Brevet FR2242466A1 — publié le 19750328

la présente invention concerne l'inoculation des fontes. Bes caractéristiques mécaniques et d'usinabilité d'une fonte que celle-ci soit une fonte graphite lamellaire ou une fonte à graphite sphéroldal, sont liées à la matrice obtenue lors de la solidification de la pièce dans le moule. la constitution de la matrice après solidification est fonction de deux facteurs principaux a) analyse chimique de la fonte, b) vitesse de solidification dans le moule qui est liée à la forme géométrique à obtenir. En pratique, le premier facteur est le seul sur lequel on puisse agir pour obtenir une pièce avec une matrice bien déterminée. On constate donc que pour obtenir une même matrice dans deux pièces de formes géométriques différentes, donc de vitesses de refroidissement différentes, il est nécessaire de couler ces pièces avec des fontes d'analyses différentes. Ces analyses sont liées par un facteur appelé "carbone équivalent" qui est la somme arithmétique des pourcentages des éléments contenus dans la fonte, chacun de ces éléments étant affecté d'un coefficient suivant son action graphitisante ou anti-graphitisante. On a toutefois remarqué que l'addition en faible quantité de certains produits généralement à base de silicium ou de carbone a une fonte de carbone équivalent donné modifiait le mode de solidification de-la fonte, donc la matrice obtenue, cette modification ne pouvant pas gtre justifiée par la très faible variation de l'analyse chimique due à l'addition de ces produits. En fait les fontes qu'elles soient à graphite lamellaire ou à gra ophite sphéroïdal deviennent moins dures et plus faciles à usiner. Ces produits sont appelés "inoculants" et ltopération -"inoculation de la fonte"0 Toutefois l'effet d'inoculation ntest que temporaire et il disparaît au bout d'un certain temps qui, compté en minutes, est appelé temps d'évanouissement. Une fois ce délai passé, les pièces coulées avec le métal liquide ayant reçu l'addition présenteront les mêmes caractéristiques de forte dureté et dtinusinabilité que si elles avaient été coulées avec le métal liquide de base avant traitement. I1 est donc essentiel que la solidification de la pièce intervienne avant l'évanouissement et donc que la coulée suive d'aussi près que possible l'inoculation. D'autre part le pourcentage d'inoculant ajouté conditionne les résultats obtenus, c'est -dire la dureté et l'usinabilité. I1 en résulte qu'un poids donné a1 inoculant doit être réparti uniformément dans un poids donné de métal liquide, le poids du métal liquide n'étant généralement pas connu avec précision. Belon une première technique, les produits inoculants sont ajoutés au bain liquide dans la poche avant la coulée dans les moules pour l'obtention des pièces moulées. Le métal ainsi traité avec un pourcentage d'inoculant donné ne peut etre utilisé que pour a coulée de pièce identiques en ce qui concerne les caractéristiquels finales et'la massivité. Pour des pièces différentes, il est nécessaire de prélever une nouvelle quantité de métal liquide qui sera traitée par un pourcentage différent d'inoculant. D'autres techniques -d'inoculation ont été essayées à ce jour, en particulier des techniques consistant à déposer dans le moule une certaine quantité de produit inoculant que l'on essaie de maintenir en position soit en la déposant sur un filtre céramique, soit en la clouant dans le moule. L'inoculant se trouve alors lavé par le métal liquide qui pénètre dans l'empreinte. Ces tech- niques donnent toutefois des résultats irréguliers et dans le premier cas la présence du filtre céramique qui n'est pas détruit et qui se trouve réintroduit dans les fours lors d'une nouvelle fusion du métal, détériore les fours très rapidement.De plus, dans le cas des fontes à graphite sphéroidal, l'emploi d'un filtre favorise la formation de pellicules d'oxydes de magnésium et d'alumi sium qui nuisent à la bonne venue et au bel aspect des pièces obtenues. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients et elle a pour objet-un procédé d'inoculation des fontes caractérisé en ce que l'on dispose dans la descente de coulée, en amont de l'empreinte du moule, un élément moulé en le produit inoculant, élément moulé qui est en contact avec le flux de métal fondu. De préférence l'élément moulé en le produit inoculant est perforé et disposé dans la descente de coulée pour être traversé par le flux de métal fondu. L'élément moulé est réalisé par agglomération de grains du ou des agents inoculants au moyen d'un liant usuel ou par frittage. Comme liant,on peut utiliser des huiles, des amidons, des résines ou de préférence du silicate de soude qui durcit par réaction avec le silicium. le durcissement par le silicate de soude peut être fortement accéléré et rendu plus efficace par le moulage sous très forte pression. La granulométrie a, dans cé mode de réalisation, une importance - toute particulière. Des particules trop fines donneraient une couronne compacte qui se dissoudrait très mal au contact du métal liquide et formerait un amalgame. Par contre de gros grains ne permettraient pas de réaliser un élément moulé ayant une résistance mécaniqué suffisante et des grains pourraient se trouver entraités parole métal liquide avant leur dissolution complète. En conséquence et conformément à l'invention la granulométrie moyenne est comprise entre 1,5 et 3 mm. les produits inoculants utilisés pour la mise en oeuvre du procédé sont de préférence du type ferro-silicium contenant environ 75% de silicium, le reste étant du fer avec les impuretés habituellement introduites lors de ltélaboration : aluminium 0,60 -à 1,50%; calcium 0,10 à 0,30 avec des traces de titane et de manganse.On peut d'autre.part-y ajouter d1autres éléments augmentant l'efficacité inoculant du ferro-silicium tels que : calcium .0,5 à 30%, zirconium 1 à 10%, baryum 1 à 15%, strontium 0,1 à 1% et manganèse 0,5 à 10%, tous ces pourcentages étant en poids du ferro-silicium, Avec le procédé conforme à l'invention, le poids de l'é- lément moulé est calculé en fonction du pourcentage d'inoculation désiré, c'est-à-dire en fonction du volume de l'empreinte et des caractéristiques recherchées pour la pièce moulée. I1 en résulte qu'il est possible, avec un même métal de base, de couler des pièces différentes en caractéristiques et en massivité puisque l'inoculation est adaptée d'une façon propre à chaque moule.De même, dans la fabrication de la fonte à graphite sphéroidal, les traitements de sphéroïdisation sont souvent réalisés par transva serments successifs du~métal liquide, ce qui entraîne une chute importante de la température du métal liquide. le procédé de l'ìnven- tion supprime l'opération de transvasement nécessaire pour l'inoculation en poche, ce qui évite une perte de température et ne né èessite donc pas au départ une surchauffe toujours nuisibie du mé tal liquidé. Avec ce procédé, le temps qui stécoule entre le début de la coulée, c'est-à-dire le début de l'action inoculante de i'é1é- ment moulé, -et -la solidification de la pièce dans le moule, est très nettement inférieur au temps d'évanouissement. Ce phénomène d'évanouis ement n'est donc pas à craindre dans la mise en oeuvre du procédé objet de la présente invention. On décrira- ci-après divers exemples de mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention avec référence aux dessins ciannexés dans lesquels Fig. 1 est une coupe schématique du moule avec 11 élément moulé en couronne conforme à l'invention; Fig. 2A à 2D sont des micrographies d'échantillons obtenus par le procédé d'inoculation antérieur et celui conforme à l'invention, avec deux conditions différentes de mise en oeuvre pour chaque procédé; Fig. 3 est une vue en perspective illustrant la forme des éprouvettes coulées dans une deuxième série d'essais comparatifs de mise en oeuvre; Fig. 4 est un graphique des duretés Brinell fonction de l'épaisseur constatées sur les trois éprouvettes obtenues dans cette deuxième série d'essais;; Fig. 5 est une vue en perspective illustrant la forme des éprouvettes coulées dans une troisième série d'essais comparatifs de mise en oeuvre; Fig. 6 est un graphique des duretés Erinell fonction de l'épaisseur constatées sur les trois éprouvettes obtenues dans cette troisième série d'essais; Fig. 7A à 7D sont des micrographies de l'éprouvette de cette troisième série d'essais, obtenue par le procédé d'inoculation antérieur, micrographies correspondant aux différentes épais moteurs de ltéprouvette;; Fig. 8A à 8D sont des micrographies de l'éprouvette de cette troisième série d'essais, obtenue par le procédé conforme 9 l'invention, micrographies correspondant aux différentes épais seurs de l'éprouvette. Dans les exemples ci-après on a utilisé comme inoculant un ferro-silicium à 75o de silicium contenant comme impuretés 1,5% d'aluminium et 0,2% de calcium. Dans ces exemples, le procédé conforme à l'invention a été mis en oeuvre en utilisant le-moule représenté à la figure 1, la forme de l'empreinte étant définie ci-après et l'empreinte pouvant être complétée par des masselottes pour couler toujours le même poids de métal, ce qui a permis d'utiliser des éléments moulés ou couronnes ayant toujours les mêmes caractéristiques. le moule constitué par le corps de moule 1 et un dessus 2 assemblés selon un joint 3 comporte une descente de coulée 4 réunie comme habituellement par un système dtalimentation 5 à ltem- preinte du moule 6. Dans le plan du joint est placé l'élément moulé dit couronne 7 comportant un orifice central à travers lequel passe le métal liquide entre la descente de coulée 4 et le système alimentation 5. Pour faciliter la dissolution et l'homogénéisation du produit inoculant constituant la couronne 7, il est prévu, dans la descente dé coulée, immédiatement avant la couronne, une cavité 8, et le métal ayant traversé la couronne est recueilli dans une cavité 9 d'où il s'écoule dans le système d'alimentation 5. Dans les exemples du procédé conforme à l'invention décrits ci-après la couronnè 7 avait 50 mm de diamètre extérieur, 15 mm de diamètre intérieur et 13 mm d'épaisseur et son poids était de 56 grammes. Elle était constituée par 95% en poids du ferro-silicium décrit ci-dessus aggloméré par 5% en poids de silicate de soude. le ferro-silicium était sous forme de grains de 1,5 à 3 mm avec 5% en poids de grains inférieurs à 1,5 mm et 1056 en poids de grains supérieurs à 3 mm. La couronne de 56 grammes contenant 53 gr 2 de ferro-sili cium a été utilisée pour la coulée de 26 kg 600 de fonte soit un pourcentage d'inocumation de 0,2% donc inférieur aux pourcentages -utili5és dans le- cadre du procédé antérieur, ce qui constitue un avantage de-l'invention. EXEMPLE 1 On a préparé une fonte présentant comme analyse chimique Carbone 3,63 % en poids Silicium 2,60 " Manganèse 0,44 ffi Soufre 0,061% " On a alors procédé à la coulée de quatre échantillons dans les conditions suivantes Echantillon A. Immédiatement après avoir prélevé 100 kg de métal -liquide, on a inoculé celui-ci en poche avec 0,3 kg de ferro-silicium suivant le procédé usuel et on a coulé une pièce pesant 26 kg 6ç Echantillon B. Immédiatement après avoir prélevé 100 kg de métal liquide, -on a coulé la même pièce dans le moule conforme à l'invhntion décrit- ci-dessus. Echantillon C. On a opéré dans les memes conditions que pour l'échantillon A en laissant s'écouler 30 minutes entre l'ino culation dans la poche et la coulee de la pièce. Echantillon D. On a opéré dans des conditions identiques à celles de 11 échantillon B mais en laissant s'écouler 30 minutes entre le prélèvement du métal liquide et la coulée de la pièce dans le moule. Les micrographies des pièces obtenues sont reproduites dans les figures 2A à 2D. Dans ces micrographies les parties claires en formé d'aiguilles sont des carbures. Les carbures ren dent la fonte inusinable et le but recherché par l'inoculation est l'absence totale de carbures à l'état brut de coulée. A l'examen de ces micrographies on constate la présence dans l'échantillon C d'une formation très importante de carbures, ce qui montre que le délai d'évanouissement était dépassé alors que la structure de l'échantillon D était très analogue à celle des échantillons A et B0 EXEP:IPI;E 2 On a prélevé au cubilot une poche de 200 kg de fonte ayant pour analyse chimique Carbone 3,21% en poids Silicium 2,10% Manganèse 0,52% Soufre 0,11% tt Phosphore 0,32% Avec cette fonte on a coulé trois éprouvettes en gradins dont les dimensions sont données dans la figure 3. L'éprouvette E-a été coulée avec la fonte non inoculée. l'éprouyette F a été coulée-avec la fonte de base inocu lée 4vec 0,3 de ferro-silicium. L'éprouvette G a été coulée conformément au procédé de l'invention dans un moule muni du dispositif illustré à la figure .1. Sur ces éprouvettes et dans le but de déterminer l'aptitude à l'usinabilité, on a mesuré. les duretés Brinell sur les épaisseurs 10 muni, 6 mm et 3 mm, l'usinabilité étant d'autant meil Meure que la dureté Brinell est plus basse. Bes résultats moyens sont représentés par le graphique de wla a figure 4 et indiqués dans le Tableau I ci-après Comme on le voit l'éprouvette obtenue par le procédé de l'invention présente une usinabilité égale ou supérieure à celle de l'éprouvette obtenue par le procédé antérieur malgré une ino culationplus faible. Dans les deux cas l'usinabilité est très supérieure à celle de l'éprouvette en fonte non inoculée dès que l'épaisseur décrolt. TABLEAU I Spaisseur de l'éprouvette 10 6 3 en mm Eprouvette E 179 197 550 Eprouvette F 179 187 269 -Eprouvette G 179 187 255 EXEMPLE 3 - On a prélevé 200 kg de métal fondu au four électrique que l'on a traités avec 2% en poids de ferro-silico-magnésium contenant 8 à 10% en poids de magnésium.On a obtenu une fonte de base ayant pour analyse chimique : Carbone 3,76% en poids Silicium 2,72% " -Manganèse O,18% " Soufre 0,009% Il Magnésium 0,041% Avec cette fonte on a coulé trois éprouvettes en gradins dont les dimensions sont données à la figure 5. L'éprouvette H a été coulée avec la fonte non inoculées L'éprouvette J a été coulée avec la fonte inoculée avec 0,7% en poids de ferro-silicium. l'éprouvette K a été coulée après le même traitement de sphéroïdisation, conformément au procédé de l'invention, dans un moule muni du dispositif illustré à la figure 1. Dans ce cas le pourcentage d'inoculant a été porté à 0,4% par utilisation de deux couronnes. Sur -chacune des éprouvettes H à K, on a mesuré les duretés Brinell sur - les épaisseurs 20 mm, 15 mm, 10 mm et 5 mm. -Les résultats.moyens sont représentés dans le graphique de la figure 6 et indiqués dans le tableau II TABlEAU II Epaisseur de l'éprouvette 20 15 10 5 en mm Eprouvette H 255,0 360,0 415,0 550,0 éprouvette J 172,5 175,0 192,5 200,0 Eprouvette K 155,0 160,0 185,0 195,0 'les micrographies des éprouvettes J et K sont représentées dans les figures 7A à 7D et 8A à 8D respectivement et correspondent A à l'épaisseur de 5 mm, B à l'épaisseur de 10 mm, C à l'épaisseur de 15 mm et D à l'épaisseur de 20 mm. Dans ces micrographies, les parties claires entourant les nodules de graphite sont constituées par de la ferrite et les parties grises par de la perlite et on ne décèle pas de carbures (parties claires en aiguille). Le nombre des nodules de graphite dans le cas de l'éprouvette K est supérieur à celui de l'éprouvette J, ce qui est favorable à 'l'obtention de bonnes propriétés mécaniques. les modes de réalisation ci-dessus décrits à titre d'exemples - sont susceptibles de recevoir de nombreuses modifications sans sortir du cadre de la présente invention. R E V E N D I C A T I O N-S la Un procédé d'inoculation des fontes caractérisé en ce que l'on dispose dans la descente de coulée, en amont de l'empreinte du moule,un élément moulé en le produit inoculant, élément moulé qui est en contact avec le flux de métal fondu 2. Un procédé d'inoculation des fontes selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'élément moulé en le produit inoculant est perforé et disposé dans la descente de coulée pour être traversé par lé flux de métal fondue 3. Un procédé dsinoculation des fontes selon l'une quelconque des revendications 1 et 2 caractérisé en ce que l'élément moulé est réalisé par agglomération de grains du ou des agents inoculants au moyen d'un liant usuel ou par frittage* 4.Un procédé d'inoculation des fontes selon la revendication 3 caractérise en ce que le liant est du silicate de soude le moulage étant effectué sous très forte pression. 5. Un procédé d'inoculation des fontes selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que la granulomé- strie moMenne~des inoculants est comprise entre 1,5 et 3 mm, 6. Un procédé d'inoculation des fontes selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce qu'on prévoit dans la descente de coulée du moule et immédiatement avant l'élément moule , une cavité contigue à ce dernier. 7. 'Un procédé d1inoculation des fontes selon l'une quelconque des- revendications 1 à 6 caractérisé en ce qu'après avoir traversé l'élément moulé, le métal fondu est recueilli dans une cavité d'où il s'écoule dans le système d'alimentation du moule. '8. Un élément moulé perforé destiné à être placé dans la descente de coulée d'un moule pour fonte caractérisé en ce qu'il est constitué par un inoculant aggloméré. 9. Un élément moulé selon la revendication 8 caractérisé en ce que l'inoculant est constitué, en poids', par 100 parties de ferro-silicium, avec en outre un ou plusieurs additifs choisis parmi 0,5 à 30 parties en poids de calcium, 1 à 10 parties en poids de zirconium, 1 à 15 parties en poids de baryum, O, 1 à 1 partie en poids de strontium et 0,5 à 10 parties en poids de manaanèse. io. Un élément moulé selon l'une quelconque des revendications 8 et 9 caractérisé en ce que l'inoculant est sous forme de grains ayant une dimension moyenne de 1,5 à 3 mm.