Brevet FR2374986A1 — publié le 19780721

La présente invention est relative à un procédé de traitement thermique en continu de profilés métalliques en fonte à graphite sphéroldal obtenus par coulee continue à partir d'une poche dont l'orifice de sortie est muni d'une coquille conférant à ces profilés une forme déterminée en section droite. I1 est connu de produire des profilés par le procédé de coulée continue, suivant lequel , à partir d'une poche ou dlun four , on extrait le métal à travers ane filière ou-coquille généralement en graphite ou en cuivre, qui est munie de moyens assurant un refroidissement suffisant du métal pour conférer au profilé une tenue mécanique correcte. La structure du profilé refroidi dépend d'un certain nombre de paramètres, les uns étant propres au métal, les autres étant liés au procédé. Les paramètres spécifiques du métal sont principalement sa composition chimique, qui définit sa température ou son intervalle de solidification, son degré de germination, qui implique une éventuelle surfusion par rapport au niveau théorique défini précédemment, et sa température initiale dans le four. La nature du procédé apporte par ailleurs au moins deux autres paramètres qui sont le pouvoir refroidissant de la coquille boune part, et la vitesse de passage du métal dans ladite coquille d'autre part En pratique, la vitesse d'extraction est choisie de sorte que la cadence soit aussi élevée que possible et que le profilé ait une résistance mécanique suffisante à la sortie de la coquille. A cet effet, on détermine la température maximale tolérable à la surface du profilé, juste à la sortie de la coquille, et on règle la vitesse en conséquence.Le profilé peut alors être extrait normalement, par exemple en cadence discontinue, c'està-dire par avances successives, au moyen d'une machine d'extraction à galets, et il se refroidit d'une part à l'air et d'autre part au contact- des galets de la machine,qui le supportent et/ou servent à le faire avancer. La coulée de pièces en fonte à graphite sphéroldal introduit encore des paramètres supplémentaires, puisqu'il s'agit d'un métal qui, suivant la vitesse de refroidissement, peut présenter des structures diverses et, par suite, des caractéristiques très différentes. Si par exemple la solidification est trop rapide, la pièce obtenue contient de la cémentite ou fonte blanche, dure et cassante. Or, dans un certain nombre de cas, les installations de coulée continue ne permettent pas d'obtenir une vitesse de solidification désirée par simple action sur les moyens de refroidissement de la coquille. Par ailleurs, on ne peut pas choisir librement la vitesse d'extraction: pour ralentir la solidification, il faudrait augmenter la vitesse d'extraction pour diminuer le temps de séjour du métal dans la coquille, mais si la vitesse d'extraction est trop élevée, il apparait un risque de rupture du profilé continu dans la zone pateuse ou juste solidifiée. De plus,suivant la vitesse de passage à -la te':rature de déccxrsition de l'austénite,qui varie d'environ 7200C à environ 7800C suivant la teneur en silicium de la fonte, la structure obtenue peut aller de la ferrite pure à la perlite pure, de sorte que les caractéris tiquesmécaniquescorrespondantes sont très différentes. Si dans certains cas une structure est préférable à une autre suivant l'utilisation envisagée, il est bien connu qu'une hétérogénéité structurelle importante est toujours nuisible. Les pièces connues en fonte à graphite sphéroïdal obtenues par le procédé de coulée continue reflètent la difficulté de mattriser ces paramètres parfois contradictoires. C'est ainsi qu'une analyse a montré que la teneur en cémentite pouvait atteindre jusqu'à 20% localement, que le taux de perlite variait de 5 à 80% dans une section et que des retassures ou porosités locales n'avaient pu être éliminées. L'invention a pour but de fournir un procédé du type précité permettant d'obtenir,sans apport extérieur de chaleur,des profilés ayant une structure relativement homogène dans leur section et donc de bonnes caractéristiques mécaniques. A cet effet, le procédé suivant l'invention est caractérisé en ce que l'on isole thermiquement sur une certaine longueur le profilé sortant de la coquille lorsque ce profilé a atteint une température comprise entre 10500C et 9500C, puis l'on opère un refroidissement contrôlé du profilé. Dans un premier mode de mise en oeuvre de ce procédé, le refroidissement contrôlé est un refroidissement accéléré rapide jusqu'à une température inférieure à 7500C. On obtient alors une structure essentiellement perlitique. Dans un second mode de mise en oeuvre, le refroidissement contrôlé est un refroidissement doux naturel ou accéléré jusqu'à une température voisine de 8000C suivi d'une isolation thermique d'une autre longueur de profilé. On obtient alors une structure essentiellement ferritique. Ltinvention a également pour objet une installation de coulée continue pour la mise en oeuvre d'un tel procédé. Cette installation, du type comprenant une poche de coulée dont l'orifice de sortie est muni d'une coquille conférant au métal coulé une forme déterminée en sectiondroite,et une machine d'extraction du profilé disposée dans l'axe de la coquille, est caractérisée en ce qu'elle comporte, disposés coaxialement entre la cpquille et la machine d'extraction, un fourreau thermiquement isolant et, en aval de celui-ci, soit un manchon de refrôidissement accéléré, pour obtenir une structure essentiellement perlitique, soit un second fourreau isolant espacé du premier, ce qui conduit à une structure essentiellement fçrritique. L'invention a encore pour objet des profilés obtenus au moyen du procédé précité. Ces profilés présentent soit une structure à peu près uniforme comprenant 30 à 40% de ferrite dans toute la section droite, soit, dans une meme section, l'analyse suivante: - environ 100%-de ferrite å l'extérieur; - plus de 70% de ferrite à coeur. D'autres caractéristiques et avantages de l'in,vention ressortiront de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif et en regard du dessin annexe, sur lequel: la Fig. I est une vue schématique en plan d'une installation de coulée continue suivant l'invention; la Fig. 2 est un diagramme représentant la température superficielle des différents points du profilé coulé; les Fig. 3 et 4 correspondent respectivement aux Fig. 1 et 2, pour une autre installation suivant l'invention. L'installation représentée à la Fig. 1 comprend une poche de coulée 1, qui peut être un four à induction, contenant de la fonte liquide à graphite sphéroldal. Cette poche comporte un orifice de sortie sur lequel est adapteeune filière ou coquille 2 dont la section droite est celle du profilé 3 à couler, par exemple une section circulaire. A une certaine distance de la coquille 2, et dans l'axe de celle-ci, est disposée une machine d'extraction 4 à fonctionnement intermittent. Cette machine comporte deux galets moteurs de support 5 et 6 munis de moyens de refroidissement et, au-dessus de chacun d'eux,. un galet d'application non visible sur le dessin. A partir de la coquille sont disposés successivement, sur le trajet X-X à peu près horizontal et rectiligne du profilé 3, un premier fourreau 7, un manchon de refroidissement 8, et trois fourreaux 9, 10 et 11. Sur le même trajet sont également prévus des galets de support tels que 6a et 6b Chaque fourreau 7, 9, 10 et 11 est constitué par un tube en acier divisé dans le sens longitudinal en deux parties reliées entre elles par des charnières. Ce tube d'acier est garni intérieurement d'une couche de produit très isolant, tel que de la laine de kaolin. Le diamètre intérieur de chaque fourreau est très légè- rement supérieur à celui du-profilé. Le galet 5 est situé entre les fourreaux 9 et lO,et le galet 6 entre les fourreaux 10 et 11. Le manchon 8 comporte intérieurement des rampes de soufflage d'air 12 reliées par une conduite 13 à une source 14 d'air comprimé, avec interposition d'un organe 15 de réglage de la pression. Les positions axiales du manchon 8 et du fourreau 7 sont réglables. Le fonctionnement de cette installation est le suivant: La machine d'extraction 4 fait avancer le profilé 3 par pas successifs, égaux par exemple à 20 cm. Le profilé traverse tout d'abord, en sortant due la coquille, une zone 16 à l'air libre, ou sa température décroît rapidement. Il pénètre ensuite dans le fourreau 7, où sa température reste à peu près constante. Ce fourreau 7 est disposé de façon que le profilé y pénètre lorsque sa température a atteint une valeur comprise entre 10500C et 9500C. Cette valeur, comme toutes celles dont il est question dans le présent mémoire, est mesurée à la surface du métal. Dans la coquille et dans la zone 16, le métal,en se solidifiant rapidement, donne lieu à la formation de cémentite. Dans le fourreau 7, la cémentite se décompose; la longueur de ce fourreau est choisie suffisante pour assurer dans toute la section du profilé une décomposition complète de la cémentite présente, c'està-dire la graphitisation du carbone Le fourreau 7 est donc un fourreau de graphitisation, et son action est analogue à un recuit sans apport extérieur de chaleur. I1 est à noter que ce recuit peut être d'autant plus bref que la température du métal est plus élevée dans la plage comprise entre 10500C et 950 C. La position du fourreau 7 est donc choisie de telle façon que le recuit s'y produise dans les meilleures condi tionst s'il est trop loin de la coquille 2, la température de recuit est trop basse, et s'il en est trop près, le profilé n'est pas solidifié à coeur lorsqu'il pénètre dans-le fourreau, si bien que des microretassures sont susceptibles de se former. La suite du fonctionnement, qui consiste en un refroidissement contrôlé du profilé de façon à orienter convenablement la transformation métallurgique qui se produit à partir de la phase austénitique, diffère suivant la structure que l'on cherche à obtenir: a) Structure essentiellement perlitique:: Si l'on cherche à obtenir une structure perlitique, ou au moins si une telle structure est admissible, on fait arriver l'air dans le manchon 8 sous pression-relativement élevee, c'est-à-dire à grand débit, le réglage étant tel que, à l'entrée du fourreau 9, la température du profilé soit comprise entre 7500C et 3000c. De préférence, la température passe de 8009C environ à 7000C environ de part et d'autre du manchon 8, ce qui provoque une perlitisation effective. Le profilé 3 traverse ensuite les fourreaux 9 à 11 et la machine 4 sans effet notable sur la structure du métal final. b) Structure essentiellement ferritique: Cette structure est souvent recherchée car elle possède une grande ductilité. Le profilé-3 peut alors trouver de nombreuses applications, par exemple pour réaliser des barres cintrées entrant dans la constitution de voussoirs pourtunnelso On règle la pression et le débit d'air dans le manchon 8 sur une valeur relativement faible choisie de. façon à ce que le profilé 3, qui sort du fourreau 7 -à environ 9500C, pénètre dans le fourreau 9 à une température comprise entre 7500C et 8000C. La ferritisation intervient alors dans les fourreaux 9, 10 et 11, où les pertes de chaleur sont limitées de façon à conserver le plus longtemps possible, sans apport extérieur de chaleur, la température entre 7800C et 7200C. La Fig. 2, qui représente l'évolution de la température en fonction de la distance du profilé par rapport à la coquille, illustre les différentes étapes de ce dernier traitement: à sa sortie de la coquille, le profilé se refroidit rapidement au contact de l'air (portion 16 de la courbe) puis pénètre dans le fourreau de graphitisation 7 dans lequel il séjourne; on obtient alors un quasi-palier 17. Le soufflage d'air provoque ensuite une chute de température 18 relativement rapide à laquelle succède une zone d'homogénéisation 18a, puis un nouveau quasi-palier 19 correspondant à la ferritisation à l'intérieur des fourreaux 9 à 11. Il est à noter que le choix du diamètre intérieur des fourreaux à une valeur légèrement supérieure au diamètre du profilé permet d'éviter les detériorations de la laine de kaolin et de préserver l'état de surface du métal. Mais le jeu doit être minimal pour éviter un effet de cheminée qui réduirait considérablement l'efficacité de l'isolation thermique. I1 faut remarquer que certaines dispositions de l'installation de la Fig. 1 sont imposées par des considérations d'implantation: la poche 1 et la machine 4 étant en place, on a constaté qu'il n'était pas possible, pour effectuer le traitement de ferritisation, de prévoir un fourreau isolant en aval des galets 5,6, sous peine de voir apparaître des îlots indésirables de perlite. C'est pourquoi le fourreau de ferritisation a été scindé en trois tronçons 9, 10, 11. L'entrée du fourreau 9 se trouve alors trop près de la sortie du fourreau 7 pour que la température ait,à son-entrée,la valeur voulue par refroidissement naturel et le soufflage d'air léger du manchon 8 résoud cette difficulté. Mais on comprend que si l'on dispose de suffisamment d'espace pour éloigner la machine 4 de la coquille 2, on peut effectuer le traitement de ferritisation sans accélérer le refroidissement entre les fourreaux 7 et 9, et donc se passer du manchon 8; ou bien, on peut utiliser le manchon 8 mais disposer un unique fourreau de ferritisation suffisamment long en amont du galet 5, au lieu des trois fourreaux 9, 10 et 11. Bien entendu, si l'espace disponible est encore plus grand, on peut combiner ces deux dispositions et n'utiliser que deux fourreaux suffisamment espacés entre la coquille et le galet 5. Dans tous les cas, Si c'est possible, il est souhaitable de prolonger au maximum vers l'aval le fourreau 11, pour provoquer un très lent refroidissement jusqu'à une température plus faible que 7200C, par exemple jusqu'à 6500C. Pour le traitement perlitique, comme indiqué plus haut, les fourreaux 9 à 11 n'interviennent pas. On peut donc- simplifier l'installation en les supprimant, comme représenté à la Fig. 3. La Fig. 4 donne la courbe de refroidissement~correspondante: le fourreau 7 étant disposé tres près de la coquille 2, on obtient un quasipalier 20, puis un refroidissement rapide 21 provoqué par le fort soufflage d'air, puis un refroidissement naturel 22. Exemple I: Traitement de ferritisation: - Fonte utilisée : fonte à graphite sphéroïdal traitée au magnésium,non alliée, de composition suivante: C 3,4% 3,6% Si : 3,1% 2,8% Mg : 0,030% ou 0,030% S :40,010% Fe + impuretés: le le reste reste - Température du métal dans la poche 1 : 1-300 à 13500C. - " à la sortie de la coquille 2:1040 + 200C. - Soufflage d'air sous 1 bar. - Longueur du fourreau 7 : 1200 mm " " " 9 : 800 mm n " 10 : 600 mm " " " 11 : 900 mm - Ecartement de la coquille 2 et du-fourreau 7 : 600 mm du fourreau 7 et du manchon 8 : 400 mm du au manchon 8 et du fourreau 9 : 900 mm L'analyse d'une section du profilé refroidi a donné les résultats suivants (moyenne pour des profilés de diamètre 63 mm et 52 mm): - à peu près 100% de ferrite à l'extérieur; - plus de 70% " " à coeur-; - pratiquement pas d' îlots de perlite. Allongement à la rupture en traction sur éprouvette normalisée : 15% au moins. Exemple Il: Traitement de perlitisation: Avec l'installation de la.Fig. 3, et les mêmes conditions que pour l'exemple I, sauf: - Soufflage d'air sous 2 à 4 bars; - Longueur du fourreau 7 : 1600 mm; - Ecartement de la coquille 2 et du fourreau 7: 150 mm; du fourreau 7 et du manchon 8-: 1400 mm, on a obtenu un profilé de diamètre 63 mm ayant une section à peu près homogène à 30 à 40% de ferrite, avec une résistance à la rupture en traction des couches externes supérieure à 600 N/mm2. Exemple III: A titre de comparaison, an a coule un profilé en utilisant seulement le fourreau 7 de graphitisation. On a obtenu, pour un profilé de diamètre 63 mm: - environ 100% de ferrite l'extérieur; - environ 402 " " à coeur; - des îlots de perlite à 80% dus au contact des galets 5,6 et des galets d'entraînement; - allongement à la rupture en traction sur éprouvette normalisée: 5%. Une telle structure est beaucoup trop héterogène et est donc à écarter, car le profilé manque de ductilité. Ainsi, l'invention permet d'obtenir par coulée continue des profilés ayant une structure homogène désirée, par simpleutilisa- tion judicieuse des calories contenues dans le mEtal. La différence essentielle entre les deux modes de mise en oeuvre décrits consiste dans la manière dontces calories s'échappent au passage de la température de décomposition de l'austénite, qui varie de 7230C à 7700C quand la teneur en silicium passe de 0 à 3% : si le passage à cette température est brutal, au niveau du manchon 8, il y a perlitisation; si au contraire il est très lent, dans les fourreaux -9 à 11, il y a ferritisation. - REVENDICATIONS 1.- Procédé de traitement thermique en continu d'un profilé métallique en fonte à graphite sphéroïdal obtenu par coulée continue à partir d'une poche-dont l'orifice de sortie est muni d'une coquille conférant à ce profile une forme déterminée en section droite, caractérisé en ce que lon isole thermiquement sur une certaine longueur le profilé sortant delta coquille lorsque ce profilé a atteint une température' comprise entre 1050 C et 9500C, puis l'on opère un refroidissement contrôlé du profilé. 2.- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le refroidissement contrôlé est un refroidissement accéléré rapide jusqu a une température inférieureà7500C. 3.- Procédé suivant-la revendication 1, caractérisé en ce que le refroidissement contrôlé est un refroidissement doux naturel ou accéléré jusqu'à une température voisine de 8000C suivi d'une -isolation thermique d'une autre longueur de profilé. 4.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que l'on effectue le refroidissement accé léré en soufflant de l'air sur une-certaine longueu-r du profilé. 5.- Installation de coulée continue pour la mise en oeuvre d'un procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, du type comprenant une poche de coulée dont l'orifice de sortie est muni d'une coquille conférant au métal coulé une- forme déterminée en sectioo droite,et une machine d'traction du profile disposée dans l'axe de la coquille, caractérisée en-ce qulelle comporte, disposés coaxialement entre la coquille ( 2) et la machine dVex- traction (4)-, un fourreau (7) thermiquement isolant et, en aval de celui-ci, manchon (8) dé refroidissement accéléré. 6.- Installation suivant la revendication 5, caractérisée en ce que le manchon (8) est un manchon de soufflage d'air. 7.- Installation suivant la revendication 6, caractérisée en ce que le débit d'air du manchon (8) est réglable. 8.- Installation--suivant lgune quelconque des revendications 5 à 7, caractérisée en ce que le manchon (8)- est suivi d'un second fourreau isolant (9-10-11). 9.- Installation-de coulée continue pour la mise en oeuvre d'un procédé. suivant l'une quelconque des revend-ications 1 à 4, du type comprenant une poche de coulée dont l'orifice de sortie est muni d'une coquille.conférant au métal coulé une forme déterminée en section droite, et une machine d'extraction du profilé disposée dans l'axe de la coquille, caractérisée en ce qu'elle comporte, disposes coaxialemant entre la coquille (2) et la machine d'extraction (4), un fourreau (7) thermiquement isolant et, en aval de celui-ci, un second fourreau isolant (9-10-11) espacé du premier. 10.- Installation suivant l'une des revendications 8 et 9, caractérisée en ce que le second fourreau (9-10-11) est divisé en plusieurs tronçons séparés par les galets d'entraînement-(5-6) de la machine d'extraction (4). 11.- Installation suivant l'une quelconque des revendications 5 à 10, caractérisée en ce que le premier fourreau (7), et éventuellement le manchon (8), sont montés en position axialement réglable. 12.- Installation suivant l'une quelconque des revendications 5 à 11, caractérisée en ce que le premier fourreau (7), et éventuellement le second fourreau (9-10-11), ont une section droite légèrement supérieure à celle du profilé coulé (3). 13.- Profilé métallique obtenu par un procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il présente une structure à peu près uniforme comprenant 30 à 40% de ferrite dans toute sa section droite. 14.- Profilé métallique obtenu par un procédé suivant l'une quemconque des revendications 1 et 3, caractérisé en ce qu'il présente, dans une même section, l'analyse suivante: environ 100% de ferrite à l'extérieur; - plus de 70% de ferrite à coeur.