Brevet FR2322935A1 — publié le 19770401

L'invention concerne une nouvelle formule de fonte à teneur élevée en aluminium et le procédé permettant sa fabrication. Les alliages de fonte à l'aluminiun. et comportant une teneur d'aluminium su périeure à 5% suscitent un intérêt récent et les,recherches se sont considé rablement développées depuis 1950 sur ce type de fonte. On sait en effet qu'elle présente des caractéristiques qui suscitent l'intérêt des utilisateurs notamment en raison de sa résistance à la corrosion, sa résistance aux hautes températures ou réfractarité et les possibilités d'obtention d'une fonte amagnétique. On sait cependant que les fontes à haute teneur en aluminium par exemple supérieure à 5% présentent des propriétés mécaniques défavorables ; leur résistance à la traction est faible ; elles sont cassantes ; elles sont diffi cilement usinables et ne peuvent être travaillées qu'à la meule. Les fontes à l'aluminium réalisées à ce jour sont essentiellernent des fontes à graphite lamellaire ce qui rend le matériau cassant et non malléable. Les fontes malleables préparées dans la fonderie traditionnelle sont obtenues par des traitements thermiques notamment par recuit prolongé au cours duquel le carbure ou cémentite se décompose et libère le graphite, ce graphite libre prend la forme de sphérules de petite.dimension noyées dans la ferrite; ces fontes à graphite nodulaire ou sphéroidal sont plus facilement malléables et ductiles et présentent des propriétés mécaniques intéressantes. Cependant la préparation de ces fontes malléables à graphite sphéroidal néSces- site un traitement thermique long et délicat qui en augmente le prix de revient fl serait intéressant d'obtenir des fontes alliées à l'aluminium à graphite sphéroidal; ces fontes présentant ainsi des caractéristiques physiques améliorées dues aux métaux d'alliage tout en bénéficiant d'une bonne usinabilité. n nta pas été possible jusqu'à ce jour de réaliser des fontes alliées à l'aluminium présentant la structure de fonte malléable à graphite nodulaire ; pour ces raisons les fontes à l'aluminium sont restées limitées dans leurs a,Dplica- tions à des domaines restreints mettant essentiellement en oeuvre leurs caractéristiques de haute résistance aux températurg élevées ou leurs propriétés de resistivité électrique ou d'amagnétisme. Par contre les difficultés de travail des fontes à l'aluminium et la pauvreté des caractéristiques mecaniques, notamment leur faible résistance au cisaillement ou la traction n'ont pas permis due développer leur emploi. La présente invention vise à remédier à ces divers inconvénients et permet de réaliser une fonte malléable à l'aluminium à graphite nodulaire; l'invention permet d'obtenir une telle fonte , directement à partir de la coulée, sans passer par des traitements thermiques ultérieurs faisant appellent à des recuits et/ou trempes. L'invention concerne un procédé de préparation d'une fonte alliée à l'alumi- nium à graphite nodulaire et caractérisé en ce que l'on prépare selon les pro :cédés connus une fonte ne contenant que du carbone dans une proportion comprise entre Z et 4%, que llon~incorpore à cette matière de base les éléments suivants dont la proportion pondérale est donnée par rapport au poids de fonte de départ. aluminium 9 à à 27 5; - silicium o, 8 . à 4 - magnésium 0, 8 à 1,5% Plus particulièrement la fonte de l'invention ne comporte aucun autre élément composant de départ en dehors des éléments ci-dessus ; les composants secondaires habituels tels que phosphore ou soufre n'étant présents qu'à l'état de trace ou d'impuretés. Plus précisément les additifs incorporés dans la fonte ne comportent aucun métal gammagéne tel que le manganèse ou le nickel ; l'introduction de mans ganèse dans la fonte conforme à l'invention est notamment formellement exclue ; ce point différencie dans les caractéristiques de composition la fonte à l'alumini um selon l'invention des fontes antérieurement connues qui recourent systématiquement à des teneurs en manganèse comprises entre 0, 3 et 6%. Le demandeur a constaté que la présence d'un métal d'addition tel que le manganèse ou autre métal gammagène, s'opposait à la nodulation du carbone et se traduisait par la présence de carbures au sein du métal refroidi. Le demandeur a pu obtenir la nodulation du graphite en utilisant à titre d' additifs un mélange de silicium et de magne'siu7nen proportion convenable. L'introduction du silicium est inférieure aux taux habituels , tandis que l'utilisation du magnésium se fait dans une proportion très supérieure aux dosages utilisés à ce jour. Selon une formulation préférée la fonte est réalisée à partir des éléments composants et dans les proportions indiquées ci-après - - aluminium 9 à 18 - carbone 2, 6 à 3, 8 - silicium 0, 8 à 2 - magnésium 0, 8 à 1, 2 % .- fer le reste L'étude micrographique de la fonte obtenue selon llinvention révèle la présence de nodules de graphite noyés dans une matrice constituée d'u système perlitique ou ferito-p erlitique. Ainsi qu'on le précisera plus loin les compositions données ci-dessus correspondent à l'introduction des matières premières ou composants de départ et ne préjugent pas de la formule finale de la fonte refroidie. Cette dernière faisant apparaitre la disparition de certains éléments tels que le magnesium éliminé au cours du traitement. Les essais ou analyses auxquels il a été procédé par le demandeur ont montré que la fonte de ltinvention présentait une malléabilité et une ductibilité très poussées allant même jusqu'à permettre le martelage et pliage à froid du matériau dans certaines limites. La fonte est en outre particulièrement bien usinable et peut être travaillée par les outils conventionnels alors queles fontes à l'aluminium connues, pour des teneurs en aluminium correspondantes ne pou vaient être travaillées qu'à la meule; la fonte présente en outre des caractéris tiques et propriétés mécaniques remarquables; la résistance à la traction de la fonte selon l'invention peut atteindre et dépasser,50 kilos par millime- tre carré; son allongement est de l'ordre de 3%. En outre la fonte selon l'invention offre les caractéristiques de résistance à la chaleur et à la corrosion des fontes alliées à l'aluminium. Son t:aractère nodulaire lui donne une résistance à la corrosion bien supérieure à toutes les fontes lamellaires meme à lta,luminium. Selon une autre caractéristique de l'invention la fonte malléable alliée à l'aluminium à graphite nodulaire est obtenue directement de coulée sans traitement thermique. Cette caractéristique est une particularité intéressante de llinvention puis qu'élle permet d'obtenir directement une fonte à graphite nodulaire dont les propriétés mécaniques sont remarquables ; en-effet cette fonte allie les caractéristiques connues des fontes malléables à graphite nodulaire et les propriétés des fontes à l'aluminium ; cependant et c'est là un avantage remarquable et une caractéristique essentielle de l'invention une telle fonte à graphite nodulaire est obtenue sans traitement thermique de recuit L'invention permet d'aboutir à ce meme résultat sans passer par l'étape longue et nécessairement conteuse du traitement thermique. A cet effet l'invention concerne également le procédé de préparation d'une fonte conforme aux données ci-dessus et en suivant un processus opératoire particulier. L'invention concerne un procédé de préparation de fonte alliée à llaluminium, malléable et à graphite nodulaire, caractérisée en ce que l'on utilise une matière de base constituée par une fonte de départ comportant uniquement le fer et le carbone, cette fonte de départ portée à une température comprise entre 1 400 et l 450" est versée sur l'aluminium d'alliage amené à une température comprise entre 600 et 7000, l'aluminium à l'état pateux étant associé à des additifs sous forme de silicium et de magnésium. De préférence la fonte de départ et contenant le fer et le carbone est versée à une température comprise entre 1430 et 14500 dans une poche ou. four préa labEnent préchauffé et contenant les lingotins préalablement préparés comportant l'aluminium, le silicium et le magnésium amenés à une température de l'ordre de 630 à 6ex0". La coulée en moule peut être opérée immédiatement après l'opération précé d ente. Selon une forme particulière de mise en oeuvre du procédé conforme à l'inven tion, l'apport d'aluminium d'alliage se fait sous forme d'un alliage aluminium/ magnésium. On peut ainsi utiliser l'alliage connu sous la référence AG 10. De préférence encore l'incorporation du silicium dans la fonte se fait sous forme d'alliage ferro silicique ; par exemple on peut utiliser un alliage de fer à 75% de silicium. Selon encore une forme particulière de mise en oeuvre de l'invention, la fonte de départ après avoir été versée une première fois dans une poche de coulée préalablement chauffée à blanc ou dans un four pré-chauffé et ayant reçu les composants additionnels : aluminium, silicium et magnésium , subit un traitement ultérieur constitué par une seconde coulée dans un creuset ou un four chauffé à blanc et contenant 0, 5 à 2 %poids total de la fonte d'un mélange comportant en partie égale du calcium, du silicium et du magnésium. La fonte obtenue selon ce procédé révèle après analyse une dureté Brinnel de tordre de 280 à 320 ; sa résistance à la traction dépasse 50 kilos au millimètre carré et son allongement est de l'ordre de 3%. La fonte selon l'invention apparait donc comme un produit totalement nouveau et par sa compositions et par ses propriétés physiques. La teneur en carbone dépasse les proportions qui ont été utilisées jusqu'à ce jour pour les fontes à l'aluminium pour lesquelles cette teneur est restée plafonnée à 2% alors que le pourcentage de carbone dans la fonte à aluminium de l'invention dépasse cette limite. t', Le maintien du silicium à un niveau modéré dans les fourchettes définies au terme de la présente invention permet donc d'obtenir une fonte à matrice perlitique mais suffisamment riche en graphite libre pour permettre la nodulation de ce dernier et l'obtention de bonnes caractéristiques de malléabilité qui lui sont liées. Dans le procédé on limite en composition finale le silicium entre 0, 80 et 1, 20. Au-dessus la fonte devient plus cassante et possède moins d'allongement. Au-dessous on voit renaitre les carbures, la fonte devient plus dure. Le Brinnel dépasse-400. Selon l'invention on part d'une matière première constituée d'une fonte qui ne comportera que le fer et le carbone ; les autres éléments composants habituels d'une fonte tels que soufre , phosphore, manganèse ou silicium seront main tenus aussi bas que possible et resteront présents à l'état d'impuretés. Dans cettefonte de départ constituant la matière première de base, les élé ments silicium et manganèse doivent etre inférieurs chacun à 0, 025 ; le soute et le phosphore doivent être inférieurs à 0, 008 chacun. Le magnésium est incorporé de préférence sous forme d'alliage ou de mélange avec l'aluminium. Dans une forme de réalisation plus particulière l'apport du magnésiutn se fait en deux phases, dans une première phase, la moitié du magnésium est intro duite sous forme d'alliage aluminium/magnésium à environ 4à 10% de magné sium; dans une deuxième phase la seconde moitié du magnésium est incorporée sous forme d'un mélange concassé comportant en parts égales: du magnésium, du silicium et du calcium, ce mélange constituant un additif final mis dans une poche de coulée, cubillot ou four porté au rouge et dans lequel la fonte ayant subi le traitement précédent et donc contenant l'aluminium d'alliage est alors coulé On a décrit ci-après un exemple concret de réalisation conforme à l'invention et présente à titre d'exemple non limitatif ; il illustre une forme de réalisation et de mise en oeuvre du procédé de l'invention en vue de la fabrication d'une fonte telle que décrite ci-dessus. t f On fait fondre 100 kilos d'une fonte type GSI ou fonte de Suède à 4% de car bone, la teneur en silicium et manganèse étant inférieure à 0, 030 pour chacun des composants et la teneur en soufre et phosphore étant inférieureà 0, 010 pour chacun de ces éléments. Cette fonte constitue la fonte de base permettant l'apport des composants fer et carbone. La font e est chauffée dans un four au fuel ou dans un four électrique jusqu une température de 1450 . Parallèlement on fait chauffer un deuxième four ou une poche de coulée à une température comprise entre 600 et 7000 ; dans ce four, chauffé à blanc on introduit un lingot de 1, 5 kilo de ferro-silicium concassé et ramené à la granulométrie de grains de blé; la teneur de l'alliage en silicium étant de 75% ; on introduit parallèlement dans ce second four un lingot de 11 kilos d'AG 6 comportant: - aluminium 10, 340 kilogrammes - magnésium 0, 660 kilogrammes Dans l'aluminium amené à l'état pateux on enfonce un morceau de magnésium de 0, 240 kilo, de telle façon que le-magnésium ne surnage pas et en évitant cependant de l'amener jusqu'au contact de la paroi afin d'éviter une élévation trop grande de la température du magnésium. Dans ce second four ou poche de coulée contenant les additifs ci-dessus on verse la fonte de base préalablement fondue et à une température de 1450 ; la perte thermique par coulage en atmosphère abaissera la température de la fonte dans un second four ou poche de coulée à la température de 14300. Après ce traitement la fonte ainsi préparée est coulée, après dix minutes de repos, dans un troisième four ou poche de coulée contenant 2 kilos d'un mélange en trois parties égales de calcium, silicium et magnésium concassés et contenus dans une feuillue d'aluminium De façon surprenante, les conditions opératoires ci-dessus décrites évitent toute combustion explosive du magnésium ; ce dernier se dégage et provoque vraisemblablement au sein de la fonte liquide un choc thermique qui entraine la formation de nodules de graphite à partir du graphite libre présent dans la fonte. n suit que dans la composition de la fonte finale après refroidissement le magnésium a presque totalement disparu. Le pourcentage d'aluminium au sein des composants de départ sera de préférence de 9% ou d'un multiple de cette valeur ; on utilisera donc un pourcentage d'aluminium sensiblement de 9% Qu de 181lu ou d'éventuellement de 27% ; ces taux correspondant à des points singuliers sur la courbe des qualités mécaniques obtenues par l'alliage selon l'invention ; ces taux corres ponuent vraisemblablement à des proportions stoechionétriques de composés résultant de la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. On précisera encore que la proportion de carbone à utiliser parmi les éléments composants de départ sera adaptée en fonction des proportions des matériaux et de l'appareillage utilisé ; c'est ainsi qu'il est connu de l'homme de métier que le four à fuel entraine des pertes de carbone qui d evront étire compensées au départ par un renforcement proportionnel de cet élément composant; inversement l'utilisation d'un four électrique n'implique aucune perte de carbone il permettra de respecter rigoureusement les pourcentages définis dans le présent mémoire descriptif. Il est entendu en outre que la composition du carbone est calculée essentiellement en fonction du composant fer , l'incorporation d'une fraction plus importante d'aluminium, allant jusqu' 18 ou 27% fera tomber le taux de carbone dans la fonte finale. Dans ces conditions le taux de carbone dans la fonte finale va dépendre des pourcentages d'aluminium incorporé s et ajoutés à titre de métal d'alliage elle carbone présent dans la fonte de départ sera voisin de 3% et tombera en dessous de cette valeur en fonction du pourcentage d'aluminium incorpore. La fonte réalisée selon le procédé peut être obtenue à un prix de revient qui est inférieur au prix de revient des fontes malléables conventionnelles obtenues par des procédés thermiques ; cependant si la fonte de l'invention possède des propriétés mécaniques comparables ou meme supérieures, elle présente en outre l'avantage des caractéristiques physiques-- spécifiques de la fonte à l'aluminium et notamment sa résistance à la corrosion. REVENDICA TIONS c l - L'invention concerne un procédé de préparation d'une fonte alliée à I'alumi- nium à graphite nodulaire et caractérisé en ce que l'on prépare selon les procédés connus une fonte ne contenant que du carbone dans une proportion comprise entre 2 et 4%, que l'on incorpore à cette matière de base les éléments suivants dont la proportion pondérale est donnée par rapport au poids de fonte de départ. - aluminium de 9 à 27 - silicium de 0, 6 à 2 - magnésium de 0, 8 à 1,4 c 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisée -en outre en ce que la fonte de départ ne comporte aucun métal d'addition ; les composants secondaires habituels tels que le manganèse, le silicium, le phosphore ou soufre n'étant présents qu'à l'état de trace ou d'impuretés. 3 - Procédé selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la fonte de départ ne comporte aucun composant métallique gammagène tel que le manganèse ou le nickel. 4 - Procédé selon l'une des revendications ci-dessus, caractérisé en ce que la fonte est obtenue directement de coulée sans traitement thermique. 5 - Procédé de préparation d'une fonte alliée à ltaluminium, malléable et à graphite nodulaire, conforme à l'une des revendications 1 à 4 ci-dessus caractérisé en ce que lion utilise une matière de base constituée par une fonte de départ comportant uniquement le fer et le carbone, cette fonte de dépare est pprtée à une température comprise entre 1400 et 14500 et elle est versée sur l'aluminium d'alliage amené à une température comprise entre 600 et 7000 l'aluminium à l'état pateux comportant les additifs sous forme de silicium et de magnésium. 6 - Procédé selon la revendication 5 , caractérisé en outre en ce que la fonte de départ eontenant le fer et le carbone est versée à une température comprise entre 1430 et 14500 dans une poche ou four préalablement préchauffé et contenant les lingotins préalablement préparés composant l'aluminium, le silicium et le magnésium amenés à une température de l'ordre de 630 à 650". 7 - Procédé selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que l'adjonction de I'aluminium d'alliage se fait sous forme d'un alliage alurninium/ magnésium. 8 ~ Procédé selon l'une des revendications 4 à 7 ci-dessus, caractérisé en ce que l'incorporation du silicium dans la fonte se fait sous forme d'alliage ferro silicique. 9 - Procédé selon la revendication 8 dans lequel l'incorporation du silicium se fait sous forme de ferro silicium à 75qlo de silicium, à l'état concassé et ramené à la granulométrie de grains de blé. 10 - Procédé selon l'une des revendications 4 à 8 ci-dessus, et dans lequel la fonte de départ aprèsàvoir été versée une première fois dans une poche de coulée préalablement chauffée à blanc ou dans un four préchauffé et ayant reçu les composants additionnels : aluminium, silicium et magnésium, subit un traitement ultérieur constitué par une seconde coulée dans un creuset ou un four chauffé à blanc et contenant de 2 à 4% du poids total de la fonte d'un mélange comportant en partie égale du calcium, du silicium et du magnésium; Il - Procédé de préparation d'une fonte conforme à l'une des revendications 4 à 10 ci-dessus, le procédé étant caractérisé en ce que l'on utilise une fonte de départ contenant uniquement les éléments composants fer et carbone, que cette fonte de départ est portée à une'température comprise entre 1430 et 1450 , que llon chauffe préalablement au rouge un conteneur de capacité appropriée tel que four ou poche de coulée, amené à une température comprise entre 600 et 700" > que l'on introduit dans ce conteneur l'aluminium d'alliage sous forme lui même d'alliage d'aluminium et de magnésium, contenant sensiblement 40% du magnésium total à utiliser, qu'après fusion de llaluminium/magnésium d'apport on ajoute dans la masse pateuse ainsi formée sensiblement 20% du magnésium total à introduire dans la fonte, ce magnésium étant introduit à l'état pur et lui même soumis à fusion dans la masse pateuse de l'alliage d'aluminium/magnésium, que l'on introduit égale ment dans le conteneur le silicium sous forme de fero silicium, que l'on coule la fonte de départ dans le conteneur ayant ainsi reçu les additifs : aluminium, silicium et sensiblement 60% du magnésium, que l'on prépare parallèlement un second conteneur porté à une température de l'ordre de 600" dans lequel on place un mélange en trois parties égales de silicium, magnésium et calcium, ce mélange correspondant sensiblement à 2% en poids de la fonte totale à obtenir, le mélange triparti, silicium, magnésium, calcium étant maintenu dans un emballage formé par une feuille d'aluminium, la fonte ayant subi le premier traitement et comportant l'aluminium d'alliage et les éléments silicium et magnésium est coulée une seconde fois dans ce second conteneur. 12 - Procédé de préparation selon l'une des revendications ci-dessus, carac térisé en ce que le pourcentage d'aluminium incorporé dans la fonte de départ est multiple de 9. 13 - Fonte caractérisée lorsqu'elle est obtenue par un procédé conforme à l'une des revendications ci-dessus.