Brevet FR2487853A1 — publié le 19820205

Procede' d'élaboration de fonte àaphite comnact- vermiculaire, et fonte ainsi obtenue. L'invention est relative à un procédé d'élaboration de fonte à graphite compact-vermiculaire, procédé selon lequel on part d'une fonte dont la teneur en soufre peut s'élever jusqu'à 0,03 %. On sait qu'il existe deux grandes familles de fontes élaborées de façon industrielle avec des teneurs en soufre de cet ordre, à savoir - la fonte grise, à graphite lamellaire, d'un prix de revient relativement bas et présentant de bonnes caractéristiques de frottement et d'usinabilité toutefois les caractéristiques mécaniques de la fonte grise sont faibles et demandent à etre améliorées ; - la fonte dite GS, à graphite sphéroïdal,obtenue par addition de magnésium, qui présente de très bonnes caractéristiques mécaniques, avec de moins bonnes caractéristiques de frottement et d'usinabilité ; en outre l'élaboration de cette fonte à graphite spéroidal est coûteuse, du fait de l'obligation d'effectuer un traitement avec un élément sphéroidisant et d'une mise au mille importante. On a déjà proposé, notamment dans le brevet FR. NO 1 480 448, des procédés pour élaborer des fontes intermédiaires entre la fonte grise et la fonte à graphite sphéroidal, ces fontes étant désignées par l'appellation fonte à graphite vermiculaire ou fonte à graphite compact ou fonte à graphite compactvermiculaire. Ces fontes contiennent du graphite dont la forme est intermédiaire entre la forme lamellaire et la forme sphéroidale. En général, on considère qu'une fonte est du type à graphite compact-vermiculaire lorsque la proportion des particules de graphite, contenues par cette fonte, qui se présentent sous la forme de vermicules, intermédiaires entre lamelles et sphéroïdes, est de l'ordre de 50 % ou plus, sans apparition de lamelles. Le brevet FR. NO 1 480 448, déjà cité, insiste sur les difficultés d'obtention, à coup sûr et de manière reproductible sur le plan industriel, de fonte à graphite compact-vermiculaire. Ce brevet français propose un procédé d'élabo ration faisant intervenir la présence du titane. Or, le titane pour certaines fontes autres que celles du type à graphite compact-vermiculaire, telles la fonte à graphite sphéroïdal, constitue un élément poison qu'il convient d'éviter. Dans une fonderie industrielle, on est conduit à effectuer des coulées de fontes de différents types, en utilisant des résidus, ou des jets, od des rebuts de coulées précédentes, stockés dans des endroits déterminés ; en cas d'élaboration de fonte à graphite compact-vermiculaire contenant du titane, il faudra prévoir un circuit spécial avec une zone de stockage particulière afin d'éviter que des jets de fonte contenant du titane soient utilisés, par mégarde, pour l'élaboration de fontes telles la fonte à graphite sphéroïdal, pour lesquelles le titane est un poison. Cette nécessité de prévoir un circuit spécial pour les jets de fonte à graphite compact-vermiculaire au titane, avec une aire de stockage particulière entralne des investissements et des frais supplémentaires importants. En outre, un mélange par inadvertance de jets de fonte à graphite compact-vermiculaire au titane, avec d'autres jets de fonte ne contenant pas de titane reste toujours possible avec, comme conséquence, la perte d'une ou plusieurs coulées de fonte d'autres types. L'invention a pour but, surtout, de fournir un procédé d'élaboration de fonte à graphite compactvermiculaire qui réponde mieux que jusqu'à ce jour, aux diverses exigences de la pratique et qui permette d'obtenir, à coup sur, la structure compacte-vermiculaire souhaitée pour le graphite, à partir d'une fonte dont la teneur en soufre peut s'élever jusqu'à 0,03 %, sans faire intervenir d'éléments qui constitueraient des poisons pour les autres types de fontes. Selon l'invention, un procédé d'élaboration de fonte à graphite compact-vermiculaire, dans lequel on part d'une fonte dont la teneur en soufre peut s'élever jusqu'à 0,03 X, est caractérisé par le fait qu'on fait subir à la fonte un traitement en deux retapes séparées, l'une de ces étapes consistant à ajouter du magnésium seul dans une proportion telle que la quantité de magnésium résiduel dans la fonte élaborée soit comprise entre 0,008 % et 0,02 %, tandis que, dans.une autre étape, du cérium est ajouté dans une proportion de 0,02 % à 0,05 %. Avantageusement, le magnésium est ajouté lors d'une première étape, tandis que le cérium est ajouté lors de la seconde étape. Le magnésium peut etre ajouté à la fonte dans un convertisseur, tandis que le cérium peut etre introduit dans un jet de coulée, lors du transvasement de la fonte liquide dans une poche de coulée. De préférence, la quantité de magnésium ajoutée est telle que la proportion de magnésium résiduel soit de l'ordre de 0,01 %. Le cérium est généralement ajouté sous forme de Mischmétal, la quantité de Mischmétal ajouté correspondant à une proportion de 0,04 % à 0,10 %, du fait que le Mischmétal contient environ 50 % de cérium. De préférence, le Mischmétal est ajouté dans une proportion comprise entre 0,04 % et 0,05 %. De préférence, encore, le Mischmétal est introduit sous forme de silico-Mischmétal. L'invention concerne également la fonte à graphite compact-vermiculaire ainsi obtenue. Une telle fonte à graphite compact-vermiculaire se caractérise par le fait que sa teneur en magnésium résiduel est comprise entre 0,008 % et 0,02 %, et qu'elle peut etre exempte de titane. L'invention consiste, mises à part les dispositions exposées ci-dessus, en certaines autres dispositions dont il sera plus explicitement question ci-après dans la description détaillée donnée avec référence au dessin ci-annexé. La figure 1, de ce dessin, est un diagramme schématique illustrant le procédé de l'invention. La figure 2, enfin, est un schéma de certaines étapes du procédé de l'invention. Pour élaborer une fonte à graphite compactvermiculaire, selon l'invention, on part d'une fonte dont la teneur en soufre peut s'élever jusqu'à 0,03 % (teneur en soufre 4 0,03 %). La préparation de cette fonte de départ est assurée à partir d'éléments ferreux rassemblés dans un récipient de stockage 1 (fig. 2). Une masse déterminée de ces déchets est ensuite transférée dans une benne 2, notamment par un électro-aimant , des additions à la matière contenue dans la benne 2 peuvent avoir lieu, selon la composition de cette matière . Ces additions peuvent etre, notamment, des additions de fer et de silicium, de fer et de manganèse ou de recarburant (carbone). L'ensemble de la matière contenue dans la benne 2 forme une charge qui est ensuite transférée dans un four de fusion 3, notamment un four à arc. La charge est alors mise en fusion et constitue la fonte de départ pour le traitement. La fonte est ensuite versée du four à arc dans une poche 4 qui assure le transvasement de la fonte liquide dans un four à induction 5. Les additions de fer-silicium, de fer-manganèse ou de carbone ou autres produits peuvent avoir lieu dans ce four à induction 5, où la température de la fonte liquide est de l'ordre de 1 5000C. La fonte liquide est ensuite versée dans un convertisseur 6 encposition horizontale. Ce convertisseur 6 est équipé, d'une manière connue en soi, d'une poche 7 contenant du magnésium et disposée de manière à rester au-dessus du niveau de la fonte liquide lorsque le convertisseur est dans la position horizontale de remplissage. Une étape du procédé selon l'invention, de préférence la première étape, consiste à ajouter, dans une proportion détermine, du magnésium seul à la fonte. Ce magnésium est placé dans la poche 7 de manière à réagir avec la fonte lorsque le convertisseur 6 est placé en position verticale comme représenté en A sur la figure 2. Le magnésium est ajouté dans une proportion telle que la quantité de magnésium résiduel, dans la fonte élaborée, soit comprise entre 0,008 % et 0,020 % en masse. La quantité de magnésium résiduel dépend du rendement Mg en magnésium. Ce rendement PMg est égal au rapport de la masse de magnésium résiduel contenue dans la fonte élaborée, à la masse de magnésium ajoutée à cette fonte. Ce rapport dépend de divers paramètres, notamment forme du convertisseur, composition de la fonte de départ etc. Toutefois, ce rendement est connu avec une bonne approximation pour une installation déterminée de telle sorte qu'il est possible, éventuellement après un ou deux essais de confirmation, de déterminer la quantité de magnésium à ajouter pour obtenir le magnésium résiduel souhaité. De préférence, la quantité de magnésium ajouté lors de cette étape est telle que la proportion de magnésium résiduel soit de l'ordre de 0,01 % en masse. Cette quantité de magnésium ajouté est insuffisante pour provoquer la sphéroïdisation d'une proportion importante du graphite et insuffisante pour provoquer une vermicularisation appréciable du graphite. Pratiquement, la quantité de magnésium ajouté constitue une phase préparatoire à la sphéroidisation. Pour suivre schématiquement cette étape, on peut se reporter à la fig. 1. On a porté, en abscisses, le pourcentage de magnésium résiduel dans la fonte et, en ordonnées, la proportion de particules sphéroidales de graphite par rapport à l'ensemble des particules de graphite. L'origine 0 des pourcentages pour le Mg a été indiquée sur l'axe en trait plein. Lorsque cette proportion de particules sphéroïdales est très faible, ou nulle, on est en présence de fonte grise ; pour une proportion moyenne, on voit apparaître parallèlement le graphite sous forme-vermicu- laire ce qui correspond à la plage B de l'axe des ordonnées. Il convient de noter que le schéma de la figure 1 est destiné à faciliter les explications- mais ne doit pas etre interprété d'un point de vue quantitatif. La sphéroïdisation du graphite, par addition du magnésium, se produit brutalement à partir d'une certaine proportion de magnésium résiduel ; cette variation brutale est traduite par la forte pente de la partie C de la courbe tracée sur la figure 1. Comme la zone B correspondant à la fonte à graphite compact-vermiculaire est associée à une proportion de graphite sphéroïdal correspondant à une plage de cette -courbe C, il apparaît que l'addition de magnésium seul ne permettra pas d'obtenir, à coup sur, de la fonte à graphite vermiculaire. En effet, en raison de la très forte pente de la zone C, une très légère variation de la proportion de magnésium ajouté (variation inévitable lorsque l'on opère sur des quantités industrielles), peut - ou bien faire passer dans la zone à graphite sphéroïdal où la majeure partie des particules de graphite a la forme de sphéroïdes - ou bien faire rester dans la zone de la fonte grise, audessous de la zone du graphite compact-vermiculaire. Les proportions de magnésium ajouté, selon l'invention, dans l'étape que l'on vient de considérer, correspondent à une plage D de la figure 1, dont la limite supérieure correspond seulement au début de la partie C à forte pente ; on reste au-dessous de la zone B à graphite vermiculaire. Finalement, on peut dire que l'addition de magnésium dans l'étape de l'invention, provoque une sorte de pré-sphéroïdisation du graphite, sans risque de faire basculer à une très forte valeur, la proportion de graphite sphéroidal. Lors d'une deuxième étape du procédé de l'invention, du cérium est ajouté à la masse de fonte en fusion, dans une proportion de 0,02 % à 0,05 % en masse. Cette addition de cérium est avantageusement effectuée dans le jet de coulée de fonte en fusion, lors du déversement du convertisseur 6 (voir fig. 2) dans un four 8 de maintien de la fonte en fusion ; ce four 8 est destiné au remplissage ultérieur de la poche 9 qui sert, elle-meme, au remplissage des moules 10. Le cérium est ajouté sous forme de Mischmétal constitué par un mélange de cérium et de terres rares. La teneur en cérium du Mischmétal est de l'ordre de 50 % en masse. De ce fait, la quantité de Mischmétal ajouté, lors de cette deuxième étape du procédé, correspond à une proportion de 0,04 % à 0,10 % en masse. De préférence, cette proportion est comprise entre 0,04 % et 0,05 %. De préférence, encore, le Mischmétal est introduit sous forme de silico-Mischmétal qui peut se présenter sous forme de granulés, introduits à la louche dans le jet de coulée. La teneur en silicium du silico Mischmétal peut varier dans de larges proportions il suffit que la quantité de Mischmétal introduite corresponde à celle indiquée précédemment. A titre d'exemple, le silicium peut avoir une teneur d'environ 50 % dans le silico-Mischmétal introduit. Si l'on se reporte à la figure 1, on peut illustrer la deuxième étane du procédé de l'invention par la portion de courbe E, en tirets, qui représente la variation de la proportion de graphite sphéroldal portée en ordonnées, en fonction de la proportion de cérium (ou de Mischmétal) ajouté, portée en abscisses. Les pourcentages sont portés sur l'axe des abscisses en tirets , l'origine des abscisses, à titre indicatif, peut se situer dans la plage hachurée. La courbe E a une pente beaucoup plus faible que la courbe C de telle sorte que les points limites El, E2 qui correspondent aux intersections des limites de la bande B, correspondant à la fonte à graphite compact-vermiculaire, avec la courbe E sont nettement espacés l'un de l'autre suivant l'axe des abscisses. Ainsi, une légère variation de la proportion de Mischmétal ajoutée, lors de cette deuxième étape n'aura pas de conséquence sensible et ne provoquera pas une sphéroïdisation totale ou quasi-totale. On restera dans la zone à graphite compact-vermiculaire. De même, une variation de Mg n'aura pas d'effet très sensible puisqu'une grande partie de la vermicularisation est effectuée par le cérium résiduel (et les terres rares résiduelles). Lorsque la fonte a été coulée dans les moules 10, aucun traitement de post-inoculation de la fonte dans les moules n'est effectué (on désigne par post-inoculation, une inoculation de la fonte effectuée dans le moule) ; il a été constaté, en effet, qu'un tel traitement de post-inoculation dans le moule peut provoquer une sphéroïdisation trop importante du graphite. Pour aboutir à l'invention, il a fallu vaincre un préjugé important selon lequel on pensait qu'il n'était pas possible d'obtenir, à coup sur, la structure vermiculaire désirée pour le graphite, en l'absence de titane, avec seulement le magnésium et le cérium (voir en particulier brevet FR. N 1 480 448 page 2, colonne de droite, 3ème paragraphe). En passant outre ce préjugé, et en faisant apparaître des plages particulièrement avantageuses pour les proportions de magnésium et de cérium à ajouter lors de deux étapes séparées, l'invention permet d'élaborer une fonte à graphite compact-vermiculaire ne comportant pas de titane de telle sorte que les jets ou rebuts de cette fonte peuvent être stockés sans précaution spéciale dans une fonderie industrielle et sans nécessiter d'investissements supplémentaires importants. La limite supérieure de la proportion de cérium ajouté reste au-dessous des valeurs qui conduisent à l'apparition en quantités non négligeables de carbures fragilisants. On donne ci-après, à titre d'exemple, divers résultats d'essais effectués à l'échelle industrielle. EXEMPLE N 1 On a élaboré de la fonte à partir d'une charge, versée dans le four à arc 3 (fig. n 2), dont la composition était la suivante Acier 25 % Hématite 35 % Jets ou rebuts de fonte à graphite sphéroïdal 40 %. Les proportions en masse exprimées en % de divers éléments de ce lit de fusion, étaient les suivantes ---------------------------------------------------- : S : C : Si : Mn : Ni : Cr : Mo : Cu : : : : : : : : : : :-------:-----:-----:-----:-----:------:------:------: : 0,014%:3,08%:2,32%:0,26%:0,06%: 0,04%: 0,01%:0,03% : -----------------------------------------------------: Trois lots de 1000 kg de cette fonte de base ont subi trois traitements différents dans trois convertisseurs L, M, N. Dans une première étape, du magnésium a été ajouté, dans chaque convertisseur, dans une proportion de 0,05 % en masse ; compte tenu du rendement en Mg, cette proportion ajoutée devait conduire à un Mg résiduel compris entre 0,008 % et 0,02 %. Lors de la deuxième étape, du Mischmétal a été ajouté dans le jet de fonte lors du transvasement de la fonte à partir des convertisseurs M et N pour le convertisseur M : 0,05 % d'addition de Mischmétal ; pour le convertisseur N : 0,10 % d'addition de Mischmétal. Pour le convertisseur L, il n'y a pas eu d'addition de Mischmétal (proportion ajoutée 0 %). En outre, une inoculation de Fe Si 75 % (alliage Fe Si à 75 % de Si) dans une proportion de 0,40 % en masse a été effectuée au jet, lors du transvasement, en même temps que l'addition de Mischmétal. Des moules ont été ensuite remplis avec la fonte de chaque convertisseur. Pour certains de ces moules, il n'y a pas eu de post-inoculation dans le moule. Pour d'autres moules il y a eu une postinoculation dans le moule avec 40grammesdepost-inoculant calibré (contenant 75 % de Si) par moule. L'analyse du métal coulé est donnée par le tableau suivant (proportions en masse, exprimées en : : : : Convertisseurs : L : M : N : ------------------------------------------- : C : 3,65 : 3,60 : 3,60 : : : Si : 2,53 : 2,53 : 2,51 : Mn : 0,28 : 0,28 : 0,28 5 Ti - - : Mg (début coulée: 0,012 : 0,013 : 0,010 : rés.(fin coulée : 0,007 : 0,011 : 0,008 : (début coulée : 0,0007: 0,014 : 0,030 : Ce : 0,0012: 0,013 : 0,020 Les examens métallographiques font apparaître que seul le traitement effectué avec la fonte du convertisseur M, avec addition de 0,05 % de Mischmétal, sans post-inoculation dans les moules, permet d'élaborer une bonne fonte à graphite vermiculaire sans carbure. Pour ce traitement, la proportion de magnésium résiduel contenue dans la fonte élaborée est d'environ 0,010 % comme le montre le tableau ci-dessus. Le cérium ajouté a un effet parce que le cérium cérium résiduel est situé entre 75 p.p.m. et 300 p.p.m. à titre indicatif. Les pièces coulées étaient des masses d'équilibrage et des chapeaux de palier. La fonte à graphite vermiculaire était de type ferritique, sans carbure. Les caractéristiques mécaniques de cette fonte étaient les suivantes limite élastique apparente R E = 250 MP a résistance à la traction R M = 350 MPa allongement en % après ) A = 5 % rupture essai de dureté Brinnell HB 10-3000 : 149-156. Ces caractéristiques mécaniques correspondent à celles d'une fonte à graphitefvermiculaire ferritique (perlite inférieure à 20 %). Le traitement correspondant au convertisseur N avec 0,10 % de Mischmétal, sans post-inoculation, a également permis d'obtenir un graphite compact vermiculaire, Toutefois, la matrice de la fonte comporte des carbures. La post-inoculation dans le moule a tendance à régénérer le graphite sous forme sphéroïdale. Celuici se présente alors comme un mélange de sphéroïdes, généralement hétérogènes en taille, et de pseudolamelles plus fines que de véritables vermicules. Les micrographies effectuées sur les éprouvettes ont permis de constater que pour le traitement correspondant au convertisseur L (aucune addition de Mischmétal) le graphite se présentait sous une forme lamellaire à 100 %. EXEMPLE NO 2 D'autres essais à échelle industrielle ont été effectués avec coulée de disques de frein. Trois convertisseurs ont été utilisés pour trois essais différents. Dans un premier essai (essai NO 1) lors de la première étape, la proportion de magnésium ajoutée était de 0,05 % ; dans-la deuxième étape, on a ajouté 0,05 % de Mischmétal, Dans un deuxième essai (essai NO 2)-, la première étape était semblable à celle du premier essai, mais lors de la deuxième étape, on a ajouté 0,10 % de silico-Mischmétal (à 50 % - 50 % de silicium et de Mischmétal). Un troisième essai (essai NO 3) a permis d'obtenir une matrice perlitique brute de coulée par addition d'éléments d'alliage Cu = 1,5 % Sn = 0,07 %. Les essais 1 et 2 ont.permis d'obtenir une bonne fpnte à graphite compact-vermiculaire dans laquelle la proportion de particules de graphite sous forme de vermicules est supérieure à 70 % (proportion de sphéroïdes inférieure à 30 %), cette proportion pouvant varier selon le type de pièces moulées. En effet, pour chaque essai, non seulement des disques de frein ont été coulés , mais aussi des éprouvettes formées par des blocs-quilles et des barreaux cylindriques, notamment de diamètre 30 mm. La matrice obtenue est ferrito-perlitique sur les disques, dans les essais 1 et 2, sans addition d'éléments d'alliage, alors que cette matrice est ferritique sur les blocs-quilles qui se refroidissent plus lentement. Le remplacement du Mischmétal par du silico Mischmétal pour la deuxième étape du procédé, permet l'obtention d'une structure métallographique et des caractéristiques mécaniques plus homogènes que celles obtenues avec le Mischmétal. L'addition d'éléments d'alliage dans l'essai NO 3 régénère une partie importante du graphite sous forme sphéroïdale. Dans l'ensemble, les résultats de l'exemple NO 1 sont confirmés. Les caractéristiques mécaniques d'une bonne fonte à graphite compact-vermiculaire ferritique, obtenue lors des essais visés par l'exemple N 2 sont les suivantes Résistance à la traction:RM = 350 MPa Limite élastique apparente M = 260 MPa A].longement % à la rupture : A = 5-7 % Résilience KVC =0,6 daJ/an2 En 10/3000 : 149 à 163 Le procédé de l'invention permet d'obtenir, dans des conditions intéressantes, de la fonte à graphite compact-vermiculaire, à partir d'une fonte de départ dont la teneur en soufre, qui peut atteindre 0,03 %, n'impose pas de contrainte sévère ; en effet, les fontes ordinaires ont généralement une teneur en soufre répondant à cette condition, c'est-à-dire inférieure à 0,03 %. Le procédé de l'invention conduit à une fonte à graphite compact-vermiculaire qui peut etre exempte de titane et qui ne contient pas, ou pratiquement pas de carbures fragilisants du fait que le cérium est ajouté en quantités relativement faibles. La description précédente est relative, surtout, à un exemple de traitement au convertisseur. Il est clair, cependant, que le procédé de l'invention n'est pas limité à ce traitement. Le magnésium peut, en effet, etre ajouté par tout autre moyen pourvu que le Mg résiduel soit dans la fourchette visée. De même, le Mischmétal peut etre ajouté autrement que dans le jet de coulée. REVENDICATIONS 1. Procédé d'élaboration de fonte à graphite compact-vermiculaire, procédé selon lequel on part d'une fonte dont la teneur en soufre peut s'élever jusqu'à 0,03 %, caractérisé par le fait qu'on fait subir à la fonte un traitement en deux étapes séparées, l'une de ces étapes consistant à ajouter du magnésium seul dans une proportion telle que la quantité de magnésium résiduel dans la fonte élaborée soit comprise entre 0,008 % et 0,02 % tandis que, dans une autre étape, du cérium est ajouté dans une proportion de 0,02 % à 0,05 %. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le magnésium est ajouté lors d'une première etape, tandis que le curium est ajout lors de la seconde étape. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le cérium est ajouté dans un jet de coulée lors du transvasement de la fonte liquide dans une poche de coulée. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que la quantité de magnésium ajoutée est telle que la proportion de magnésium résiduel soit de l'ordre de 0,01 %. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le ce;rium est ajouté sous forme de Mischmétal, caractérisé par le fait que le Mischmétal est ajouté dans une proportion de 0,04 % à 0,10 Z, notamment comprise entre 0,04 % et 0,05 %. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le cérium est ajouté suivant une quantité tellaeUS e cérium résiduel soit situé entre 75 p.p.m et 300 p.p.m. 7. Procédé selon la revendication 5 ou 6, caractérisé par le fait que le Mischmétal est introduit sous forme de silico-Mischmétal. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé par le fait que le silico-Mischmetal est à 50 % de silicium, 50 % de Mischmétal et qu'il est ajouté à la fonte dans une proportion de 0,10%. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la fonte préparée ne subit, après versement dans les moules, aucun traitement de post-inoculation. 10. Fonte à graphite compact-vermiculaire préparée par le procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que sa teneur en magnésium est comprise entre 0,008 % et 0,02 % et qu'elle peut être exempte de titane.