Brevet FR2449731A1 — publié le 19800919

La présente invention concerne la métallurgie et plus particulièrement des fontes résistant à l'usure b haute teneur en chrome. De telles fontes peuvent être utilisées pour la fabrication ou la remise en état de pièces soumises à une usure par abrasion ou par abrasion et par chocs, telles que par exemple,des dents de godets d'excavatrices à roue et autres, des organes de travail de concasseurs à marteaux et à mâchoires, des outils de forage pour le percement de roches de précipitation, des lames de bull dozers et de scrapers.Les pièces mentionnées ou leurs parties actives peuvent entre fabriquées ou remises en état en utilisant une fonte ayant la composition proposée en particulier par refusion sous laitier électroconducteur d'électrodes de fonte dans des cristallisoirs dont la forme du fond et des parois correspond à celle de la pièce à fabriquer ou à remettre en état. On connatt les fontes résistant à l'usure caractérisées par une haute teneur en chrome. Le fait qu'elles soient largement employées dans la technique moderne s'explique premièrement par leur coût réduit par rapport aux outils à base de di-amants ou aux outils en alliages durs à base de carbures, de métaux réfractaires tels que tungstène, titane, tantale, deuxièmement par une résilience suffisamment élevée ce qui est surtout important dans le cas de charges de choc et troisièmement par une résistance satisfaisante dans des conditions d'usure par abrasion. Par exemple, la demande de brevet Japonaise NO 49-672 (cl.nationale 12B151, 1974) décrit une fonte résistant à l'usure utilisée pour le rechargement à l'arc électrique de pièces usées. Cette fonte contient de (% en poids) 2,5 à 3,5 de carbone ; 0,5 à 2,0 de silicium ; 0,1 à 1,0 de manganèse ; 5,0 à 20,0 de chrome 0,4 à 1,5 de bore, moins de 1,0 de nickel, le fer et les impuretés constituant le reste. Une telle fonte convient au rechargement de couches relativement minces de pièces travaillant en frottement avec d'autres pièces en métaux ou leurs alliages, par exemple, pour le rechargement de bouts des tiges de soupapes d'échappement dans les moteurs à combustion interne. L'utilisation d'une telle fonte pour fabriquer des pièces ou des parties de pièces travaillant dans les conditions d'usure par abrasion et par chocs n'est pas adaptée étant donné sa résistance mécanique insuffisante. On connatt également une fonte résistant à l'usure qui a une résistance plus élevée et peut être utilisée pour la fabrication de pièces neuves ou pour la remise en état des pièces usées destinées à travailler dans les conditions d'usure par abrasion et chocs ou par abrasion. Cette fonte contient (% en poids) près de 3,0 de carbone, près de 1,0 de silicium, près de 1,5 de manganèse, jusqu'à 20,0 de chrome, près de 0,5 de molybdène, le fer et les impuretés constituant le reste. (cf. Petrov I.V., Primenenie iznosostoikikh naplavok dlya povishenia dolgovechnosti rabochikh organov stroit e Ino-doroshnykh machin. Recueil "Itogi nauki", br. "Svarka", éditions "Netallurgia", 1969). Toutefois les pièces fabriquées en utilisant une fonte résistant à l'usure telle que décrite ci-dessus présentent une résistance insuffisante aux charges de choc, ce qui provoque de multiples arrachements dans les couches superficielles et une déformation irrégulière de ces pièces. La modification de la forme des pièces par rapport à celle qui a été conçue lors de l'étude conduit à une augmentation des charges dynamiques supportées par les machines utilisant ces pièces et entraîne en mOme temps une consommation spécifique accrue d'énergie. C'est pourquoi on est obligé de remplacer de telles pièces avant qu'elles soient complètement usées. La plusoenvenable parmi les marques connues est la fonte résistant à l'usure Sormait I (cf. Norme d'état d'URSS GOST 21448-75). Cette fonte contient les constituants suivants (k en poids) carbone 2,5 à 3,3 silicium 2,8 à 3,5 manganèse jusqu'à 1,5 chrome 25 à 31 nickel 3 à s fer et impuretés le reste Pour le rechargement en couche mince de pièces fabriquées en aciers tenaces résistant aux chocs, cette fonte résiste bien à l'action des chocs et à l'abrasion. Pourtant sa haute teneur en silicium et sa microstructure à gros grains lui confèrent une fragilité élevée dans les couches dont l'épaisseur est commensurable ou supérieure à celle de la partie en acier de la pièce. Aussi, en utilisant une telle fonte en tant que matériau principal de fabrication des parties actives, par exemple, des pointes de dents de godets d'excavatrices à roue, de pannes pour marteaux de concasseurs et autres éléments analogues, on risque de voir se détériorer les parties actives en cas d'application de charges de choc. L'action combinée d'abrasion et de choc appliquée à ces pièces ayant leurs parties actives en Sortait I réduit encore plus leur durée de vie. On s'est proposé de créer une fonte présentant une résistance élevée dans des conditions d'usure par abrasion et par chocs par la voie d'une diminution de la teneur en silicium et de formation d'une microstructure à grains fins. La solution consiste en ce que la fonte résistant à l'usure, contenant du carbone, du silicium, du manganèse, du chrome, du nickel, du fer et des impuretés, selon l'invention, contient en plus du titane, lesdits constituants étant pris dans les proportions suivantes (% en poids) : carbone 3,0 à 3,5 silicium 0,6 à 1,5 manganèse 0,8 à 1,5 chrome 23,0 à 27,0 nickel 3,0 à 3,5 titane 0,6 à 1,0 fer et impuretés le reste Le fait que la quantité de silicium utilisée ne soit pas supérieure à 1,5 % en poids, ainsi que l'introduction du titane, améliorent sensiblement la microstructure de la fonte résistant à l'usure, font diminuer sa fragilité et augmentent sa capacité à résister aux effets d'abrasion et de chocs. La fonte résistant à 11 usure ayant la composition chimique selon l'invention peut être obtenue dans des fours à arc ou à induction, à revêtement basique, par fusion d'une charge contenant de la fonte grise d'affinage, des résidus d'acier à faible teneur en carbone (jusqu'à 0,3% en poids), du ferro-chrome, du ferro-manganèse, du ferrosilicium, du nickel métallique et du ferro-titane (ou du titane métallique). Au début, le four électrique dont la zone de fusion présente une température de 10000C, est chargé avec de la fonte grise d'affinage en gueuses et des résidus d'acier. A mesure de leur fusion on ajoute dans le four de petites portions (15 à 25% de la quantité calculée) de ferro-chrome, puis on introduit du nickel dans le bain fondu, ainsi obtenu, contenant du chrome. Après fusion de tous les constituants susmentionnés et homogénéisation du bain, on introduit dans le four de la castine cuite à raison d'environ 5% par rapport à la masse de la charge et, en 1 heure à 1 heure et demie on porte le contenu du four à une température de 1430 + 500C jusqu'à formation d'un laitier fluide. Pour augmenter la fluidité du laitier, on peut mettre dans le four de la chaux fluviatée à raison de 3 % par rapport, à la masse de la charge.On ajoute au bain fondu du ferro-manganèse et, après fusion de celui-ci, on ajoute au besoin du ferrosilicium que l'on fait fondre également. Après l'évacuation du laitier, on charge dans le four du titane (ou ferro-titane). On effectue l'homogénéi- sation du bain et on procède à la coulée de la fonte résistant à l'usure ainsi obtenue. Il est rationnel d'effectuer la coulée de la fonte résistant à l'usure dans des moules dont le volume correspond à celui des électrodes unitaires servant à fabriquer des pièces de machines par refusion sous laitier électroconducteur. Il est également possible de fabriquer les pièces voulues en faisant couler la fonte liquide résistant à l'usure directement dans des moules en sable. Les produits réalisés en fonte résistant à l'usure, ayant la composition selon l'invention, ont les caractéristiques suivantes dureté, HRC 48 à 55 résistance à la flexion, kgf/mm2 71 à 75 flèche mesurée à la cassure d'un échantillon de 340 x 40 x 20 M près de 3,45 La présente invention sera mieux comprise à la lecture des exemples ci-dessous de composition de la fonte résistant à l'usure selon l'invention. Exemple 1 La fonte résistant à l'usure selon l'invention est oompo- sée des constituants suivants (% en poids) : carbone 3,0 silicium 0,6 manganèse 0,8 chrome 23*0 nickel 3,0 titane 0,6 fer et impuretés le reste Cette fonte résistant à l'usure contient en tant qu'additifs réglables jusqu'à 0,05 de soufre et jusqutà 0,05 de phosphore. Cette fonte résistant à l'usure a été obtenue à partir d'une charge composée des ingrédients suivants (% en poids) fonte d'affinage 12,8 résidus d'acier 44,6 ferro-chrome 35,2 ferro-manganèse 0,9 nickel 2t5 titane 4,0 Pour corriger la composition chimique de la fonte résistant à l'usure à partir des résultats de l'analyse rapide effectuée sur des prélèvements de métal liquide, on peut utiliser du ferrosilicium à raison de 2% de la masse totale des ingrédients susmentionnés de la charge. La composition chimique des ingrédients ment-onnés ci-dessus de la charge est donnée au tableau 1. Tableau 1 Ingré- éléments chimiques et leur concentration dans les dients ingrédients % en poids Fe C Si Mn Cr Ni Ti S P Cu As Fonte d'affinage 93,15 4,0 2,2 0,50 0,02 0,13 Débris d'acier 98,48 0,18 0,12 0,5 0,2 0,15 0,05 0,04 0,2 0,08 Ferrochrome 18,7 7,8 1,3 0,8 71,4 Ferromanganèse 18,89 6,0 1,9 73,0 0,01 0,20 Nickel 99,99 Titane 99,99 Ferrosilicium 54,82 44,0 0,6 0,5 0,03 0,05 Les quantités de constituants de la charge nécessaires à la fusion ont été calculées par une méthode connue en partant de la capacité du creuset du four et des données susmentionnées sur la composition de la charge. La fabrication de la fonte résistant à l'usure a été réalisée dans un four à induction, dans un creuset ayant une capacité de 2,5 t exécuté en sable quartzeux ou en quartzite broyée, la puissance électrique du four étant de 1300 kW. Le creuset du four à induction préparé pour la fusion par un procédé connu, a été chargé avec les quantités calculées de fonte d'affinage et de résidus d'acier qui ont été progressi- vement fondus en 40 à 50 minutes, la température du bain étant portée à 143O0C. Ensuite, en 1 heure, on a ajouté au bain de métal ainsi obtenu du ferro-chrome à einq reprises en des portions de 20 % de la quantité calculée, chacune des portions étant chargée après fusion de la précédente. On a ajouté dans le bain ainsi obtenu, contenant du chrome, la quantité calculée de nickel, en le faisant fondre et en maintenant le bain à une température de 1430 à 14500C durant 1 à 1,5 heures. Pendant cette période, pour empêcher l'éro- sion du revêtement du creuset, on a introduit dans ce dernier de la castine à raison de 5% par rapport à la masse totale de la charge, et, pour réduire la viscosité du laitier qui 'est formé, on a ajouté de la chaux fluviatée à raison de 3% de la masse totale de la charge.Le laitier protège le bain fondu de l'oxyda- tion et facilite le dégazage. 25 à 30 minutes avant l'achèvement de la fusion, on a évacué le laitier et on a introduit dans le bain fondu la quantité calculée de ferro-manganèse. Après sa fusion on a prélevé des échantillons de métal liquide pour l'analyse rapide dont les résultats ont déterminés les corrections de la compositions chimique à entreprendre par introduction du ferro-silicium. Juste avant la coulée, on a introduit dans le bain du titane, en quantité calculée, la coulée étant effectuée dans une poche préalablement chauffée. On a décrit ci-dessus un exemple concret de production d'une fonte résistant à l'usure ayant la composition chimique mentionnée. Etant donné que la composition chimique des matériaux de charge industriels est caractérisée généralement par des indices légèrement différents de ceux donnés au tableau 1, la production d'une fonte résistant à l'usure nécessitera une analyse rapide du bain fondu à plusieurs reprises, la correction de la composition chimique pouvant être réalisée non seulement à l'aide du ferrosilicium mais aussi en utilisant d'autres ferro-alliages. A chaque prélèvement d'échantillon, le four est mis hors circuit 10 à 20 minutes, c'est-à-dire le temps nécessaire à l'analyse rapide. La fonte résistant à l'usure ainsi obtenue a été versée dans des moules bien secs en sable et argile pour obtenir des ébauches sous forme de plaques et de barres d'une épaisseur de 10 à 15 mm à partir desquelles on a ensuite fabriqué, par refusion sous laitier électroconducteur, des échantillons pour déterminer : la dureté Rockwell, la résistance à la flexion, la flèche à la cassure, le coefficient de résistance relative à l'usure par abrasion et le coefficient de résistance relative à l'usure par abrasion et par choc. La dureté a été déterminée par une méthode connue à l'aide d'un duromètre de Rockwell sur des échantillons plats d'une épaisseur de 10 mm. La résistance à la flexion a été déterminée en appliquant une charge statique à des échantillons cylindriques d'un diamètre de 3Q rtm et d'une longueur de 660 mm, la distancie entre qExis prisnatiques étant de 600 irm. La charge était appliquée de façon concentrée au milieu de l'échantillon. La flèche a éte déterminée sur ces mêmes échantillons après cassure. Pour déterminer le coefficient de résistance relative à l'usure par abrasion on a soumis à des frottements dans une machine "Haworthn des échantillons de 70 x 35 x 20 n fabriqués à partir de la fonte résistant à l'usure ayant la composition chimique selon l'invention, des échantillons en fonte résistant à l'usure Sommait I et des échantillons en acier recuit 45, ces derniers servant d'étalons pour la comparaison. L'acier 45 contient 0,42 à 0,50 % en poids de carbone, le reste étant du fer et des impuretés. On a utilisé comme abrasif des éclats de granit librement versés, les particules ayant une taille de 2 à 3 mm. Après avoir été pesé, chaque échantillon a été soumis au frottement pendant 15 minutes sous une charge de 150 kgf. Après une nouvelle pesée on a déterminé le coefficient g de résistance relative à l'usure par abrasion en ayant pris l'usure de l'échantillon en acier 45 comme unité et en se servant de la formule suivante pour a tac45 perte en poids de l'échantillon en acier 45 Lx Pfr perte en poids de l'échantillon en fonte résistant à l'usure. Le coefficient de résistance relative à l'usure par abrasion et par chocs a été déterminé en faisant subir des essais dans des conditions industrielles à des dents de godets d'excavatrice à roue SPP -400. Cette excavatrice sur chenilles est équipée d'une roue portant 9 godets à fond uni, chacun de ceux-ci possédant 6 dents dont la partie utile est longue de 100 mm. On a préparé pour les essais 3 jeux d'échantillons de dents dont les parties actives ont été formées par refusion sous laitier électroconducteur de la fonte résistant à l'usure ayant la composition chimique selon l'invention et de la fonte Sonnait I, avec soudage aux porte-outils en acier. Dans chaque cycle d'essais réalisés en déblaiement de couches contenant des grès quartziteux, on a consommé 27 dents de chaque type. La résistance à l'usure a été évaluée d'après la largeur du plateau d'usure de la face arrière de chaque dent. Lorsque la largeur dudit plateau atteignait 35 n, la dent usée était remplacée par une neuve mais toujours du même type. Le coefficient t de résistance relative à l'usure par abrasion et par chocs a été déterminé d'après la formule = Ns Nfr avec Ns : nombre de dents remplacées qui avaient leurs parties actives en Sormait I ; Nfr : nombre de dents remplacées qui avaient leurs parties actives en fonte résistant à l'usure ayant la composition chimique selon l'invention. Les résultats des essais sont donnés au tableau 2. Tableau 2 Valeur fonte résistant à Caractéristiques usure selon i Sormait I l'invention Dureté, HRC 48 à 52 48 à 50 Résistance à la flexion, kgf/xm2 74,7 71,8 Plèche à la cassure de 11 échantillon, mi 3,60 3,20 Coefficient de résistance relative à l'usure par abrasion 5,60 5,0 Coefficient de résistance relative à l'usure par abrasion et par chocs 1,9 1,0 Bxemple 2 Une fonte résistant à l'usure a été préparée en renfermant les constituants suivants, % en poids carbone 3,2 silicium 1,2 manganèse 1,1 chrome 25,0 nickel 3,2 titane 0,8 fer et impuretés le reste Le role d'additifs réglables dans la fonte résistant à l'usure est rempli par le soufre : jusqu'à 0,05 et par le phosphore : jusqu'à O, 05. La fonte résistant à l'usure ayant la composition chimique indiquée a été obtenue à partir d'une charge contenant les constituants suivants, % en poids : fonte d'affinage 14,2 résidus d'acier 41,5 ferro-chrome 36,1 ferro-manganèse 1,1 nickel 2,8 titane 4,3 Pour corriger la composition chimique de la fonte résistant à l'usure suivant les résultats de l'analyse rapide d'échantillons de métal liquide, on peut utiliser du ferrosilicium en quantité allant jusqu'à 2 %, par rapport à la masse totale des constituants susmentionnés de la charge. Les constituants de la charge ont la composition chimique donnée dans l'exemple 1 (tableau 1). La fonte résistant à l'usure a été obtenue dans un four à induction d'une façon analogue à celle décrite dans l'exemple 1. La fonte résistant à l'usure ainsi obtenue a été coulée dans des moules bien secs en sable et argile pour obtenir des ébauches sous forme de plaques et de barres ayant une épaisseur de 10 à 15 mm,à partir desquelles on a ensuite fabriqué par refusion sous latier électroconducteur des échantillons pour déterminer la dureté Rockwell, la résistance à la flexion, la flèche à la cassure, le coefficient de résistance relative à l'usure par abrasion et le coefficient de résistance relative à l'usure par abrasion et par chocs. Les essais ont été conduits comme décrit dans l'exemple 1. Les résultats des essais sont donnés au tableau 3. Tableau 3 Valeur fonte résistant à Caractéristiques l'usure selon Sommait I l'invention Dureté, HRc 50 à 53 48 à 50 Résistance à la flexion, kgf/mm2 72,3 71,8 Flèche à la cassure, 3,55 3,20 Coefficient de résistance relative à l'usure par abrasion 6,1 5,0 Coefficient de résistance relative à l'usure par abrasion et par chocs 2,0 1,0 Exemple 3 La fonte résistant à l'usure est composée des constituants suivants, ffi en poids carbone 3,5 silicium 1,0 manganèse 1,5 chrome 27,0 nickel 3,5 titane 1,0 fer et impuretés le reste Le rôle d'additifs réglables dans la fonte résistant à l'usure est rempli par le soufre : jusqu'à 0,07 et par le phosphore jusqu'à 0,07. La fonte résistant à l'usure ayant la composition chimique indiquée a été obtenue à partir d'une charge contenant les ingrédients suivants, % en poids fonte d'affinage 14,8 résidus d'acier 38,6 ferro-chrome 37,6 ferro-manganèse 1,3 nickel 3,0 titane 4,7 Pour corriger la composition chimique de la fonte résistant à 11 usure suivant les résultats de l'analyse rapide des échantillons de métal liquide on peut utiliser du ferrosilicium en quantité allant jusqu'à 2% de la masse totale des constituants susmentionnés de la charge. Les constituants de la charge ont la même composition chimique que dans l'exemple 1 (tableau 1). La fonte résistant à l'usure a dté obtenue dans un four à induction analogue à icelui décrit à l'exemple 1. La fonte résistant à 11 usure ainsi obtenue a été coulée dans des moules bien secs en sable et argile pour obtenir des ébauches sous forme de plaques et de barres d'une épaisseur de 10 à 15 mm, à partir desquelles on a ensuite fabriqué par refusion sous laitier électroconducteur des échantillons servant à déterminer la dureté Rockwell, la résistance à la flexion, la flèche à la cassure, le coefficient de résistance relative à l'usure par abrasion et le coefficient de résistance relative à l'usure par abrasion et chocs. Les essais ont été conduits comme décrit à l'exemple 1. Les résultats des essais sont donnés au tableau 4. Tableau 4 Valeur fonte résistant Caractéristiques à l'usure selon SormaTt I l'invention Ihireté, HRc 52 à 55 48 à 50 Résistance à la flexion, kgf/rn2 71,0 71,0 Flèche à la cassure, n 3,42 3,20 Coefficient de résistance relative à l'usure par abrasion 6,45 5,0 Coefficient de résistance relative à l'usure par abrasion et par chocs 2,2 1,0 REVENDICAtIOU Fonte résistant à l'usure contenant du carbone, du silicium, du manganèse, du chrome, du nickel et du fer, caractérisée en ce qu'elle contient, en plus, du titane, les constituants étant présents dans les proportions suivantes, en % en poids carbone 3,0 à 3,5 silicium 0,6 à 1,5 manganèse 0,8 à 1,5 chrome 23,0 à 27,0 nickel 3,0 à 3,5 titane 0,6 à 1,0 fer et impuretés le reste.