Brevet FR2072125A1 — publié le 19710924

L'invention concerne un procédé de production de fonte à graphite sphéroïdal. L'invention concerne plus particulièrement un procédé de production d'une fonte à teneur relativement faible en silicium et à structure de base ferriti— que à l'état defonie afin que les pièces réalisées à l'aide de cette fonte aient une déformabilité plastique améliorée à la température ambiante et aux basses températures de service. On traite en général les bains à l'aide d'alliages préliminaires à base de fer et de silicium et contenant du magnésium pour produire des fontes à graphite sphéroïdal. Toutefois, pour réaliser des qualités de fonte à forte ténacité, il est nécessaire que la teneur en silicium soit très basse, car de fortes teneurs en silicium fragilisent une structure ferritique. Donc, lorsque l'addition de l'agent de traitement ne doit pratiquement pas modifier la teneur en silicium du bain initial, les agents utilisés pour la production de fonte à graphita sphéroïdal sont des alliages à base de magnésium et exempts de silicium, par exemple des alliages de magnésium et de rtickel ou de magnésium et de cuivre. Le nickel ou le cuivre ajouté ne provoque pas de ferritisation, mais favorise la formation de perlite:,, 11 n'est donc pas avantageux d'utiliser ces alliages connus contenant du magnésium et exempts de silicium pour produire une fonte à graphite sphéroïdal, dont la structure de base doit §tre ferritique. Des additifs connus de traitement de fonte -à graphite sphéroïdal sont des alliages de fer et de magnésium en briquettes. Cependant, les alliages de fer et de magnésium ne permettent pas toujours d'atteindre le but recherché et la formation de graphite sphéroïdal n'est pas toujours ce qu'elle devrait être. La forme inadéquate et le faible nombre des sphéroïdes de graphite diminuent les caractéristiques mécaniques des pièces coulées» Ces alliages de faible densité ont, de plus, l'inconvénient que leur manipulation n'est pas aisée, car ces briquettes ne plongent pas d'elles-mÊmas dans le bain de fer initial,, mais flat=> tent à sa surface et donc abaissent le rendement en magnésium» Lorsqu'on les met en oeuvre dans un procédé par immersion, elles augmentent considérablement le coût du traitement. Selon une particularité essentielle de lsinvention, le fer initial est additionné simultanément au moins de cobalt et de magnésium métalliques en quantités telles que la teneur résiduelle pondérale de magnésium est de Dj.01 à 0,08$ et la teneur pondérale en cobalt est de 0,î à 1,5 % dans la pièce coulée. L'utilisation du cobalt comme élément d'alliage de la fonte à graphite sphéroïdal est certes connue ; toutefois, bien qu'on ait observé que le cobalt provoque la ferritisation à composition chimique égale, en particulier à teneur égale en carbone et en silicium, et de plus qu'il augmente le nombre des sphéroïdes et améliore la formation du graphite sphéroïdal, le traitement ultérieur BAD ORIGINAL 70 47091 -2 - 2072125 au magnésium redonne par la suite aux véhicules de ce dernier leur influence néfaste connue. Par ailleurs, les teneurs efficaces du cobalt utilisé comme élément d'alliage sont notablement supérieures à celles du procédé de l'invention ; elles sont comprises dans une plage d'environ 3 à 6 % en poids» Le procédé de traitement de l'invention a, non seulement, les effets positifs dûs à la structure de base ferritique et à la faible teneur en silicium, mais il offre également les mêmes avantages que les traitements au nickel et magnésium ou au cuivre et magnésium et permet en particulier la même simplicité de manipulation lors du processus d'addition au bain. Par ailleurs, la forte réduction de la teneur en" cobalt amplifie les avantages obtenus par son addition et observés aux essais effectués sur les fontes à graphite sphéroïdal alliées au cobalt et en augmente, en particulier, les qualités mécaniques et technologiques. De plus, l'expérience a montré que le trai tement simultané au cobalt permet d'abaisser fortement la teneur résiduelle en magnésium nécessaire à la formation du graphite sphéroïdal.'Cette réduction est particulièrement importante pour permettre d'éviter les soufflures et .leur effet connu néfaste sur la qualité cfes pièces coulées. De plus, le magnésium peut être remplacé partiellement par au moins l'un des autres éléments connus qui favorisent la formation du. graphite sphéroïdal, par exemple par du calciumf de l'j,ttrium et/ou des métaux des terres rares tels que le Gérium, le lanijisne, etc. On peut ajouter avantageusement au bain jusqu'à 3 % en poids d'aluminium en même temps que le magnésium et le cobalt poux favorises la soiidificatiorv en fonte grise en particulier lorsque la teneur en silicium est faible (inférieure à 1,3 îS en poids). On sait que le magnésium est insoluble à l'état solide dans le cobalt et, en conséquence, il n'est pas possible de réaliser par fusion un alliage proprement dit de magnésium et de cobalt étant données les aptitudes à s'allier de ces deux éléments,, L'agent de traitement peut, cependant, être ajouté avantageusement au bain initial de fex sous forme de flans, de briquettes au d'agglomérés comprimés et/ou frittés contenant au moins du cobalt et du magnésium sous forme dispersée, mais ne contenant pas de silicium, exception faite des impuretés. Le bain peut également être additionné de morceaux poreux de cobalt formant des supports et imprégnés de magnésium. Il est également possible d'utiliser "des flans réalisés à l'aide de cobalt et de magnésium broyés ou pulvérulents et de liants minéraux tels que du lait de chaux, du ciment, qui n'ont aucune influence sur la qualité du bain. Les pièces coulées à croissance orientée, dendritique des cristaux, par exemple les pièces à paroi mince coulées eh sable, réalisées par coulée continue ou coulées en moules durables, par exemple en coquilles avec effet relativement poussé de trempe représentent un domaine particulier d'application d'une fonte à graphite sphéroïdal traitée par addition de cobalt et de magnésium. BAD ORIGINAL 70 47091 - 3 - 2072125 La fonte à graphite sphéroïdal à teneurs pondérales maximales de 2,1 % de silicium, .0,05 % de phosphore et 0,01 % de manganèse représente un autre domaine d'application de l'invention à des pièces coulées à structure de basé principalement. ferritique et ayant une forte aptitude à la déformation plastique à la température ambiante et aux basses températures pouvant atteindre moins 40°C. Une .certaine proportion de perlite peut être tolérée dans la structure ferritique, selon l'aptitude exigée à la déformation plastique et peut atteindre environ 20$ de la microstructure observée sur une surface grossie optiquement 100 fois. Le traitement au magnésium et au cobalt offre, par ailleurs, l'avantage que les pièces coulées peuvent être utilisées saris avoir à subir encore un traitement thermique long et coûteux, donc avantageusement à l'état de fonte, sauf dans certains .cas particuliers. Les exemples suiyants feront mieux comprendre lrirtvention, sans toutefois la limiter dans son cadre, ni dans son esprit. EXEMPLE 1 . Environ 11 kg de déchets en petits morceaux de fer magnétique sont mis en fusion dans un four à creuset à induction haute fréquence,de dimensions correspondantes,, revêtu de pisé de magnésite, et sont carburés "à l'aide de 0,5 kg de graphite. . Le fer initial a la composition chimique suivante : C Si Mn P 5 3,7 1,80 0,13 0,01 0,008 Ce fer initial est traité par un additif à base de cobalt et de magnésium à une température de 14B0°C ± 5°C. Cet additif est réalisé préalablement par la métallurgie des poudres à partir d'un mélange de 76 % de poudre dé cobalt (à une teneur de 99,56 % de cobalt et d'une granulométrie de 40^,u), 4 % de poudre de cérium de.granulométrie analogue et 20 % de poudre de magnésium (à 99,8 % de magnésium et.d'une granulométrie de 10D.u), ce mélange étant mis sous forme de plaquettes moulées par pressage à frcid sous une pression de 3,5 t/cm . La quantité d'agent de traitement à ajouter est de 1 % en poids du bain. L'additif est introduit dans le bain par immersion à l'aide d'une cloche de graphite. Le traitement se déroule calmement et sans effet lumineux particulier. Le bain traité est inoculé à environ 1430°C à l'aide de 0,3 % d'un alliage de Fe-Si (à 75 %) puis coulé sous forme d'échantillons (échantillon N° Y 3 selon la norme allemande DIN 1693 et sous forme de coins) dans des moules de sable sec légèrement réchauffés. L'analyse chimique pondérale des échantillons est la suivante : C 3,84 Mn °,15 $ p 0,01 % 0,027 % S . . 0,007 % C'° °»50 ^ Si 2,25 % 70 47091 - 4 _ 2072125 Les échantillons sont ensuite soumis aux essais classiques. Les caractéristiques mécaniques observées sont les suivantes : CTb Cs ^5 Dureté Brinell 2 2 2 kg/mm kg/mm % kg/mm 5 45,7 31,0 ' 10,7 143 48,3 33,2 ' " 18,s 144 L'examen de la microstructure montre que de nombreux sphéroïdes de graphite sont bien formés dans une structure de base essentiellement ferritique, la proportion de perlite dans la fonte étant inférieure à 3 %. ÎO EXEMPLE 2 Un bain initial de fer mis en fusion de la manière mentionnée ci-dessus et dont la teneur en silicium est d'environ 1,7 % en poids est traité à l'aide d 'un agent également aggloméré par pressage à froid et dont la composition est la suivante : 60 % de cobalt, 20 % de magnésium, 20 $ d'aluminium. La température 15 de traitement est la mime que celle de 11 exemple 1. Les caractéristiques mécaniques des mêmes échantillons que ceux de l'exemple 1 et coulés à la même température sont les suivantes : 2 2 2 kg/mm kg/mm % kg/mm 20 49,4 34,3 16,8 154 L'examen de la structure montre à nouveau que les sphéroïdes sont bien formés dans une structure ferritique dont la teneur en perlite est au maximum de 5 %. exemple 3 25 Foiuar réaliser par coulée continue des barres horizontales (de 35 à 43 mm de diamètre) en fonte à graphite sphéroïdal et à structure Essentiellement ferritique, il est nécessaire de retraiter périodiquement à l'aide d'additifs contenant du magnésium le fer initial ayant été traité de manière habituelle par différents alliages à base de magnésium et se trouvant dans le récipient de maintien 30 en température de la machine de coulée, afin de compenser l'affaiblissement du traitement initial au magnésium. Lorsqu'on utilise des alliages habituels de magnésium contenant du silicium, la teneur en silicium augmente continuellement et diminue l'aptitude à la déformation plastique de la billette ferritique. Ce traitement effectué selon 35 l'invention par addition de magnésium et de cobalt à l'exclusion de silicium ne provoque aucune augmentation néfaste de ce dernier, et il est possible d'en conserver à coup sûr la teneur optimale initialement prévue. La fonte liquide à graphite sphéroïdal pré-traitée est ajoutée à raison de 400 à 800 kg à intervalles d'environ 1 heure à celle qui se trouve dans le 40 récipient de maintien en température de la machine de coulée continue. Le traitement est effectué par le procédé par immersion à l'aide de 3,5 kg d'additif à 70 47091 - 5 - 2072125 base de magnésium et de cobalt à intervalles de 10 à 15 minutes. La température de traitement est de 1340°C. La billette ainsi réalisée a les résistances mécaniques suivantes : 2 2c 2 tf"g38 à 45 kg/mm , 43 à 65 kg/mm , ù17 à 21 %, dureté Brinell 170 kg/mm . La microstructure solidifiée est essentiellement et très régulièrement ferritique sur la totalité de la section et comprend de petits sphéroïdes extrêmement bien formés. Les additions de magnésium et de cobalt régularisent visiblement la structure, empêchent la séparation de cémentite eutectique et réduisent les occlusions de laitier et de soufflures. Il est bien entendu que l'invention n'est pas limitée aux exemples décrits. Par ailleurs, il va de soi que des traitements par recuit peuvent .améliorer les très bonnes caractéristiques mécaniques des pièces de fonte-. Il va de soi que l'invention n'a été décrite qu'à titre explicatif et nullement limitatif et qu'elle est susceptible de diverses variantes, sans sortir de son cadre. BAD ORIGINAL 70 47091 - 6 - revendications 2072125 1. Procédé de production de fonte à graphite sphéroïdal, caractérisé en ce que le fer initial est additionné simultanément au moins de cobalt et de magnésium métalliques ajoutés ensemble en quantités telles que la teneur résiduel- 5 le pondérale de magnésium soit de 0,01 à 0,08 % et la teneur pondérale de cobalt soit de 0,1 à 1,5 %. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le magnésium est remplacé partiellement par au moins un autre élément favorisant la formation de graphite sphéroïdale, par exemple par du calcium, de l'yttrium et/ou 10 des métaux des terres rares tels que le cérium et le lanthane» 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que de l'aluminium est également ajouté au bain en quantité pouvant atteindre 3 % en poids en mâme temps que les autres additifs. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce aue le bain 15 du fer initial est additionné d'agglomérés comprimés et/ou frittes dans lesquels au moins du magnésium et du cobalt sont répartis, mais qui ne contiennent pas de silicium, les impuretés mises à part. 5. Fonte caractérisée en ce qu'elle est réalisée selon l'une des revendications 1 à 4 et utilisée pour des pièces coulées à croissance orientée 20 dendritique des cristaux lors de la solidification, par exemple pour des pièces è parois minces coulées en sable, des billettes ou des pièces coulées dans des moules durables produisant une forte trempe, par exemple en coquille. 6. Fonte caractérisée en ce qu'elle est réalisée selon l'une des revendications 1 à '4, qu'elle a les teneurs pondérales maximales suivantes : 25 2,1 % de silicium, 0,05 % de phosphore et 0,1 % de manganèse et qu'elle est destinée à des pièces coulées à structure de base essentiellement ferritique ayant une aptitude élevée à la déformation plastique à la température ambiante et aux basses températures jusqu'à moins 40DC, ainsi qu'une résilience améliorée,, BAD ORIGINAL