'azote à concurrence de 0,15$ si l'on désire produire une structure austénitique de nature spécialement stable à un coût minimal pour ce qui concerne les éléments d'alliage A la réserve des impuretés, le restant est constitué 30 par du fer» La présente invention concerne au premier chef la fonte à graphite sphéroïdal, de sorte que la description détaillée qui suit traitera tout d'abord de cet aspect de l'invention. Le nickel, le manganèse et le cuivre sont tous destinés 35 à stabiliser l'austénite, et avec une teneur totale minimale des- , dits éléments s'établissant à 6,*5$ les pièces de fonte sont austé-- nitiquement stables à la température ambiante après avoir été soumises à un traitement thermique. La"teneur totale minimâle en question s'élève, de préférence, à 7%. tl est nécessaire d'introduire 2|0 à tout le moins 4$ de nickel, afin de s'assurer que la I .70 32968 3 2061645 température pour la phase initiale de formation de la martensite (Ms) soit au-dessous de la température ambiante et que les fontes soient de nature graphitique. Plus il y a de manganèse et moins il y a de nickel, plus le coût s'en trouve abaissé. Toutefois, une 5 trop grande quantité de manganèse altère la caractéristique de ténacité par la formation de carbures à teneur de fer et de manganèse (M^C), lesquels sont semi-continus à travers toute la structure. Il s'agit là de carbures primaires qui se forment au cours de la phase de solidification, lorsque la teneur en manganèse est trop 10 élevée ou que la vitesse de refroidissement est trop rapide. En fait, même si l'on arrive à éviter la formation d'un tel type de carbures, une trop grande quantité de manganèse peut se traduire par la formation, de quantités excessives de carbures globulaires i/,/ , d'alliage d eiemencs^ ce qUi réduit également la ténacité. Le risque de forma- 15 tion de carbures est plus grand dans les fontes à graphite sphéroïdal que dans les fontes à graphite -lamellaire, et pour toutes les raisons précitées la teneur en manganèse ne doit pas excéder 4$ . dans les fontes à. graphite sphéroïdal. " 'Si. lés pièces en de telles fontes présentent 20 une mince section (à savoir moins de 2,5 cm), la teneur en manganèse doit être de préférence de l'ordre de 2,5 à 3$. En ce cas, il est souhaitable que la tèneur nominale en nickel soit d'au moins 6$. La présence conjointe du nickel, du manganèse et du cui-25 vre constitue ion facteur favorable, bien que la teneur en cuivre ne doive pas dépasser 2,5$, car me teneur plus élevée entrave non seulement la formation sphéroïdale du graphite mais affecte aussi négativement les propriétés de soudabilité. Une teneur en silicium supérieure à 2,5$ rend l'austénite 30 instable, ladite teneur en silicium devant être de préférence de l'ordre de 0,5 à 1,5$*. le pourcentage le mieux approprié étant de 1$. La teneur en carbone peut atteindre jusqu'à 4$, bien qu'il soit préférable de la maintenir entre 3,4 et 3,8$. La teneur en impuretés doit être aussi faible que pos-35 sible. En particulier, il est à noter que le chrome forme instantanément des carbures qui altèrent grandement la ténacité de la fonte et, en conséquence, la teneur en chrome ne doit pas dépasser 0,57°, mais de préférence pas plus .de 0,2$ ou même 0,1$. La solution la plus avantageuse consiste à obtenir des fontes exemptes de chrome. Les teneurs en phosphore et en sulfure ne devraient pas normalement 70 3296.8 4 2061645 dépasser chacune 0,05%» étant donné que les propriétés mécaniques s'en trouvent autrement détériorées, bien que si l'on mette l'accent sur la résistance, à l'usure plutôt/sur la dureté la ténacité en phosphore puisse être légèrement augmentée. ou à améliorer la stabilité de l'austénite dans l'es fontes à haute pièce.coulée par un réchauffage à une température d'au moins 900°C, suivi par tin refroidissement à l'air ou par trempe dans un liquide, de l'huile de préférence, pour la ramener à la température ambiante La durée du réchauffage est de préférence de l'ordre d'une heure au moins- par section de 2,5 cm. Cette durée de temps est suffisante pour réaliser une homogénéisation complète, point particulièrement important pour ce qui concerne la stabilité de l'austénite lors de la phase successive de refroidissement. En outre, la période de réchauffage s'accompagne-d'une certaine réduction de la ségrégation dans la structure brute de coulée.' Le traitement thermique, bien qu'il ne soit pas impératif, améliore les caractéristiques de ténacité et" de ductilité des fontes contenant 8$ de nickel ou au-delà. qu'il est de pratique courante de spécifier les teneurs nominales des alliages, lors de la commande des pièces de fonderie, l'on va décrire à titre illustratif des fontes ayant respectivement une teneur nominale en nickel de 5$,. de 7$ et de 9$, la tolérance admissible vis-à-vis de ladite teneur nominale étant de + 0,5$. Les teneurs recommandées en manganèse sont de 2,5 à dans les-fontes à 5io de nickel, de 2,-75 à 3*25% dans les fontes à 7$ de nickel, et de 2, 5 à 3*5$ dans les fontes à 9$ de nickel. Toutes les fontes en question contiennent de préférence, de 1 à 1,5$ -de cuivre. vitesse de refroidissement lent à l'intérieur du moule, l'austénite qu'elle contient n'est pas stable. Cette instabilité peut être corrigée au moyen d'un traitement thermique, à savoir par homogénéi sation (ou chauffage pour la mise en solution), suivi par un rapide refroidissement, lequel s'effectue habituellement par une trerppe à l'huile . Dans la fonte brute de coulée à 7$ de nickel * l'austénite est normalement stable, mais dans les pièces de fonderie élaborées avec ce type de fonte la stabilité peut être assurée L application du traitement thermique destine a rendre /basse les fontes à plus/ teneur d alliage entièrement austénitique, tout d'abord l'homogénéisation de la En fonction des considérations qui précèdent et du fait La fonte à 5$ de nickel est la moins chère mais, avec la 70 32968 5 2061645 au moyen d'un traitement thermique, à savoir par un réchauffement homogénéisateur qui est simplement suivi par un refroidissement à l'air, évitant de la sorte l'inconvénient attaché à la trempe à l'huile. La fonte à 9$ de nickel a pour avantage qu'elle ne 5 ' requiert aucun traitement thermique, mais il va de soi qu'elle est beaucoup plus onéreuse. Les pièces de fonte traitées thermiquement sont avantageusement soumises à une opération de revenu. D'une manière générale, la ténacité des pièces de fonte tant à l'état trempé qu'à l'état trempé et revenu est fonction-10 de la température Ms, s'accroissant de façon approximativement linéaire en raison de la baisse de ladite température Ms. A titre d'exemple, trois pièces moulées de blocs à quilles de 165*10 mm de longueur sur 31*750 mm x 34,925 mm de section ont été réalisées dans deux types de fontes"ayant les compositions 3,58$ de carbone, 1$ de silicium, 3*1$ de manganèse, 5,45$ de nickel,. 2; 5$ de cuivre et 0,059$ de magnésium, le complément étant constitué, à la.réserve des impuretés (lesquelles comportaient 0,001$ de soufre , 0,016$ de phosphore et 0,009$ d'azote), par du fer. 3*4$ de carbone, 1,45$ de silicium, 3,2$ de manganèse, 9*5$ de nickel, 1,8$ de cuivre et 0,057$ de magnésium, le complément étant constitué (à la réserve des impuretés qui comprenaient moins/$fl$ de chrome, 0,008$ de soufre, et 0,015$ de phosphore) par du fer. Une pièce moulée de chaque type de fonte est laissée à l'état brut de coulée, cependant qu'une deuxième pièce de chaque type de fonte.se trouve réchauffée pendant 3 heures à une température de 9 8)°C, étant ensuite refroidie à l'air, puis soumise à une 30 opération de revenu pendant 2 heures à une température de 200°C pour être finalement refroidie à l'air. La troisième pièce moulée 'de chaque type de fonte se. trouve réchauffée pendant 3 heures' à une température de 980°C> étant ensuite soumise à une trempe à l'huile, puis à une. opération de revenu pendant 2 heures à une température 35 de 200°C* pour être finalement refroidie à l'air. D'autres pièces moulées du type de fonte n° I se trouvent réchauffées pendant 3 heures à des températures de 1.030°C et 1.080°C, respectivement, puis refroidies à l'air, étant ensuite soumises à .une opération de revenu, pendant 2 heures à une température de 200°C, pour être fina-40 l'ement refroidies à l'air. Les caractéristiques mécaniques des 15 suivantes : I. 20 II. 25 j $l*t. iL 70 32968 6 2061645 échantillons prélevés dans les diverses pièces de fonderie sont ensuite,analysées, les résultats étant portés sur le tableau ci-dessous,, chacun desdits résultats étant basé sur la moyenne de deux essais» 5 TABLEAU Limite-de rupture (en Kgf/ cm2 Limite d'élasticité à 0,1$ (en Kgi /mm2 $ d'allonge -1 ment Entaille en V Chcûfâf (en kpcrr iPONTE I Brut de coulée 3.433,50 21,735 1*5 0,80 3h/980°C B. de C» +2h/200°C B. de G. 4.599 26,775 8*7 1,628 3h/980°C trempe à l'huile H-2h/200°C B» de C. 4.866,75 27,720 11,8 2,263 3h/l030°C B. de G. 2h/200°C B. de C. 5.827,50 31*50 16,6 3*312 3h/l080°C B» de C. 2h/200°C B» de C. 5.906,25 31,50 14,1 3*726 FONTE II ' |Brut de coulée 4.032 18,90 6,9 3,146 3h/980°C B. de Go +2h/200°C B.. de C„ 5.071*50 25*20 16,9 4,774 3h/980°G trempe à 1'huile +2h/200°C B. de C. 5.433,75 27*247 23*2 4,554 25 En guise d'exemple supplémentaire, les pièces moulées similaires d'une fonte contenant, en en exceptant les impuretés, 3,5$ de carbone, 1,15$ de silicium, 3*95$ de manganèse, 5*75$ de nickels 2$ de cuivre et 0,049$ de magnésium, le restant étant constitué par du fer, se trouvent chauffées pendant 3 heures à une 30 température de 980°C, puis soumises à une trempé à l'huile, erjéuite de quoi elles subissent une opération de revenu pendant 2 heures à une température de. 200°C, pour être finalement refroidies à •l'air. La résistance au choc des pièces de fonte trempées et recuites est de 3#312 kgm à la température ambiante et de * 2,484 kgm 35 à une température de I4°C. Les fontes propres à la présente invention font également preuve de bonnes propriétés d'écrouissage. A titre d'exemple, si l'on coule des billes de 55 mrp&e diamètre contenant 7*2$ de nickel; 3i»2$ de manganèse, 3,3$ de carbone, 1,9$ de silicium, 1,7$ de 70 32968 2061645 cuivre et 0,068$ de magnésium, le solde étant constitué, à la réserve des impuretés, par du fer, l'on constate une dureté Vickers HV 30 de 180. Si lesdites billes sont amenées à tomber de façon répétée d'une hauteur de 6,4 mètres sur une enclume en acier à 5 plan incliné et qu'on les fracture après 4.500 chutes, la dureté Yickers HV 30 desdites billes fracturées s'établit à 650. Dans toutes les pièces de fonderie décrites ci-dessus à titre illustratif, le graphite affecte une forme sphéroïdale. Dans une fonte à graphite lamellaire la teneur en manga-10' nèse doit être supérieure de 0,5$ à celle d'une fonte équivalente à graphi te sphéroïdal. C'est ainsi que ladite teneur en manganèse doit être, de préférence, de l'ordre de 3 à, 3/5$ dans une pièce moulée de section mince, le pourcentage devant être plus élevé encore dans une pièce de section épaisse. La teneur en silicium 15 dans une fonte à graphite lamellaire ne doit pas dépasser, de préférence, 1$. Si l'on élabore, à titre d'exemple, des pièces moulées à graphite layellaire dont la composition se répartit comme suit : 3,5$ de carbone, 2,3$ de silicium, 3,2$ de manganèse, 7,5$ de 20 nickel et 1,65$ de cuivre, le restant étant constitué, à la réserve des impuretés, par du.fer, et qu'on les réchauffe pendant 3 heures à une température de 980°C, pour les refroidir après à l'air, et qu'elles soient soumises ensuite à une opération de recuit pendant 2 heures à une température de 200°C, pour être fina-25 lement refroidies à l'air, la résistance au choc est.de 0,938 kgm à la température ambiante. Si l'on prend maintenant une fonte à graphite lamellaire dont la composition se répartit comme suit : 8,2$ de nickel, 4$ de manganèse, 3,49$ de carbone, 1$ de silicium et 1,75$ de cuivre, le 30 restant étant constitué, à la réserve des impuretés, par du fer, et qu'on les soumet à un traitement thermique pendant une durée de 3 heures à une température de 950°C, pour la refroidir après à l'air, lui faisant subir ensuite une opération de revenu pendant une durée de 2 heures à une température de 200°C, l'essai en ques-35 tion donne les résultats suivants : Limite de rupture (en Kgf/cm2) Limite d'élasticité à 1% (en Kgf/mm2) fà d1 allongement Résistance au choc sur aï-taille en V Charpy (en Kgm) Dureté Brinell HB2/120 1.606,50 9,607 3,7 1,021 116 8 70 32968 2061645 Afin d'illustrer la résistance à la corrosion des pièces moulées conformes à la présente invention, si l'on soumet la fonte n° I à un essai dans de l'eau de mer artificielle, l'on obtient un'taux de corrosion total de 40 mg/dm2 par jour, résul-5 tat auquel l'on peut comparer le taux de corrosion de 30 mg/dm2 n pour une fonte austénitique comportant 20% de nickel et 2% de chrome, et le taux de corrosion de 60 mg/dm2 pour une fonte à graphite sphéroïdal à faible teneur d'alliage. 10 Les pièces de fonte conformes à la présente invention sont particulièrement bien adaptées, par exemple, aux bagues d'usure dans les décomposeurs chimiques, aux chemises intérieures des cylindres des moteurs diesel, aux parois d'enveloppement' et grilles de déchargement des concasseurs ou broyeurs, ainsi qu'aux 15 grilles à barreaux et autres racloirs destinés au traitement du minerai. Leur résistance à la corrosion les rend également aptes à être utilisées pour les canaux d'amenée, les vannes et les tampons de regard dans les réseaux d'évacuation des eaux usées, ainsi que pour les moufles ou poulies des installations de derricks et 20 autres dispositifs de levage des câbles marins . En outre, les-dites pièces de fonte peuvent être également utilisées lorsque la dureté des fontes à grâphite sphéroïdal ferritiques à faible teneur d'alliage s'avère insuffisante et que les propriétés de moulage relativement mauvaises des aciers.coulés ne conviennent pas, 25 ainsi que c'est le.cas dans les moulages complexes concernant les pompes et les vannes, les supports de fixation, les leviers et les brides de serrage, les boîtes de vitesse, les châssis de moteurs et autres dispositifs-analogues. 10 70 32968 9 2061645 REVENDICATIONS 1. Fontes à graphite sphéroïdal ou à graphite lamellaire présentant une structure austénitique et comportant de 4 à 9,5$ de nickel, de 2,5 à 4$ de manganèse si le graphite est du type sphéroïdal, ou de 3 à 4,5$ de manganèse si le graphite est du type lamellaire, de 2,5 à 4$ de carbone, pas,plus de 2,5$ de silicium, de 0 à 3$ de cuivre, de O à 0,5$ de molybdène et de O à 0,15$ d'azote, avec ou sans adjonction de magnésium en quantité suffisante pour rendre le graphite sphéroïdal,' ladite quantité de magnésium ne devant pas dépasser, en tout état de cause, 0,15$, le restant ou complément étant constitué, à la réserve des impuretés, par du fer. 2. Fonte, suivant la revendication 1, caractérisée par le fait que la teneur en cuivre ne dépasse pas 2,5$. ^ 3. Feinte, suivant la revendication 1 ou 2, caractérisée par le fait que la teneur en silicium est de l'ordre de 0,5 à 1,5$. 4. Fonte, suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que la teneur en carbone est de;l'ordre de 3,4 à 3,8$. 2q 5. Fonte à graphite sphéroïdal, suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que la teneur totale en nickel, en manganèse et en cuivre est égale ou supérieure à 7$. 6. Fonte à graphite sphéroïdal, suivant la revendication 2^ 5, laquelle comporte de 4,5 à 5,5$ de niekel et de 2,5 à 3$ de manganèse. 7. Fonte à graphite sphéroïdal, suivant la revendication 5, laquelle contient de 6,5 à 7,5$ de nickel et de 2,75 à 3,25$ de manganèse. 8. Fonte à graphite sphéroïdal, suivant la revendication 5, laquelle contient de 8,5 à 9,5$ de nickel et de 2,5 à 3,5$ de manganèse. 9. Fonte à graphite sphéroïdal, suivant l'une quelconque des revendications 6 à 8, laquelle contient de 1 à 1,5$ de cuivre. 10. Fonte à graphite lamellaire, suivant la revendication 1, caractérisée par le fait que la teneur en silicium ne dépasse pas 1$. 11. Procédé selon lequel la fonte conforme à l'une quelconque des revendications précédentes se trouve homogénéisée par 30 35. 70 32968 10 2061645 réchauffement à une température égale ou supérieure à 9ÔO°C, étant- ensuite refroidi© à l'air ou'trempée dans un liquidé à la température ambiante.