Brevet FR2486100A1 — publié le 19820108

I.a présente invention se rapporte à des pièces massives et épais- ses en fonte à graphite sphéroldal, à structure ferritique, brutes de cou- lée. Les fontes moulées à graphite sphéroldal, généralement obtenues par incorporation d'une faible quantité de magnésium à une fonte de base appropriée, présentent par rapport aux fontes moulées à graphite lamellaire des caractéristiques mécaniques beaucoup plus élevées. Les fontes à graphite lamellaire sont principalement utilisées avec une matrice perlitique réalisée directement brut de moulage, donc sans traitement thermique de structure. Les fontes à graphite sphéroldal peuvent présenter des structures perlitiques, ferritiques,ou mixtes perlitique-ferritique, qui leur confè- rent un large éventail de propriétés mécaniques. Les fontes à graphite sphéroldal ferritiques ont en particulier les valeurs d'allongement en traction et de résilience les plus élevées pour ces types de fontes. Elles peuvent être obtenues soit directement de moulage sans trai- tement thermique, soit après un traitement thermique de structure. Celui-ci transforme la perlite en ferrite, et il est effectué avec des températures de maintien à 950 ou 7500C suivant que la fonte présente ou non, à l'état brut, des carbures de fer, qui nuisent en particulier à l'allongement, à la rupture par traction, et à la tenue aux chocs. Les temps de maintien, fonction de l'épaisseur des pièces moulées, sont d'autant plus longs que celles-ci sont plus épaisses. Ces températures élevées et ces temps de maintien risquent de con- duire dans les pièces moulées volumineuses à des déformations, méme avec des calages au four très étudiés. En outre, les pièces moulées en fonte à graphite sphéroldal de fortes épaisseurs ont tendance, du fait de leur lente vitesse de refroidis- sement après coulée, à présenter à coeur des ségrégations qui, réduisant leurs caractéristiques mécaniques, peuvent provoquer des ruptures en servi- ce. Il est donc intéressant de disposer de pièces massives à structu- re ferritique sans pour autant qu'elles aient subi un traitement thermique et présentant une structure homogène même à coeur de parties épaisses. L'invention a pour but de mettre à la disposition des utilisa- teurs, des pièces épaisses en fonte à graphite sphéroidal présentant des caractéristiques améliorées en ce qui concerne la limite élastique, la ré- sistance à la rupture par traction, l'allongement et la résilience. A cet effet, l'invention a pour objet des pièces massives en fonte à graphite sphéroldal à structure ferritique, brutes de coulée, caractérisées à la fois en ce que l'épaisseur minimale desdites pièces massives est de 100 mm, en ce que la composition de ladite fonte à graphite sphérotdal est la suivante: Carbone total = 3,40/3,70 % Carbone équivalent = 4,10/4,40 % Silicium: 2,00/2,20 % Soufre MPa, un allongement au moins égal à 14 %/ et une résilience CHARPY (norma- lisée KCU) au moins égale à 23 J/cm2. L'invention est relative à des pièces massives en fonte à graphite sphéroldal pour lesquelles il est préférable que les parties massives pré- sentent à coeur au moins 90 % de ferrite sans présence de carbures, ou avec très peu de carbures, et qu'elles contiennent du graphite sous forme sphéro- idale représentant au moins 80 % du graphite total. Les pièces suivant la présente invention peuvent être élaborées par des méthodes connues, mais avec toute une série de conditions et de pré- cautions qui sont les suivantes: - emploi d'un four électrique à induction à basse fréquence de grande capa- cité, permettant un réglage précis de la composition chimique, de la sur- chauffe de la fonte, et de sa température de coulée en moules, qui est com- prise de préférence entre 1.300 et 1.3300C. - enfournement spécial particulièrement choisi et contrôlé: les matières premières sont sélectionnées en fonction de leur aspect, de leur analyse et de leur niveau de pureté. - élaboration spéciale en ce qui concerne: la nature et l'ordre d'intro- duction des éléments de la charge; la vitesse de fusion; la nature et la quantité d'additions finales ajoutées à la fonte liquide avant sa sortie du four. - désulfuration poussée du métal par brassage, jusqu'à moins de 0,010 % de soufre, - traitement avec un alliage de magnésium spécial, qui est un ferrosilico- magnésium contenant environ 15 % de magnésium. - inoculation avec un ferro-silicium à 75 % de silicium environ, en fin de traitement au magnésium par brassage du métal. Après le traitement d'inoculation, la fonte à graphite sphéro- idal ainsi obtenue est coulée dans un moule dans lequel va se solidifier la pièce massive à obtenir. Celle-ci ne subit ultérieurement aucun traitement thermique de structure, à haute température, lequel serait susceptible, sur pièces mou- lées volumineuses, de provoquer des déformations. En revanche, dans certains cas, la pièce peut être soumise à un traitement thermique de relaxation des contraintes à basse température, par exemple autour de 5500C. L'analyse de la pièce massive obtenue est conforme au domaine d'analyse mentionné ci-dessus selon l'invention. De préférence la propor- tion de ferrite est au moins égale à 90 %, sans présence de carbure ou avec très peu de carbures, et la proportion de graphite sphéroldal est au moins égale à 80 % du graphite total, y compris dans les parties massives de la pièce. Comme on le comprend, les avantages essentiels des pièces mas- sives selon l'invention sont constitués par les propriétés mécaniques re- marquables qui ont été précédemment mentionnées, même à coeur des parties épaisses, car cette fonte est de structure très homogène. De plus, l'absence de traitement thermique de structure, à hau- te température, présente plusieurs avantages notables: - aucune déformation risquant de compromettre les dimensions de la pièce finie, même dans les parties usinées si les surépaisseurs deviennent in- suffisantes, - aucune oxydation, qui nécessiterait un nettoyage des pièces par grenail- lage ou sablage, - aucune obligation de disposer d'un four de grandes dimensions, qui se- rait d'un amortissement difficile. Afin de bien faire comprendre l'invention, on va décrire ci- après, à titre d'exemple non limitatif, une pièce massive selon ltinven- tion. Il s'agit d'une pièce de révolution, d'un poids de 15 tonnes, d'une hauteur de 1240 mm, d'un diamètre extérieur à la base de 4.510 msn et d'un diamètre intérieur de 3.100 mm à sa partie supérieure. La figure 1 est une coupe transversale de cette pièce par un plan passant par son axe de révolution. La figure 2 est la coupe d'un bloc a b c d prélevé dans la pa- roi ab de 230 mm d'épaisseur de la pièce massive, afin d'y découper des éprouvettes de résilieRce et de traction. La figure 3 est la coupe d'un bloc e f g h prélevé dans la même pièce, les éprouvettes étant prélevées dans une paroi d'épaisseur de 110 millimètres, à 55 mm de profondeur. La pièce massive selon la figure 1 est en une fonte à graphite sphéroldal présentant l'analyse suivante - carbone total: 3,45 % - carbone équivalent 4,12 % - silicium 2,02 % - soufre 0,007 % - phosphore 0,020 % - manganèse 0,130 % - magnésium 0,053 % - nickel 0,27 % Le taux de ferrite est en moyenne de 92 % et la proportion de graphite sphéro!dal est de 80 %. En a b c d, on a découpé un petit bloc, représenté agrandi en figure 2. Sur celle-ci, le rond noir représente l'emplacement des éprou- vettes de traction et le carré noir l'emplacement des éprouvettes de rési- lience. Pour cette épaisseur de 230 mm, et à 120 mm de la paroi externe de la pièce, les trois mesures de résilience Charpy, normalisée KCU, ont donné les valeurs suivantes en Joules par centimètre carré: 26,3 - 27,5 28,8, soit une moyenne de: 27,5 J/cm2. La moyenne des mesures sur les trois éprouvettes de traction s'est établie à: - 279 MPa pour la limite élastique à 0,002 (soit 0,2 %). - 363 MPa pour la résistance à la rupture. - 14,3 % pour l'allongement. Dans cette même pièce, on a découpé un autre bloc e f g h re- présenté agrandi en figure 3. (ef = 210 mm). Sur celle-ci également, le rond noir représente l'emplacement des éprouvettes de traction et le carré noir l'emplacement des éprouvettes de résilience. A ce niveau, l'épaisseur de la pièce est de 110 mm. Pour cette épaisseur de 110 mm, et à 55 mm environ de la paroi externe de la pièce, les trois mesures de résilience Charpy, normalisée KCU, ont donné les valeurs suivantes en Joules par centimètre carré: 37,5 - 39,4 - 36,9, soit une moyenne de: 37,9 J/cm2. La moyenne des mesures effectuées sur les trois éprouvettes de traction s'est établie à: - 252 MPa pour la limite élastique à 0,002 (soit 0,2 %). - 387 MPa pour la résistance à la rupture. - 25 % pour l'allongement. Ainsi, les pièces massives selon l'invention présentent d'ex- cellentes propriétés mécaniques, parce qu'elles ont une structure homogène, ferritique, à haute teneur en graphite sphéroldal, même à coeur de parties épaisses, et sans pour autant qu'elles aient à subir un traitement thermi- que de structure susceptible de conduire à des déformations. Il est bien entendu que l'on peut, sans sortir du cadre de l'in- vention, imaginer des variantes et perfectionnements de détails, de même qu'envisager l'emploi de moyens équivalents. REVENDICATIONS 1.- Pièces massives en fonte à graphite sphéroldal, à structure ferritique, brutes de coulée, caractérisées à la fois en ce que l'épaisseur minimale desdites pièces mas- sives est de 100 mm, en ce que la composition de ladite fonte à graphite sphéroïdal est la suivante: Carbone total = 3,40/3,70 % Carbone équivalent = 4,10/4,40 % Silicium= 2,00/2,20 % Soufre..,010 % Phosphore_, 040 % Manganèse = 0,08 %/0,20 % Magnésium= 0,05/0,07 % Nickel = 0,20/0,30 % Cuivre.0,04 % Chrome MPa, un allongement au moins égal à 14 %, et une résilience Charpy (norma- lisée KCU) au moins égale à 23 J/cm2. 2.- Pièces massives en fonte à graphite sphéroldal selon la reven- dication 1, caractérisées en ce que la proportion de ferrite dans la matri- ce à coeur des pièces est au moins égale à 90 %. 3.- Pièces massives en fonte à graphite sphéroldal selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisées en ce que la proportion de graphite sphéroldal dans les parties massives de ces pièces est au moins égale à 80 % du graphite total contenu.