Brevet FR2511044A1 — publié le 19830211

La présente invention concerne un ferro-alliage pour le trai- tement d'inoculation des fontes à graphite sphéroldal devant être utilisées brutes de coulée, ainsi qu'un procédé de traitement de la fonte liquide avec ce ferro-alliage. Les procédures bien connues des traitements des fontes liqui- des en général qui sont élaborées dans l'ordre suivant: carburation, désulfuration, sphéroidisation, inoculation, comportent le plus sou- vent un traitement de post-inoculation réalisé avec des inserts de ferroalliage introduits dans les moulages pour affiner la structure en obviant aux imperfections des traitements précédemment cités faits en amont. Le nombre variable de sphéroïdes produits en moulage a diffé- rents modèles de spécifications; le rapport ferrite/perlite de la matrice est grandement dépendant de la structure du graphite dans les fontes de composition chimique courante Il se trouve que pour ces fontes, le morphologie désirée du graphite est généralement ob- tenue directement par le traitement de sphéro-idisation, soit par une addition de magnésium soit par une addition de ferro-alliage conte- nant du magnésium La quantité de ferro-alliage sphéroidisant est déterminée par les facteurs bien connus tels que le soufre contenu dans la fonte de base. Cette contrainte qui fixe la quantité globale de ferro- alliage de traitement ne peut autoriser à distinguer la quantité optimale de chaque élément constitutif de l'alliage. Pour parfaire la présentation graphitique désirée, il est fait alors et/ou de plus usage de métaux de terres rares qui, en quantités bien dosées, ont un effet particulièrement favorable et bien connu. Ainsi, dans la plupart des cas, l'addition de métaux de terres rares à la fonte est nécessaire pour neutraliser les éléments contaminants pouvant être apportés par les matériaux de base Toutefois, des excès d'addition de terres rares peuvent engendrer des structures truitées dues par exemple aux carbures, du fait du comportement des métaux de terres rares dans la fonte Ceux-ci peuvent aussi dégéné- rer les sphéroïdes de graphite et/ou en réduire la quantité. Que les métaux de terres rares soient parties constitutives des ferroalliages à base de magnésium ou qu'ils soient incorporés directement à la fonte liquide, les dosages demeurent excessivement 251 1044 délicats -Il s'en suit un rendement souvent fluctuant qui, des fois, conduit à la nécessité de recourir à l'utilisation d'inserts pour postinoculer dans les moulages, et d'autres fois, à l'apparition non-voulue et nuisibles de formes de graphite dégénéré dans la struc- ture solidifiée. Par ailleurs, l'action du bismuth, du plomb ou de l'antimoine, en ce qui concerne la neutralisation de l'action sphéroïdisante, est bien connue La présence croissante de ces éléments dans la fonte mène ainsi à l'apparition de structures de graphite dégénéré qui, en cas de surdosage, ne peut pas toujours être empêchée par l'addition de métaux de terres rares Il se trouve aussi que quelque fois le bismuth, le plomb ou l'antimoine peuvent causer un accroissement im- portant du nombre de sphérotdes mais la capacité de ces éléments de dégénérer la structure sphéroldale du graphite a empêché jusqu'à présent leur application générale. La présente invention vise essentiellement à remédier à ces inconvénients grâce à l'emploi d'un ferro-alliage, comme inoculant pour les fontes à graphite sphéro-idal, permettant d'apporter simul- tanément des quantités bien dosées et neutres vis-à-vis de l'action sphéroidisante, de métaux de terres rares et de bismuth après le traitement de sphéroldisation. A cet effet, ce ferro-alliage pour le traitement d'inoculation des fontes à graphite sphéroldal est caractérisé en ce qu'il comprend de 0,05 à 3 % en poids d'au moins un métal du groupe es terres rares et de 0,05 à 3 % en poids d'au moins un élément pris dans le groupe comprenant le bismuth, le plomb-et l'antimoine, le solde étant essen- tiellement le silicium et le fer normalement présents dans les ferro- alliages utilisés pour l'inoculation des fontes. L'invention a également pour objet un procédé de traitement de la fonte liquide avec le ferro-alliage précité comme unique trai- tement d'inoculation, ce procédé étant caractérisé en ce que l'on apporte des quantités bien dosées de métaux de terres rares avec des quantités également bien dosées de bismuth, de plomb ou d'anti- moine, après le traitement de sphéroidisation de la fonte, de telle façon que la somme des éléments métaux de terres rares soit comprise entre 0, 005 % et 0,1 % en poids de la fonte, tandis que la somme des éléments bismuth, plomb et antimoine représente entre 0,005 % et 0,05 % en poids de la fonte. Le ferro-alliage suivant l'invention présente plusieurs avan- tages En premier lieu, du fait de son activité due à l'originalité de sa composition, ce ferro-alliage autorise que son utilisation puis- se être indexée à la qualité de la fonte à traiter entrant en poche ou en moules sans autre addition complémentaire ultérieure Il peut être utilisé en fine granulométrie à l'entrée des moules ou en grains à l'entrée des poches de coulée Dans chacun de ces cas, le ferro- alliage est introduit de préférence mécaniquement en temps et en quantités déterminés par la séquence de traitement. Le-procédé de traitement de la fonte liquide avec le ferro- alliage suivant l'invention entralne une économie des traitements thermiques et la réduction des délais, une économie d'inserts de ferro-alliage, l'indexation des traitements d'inoculation et le déve- loppement des fontes à matrice ferritique de faible épaisseur et de haute ténacité. On décrira ci-après, à titre d'exemples non limitatifs, diver- ses formes d'exécution de la présente invention, en référence au dessin annexé sur lequel: La figure 1 est un diagramme donnant la variation du nombre moyen de sphéroïdes par millimètre carré, mesurés dans une section transversale d'une plaque de fonte coulée de 6 mm d'épaisseur, en fonction du pourcentage d'inoculant ajouté, respectivement dans le cas d'un inoculant de composition classique et d'un inoculant suivant l'invention; La figure 2 est un diagramme illustrant la variation du nombre moyen de sphéroïdes par millimètre carré et du pourcentage de perlite, en fonction du temps de maintien après l'inoculation, respectivement dans le cas d'un inoculant classique et d'un inoculant suivant l'invention. Dans tous les exemples qui vont être décrits par la suite, tous les pourcentages des divers composants sont donnés en poids. Dans une première série d'essais on a comparé les pouvoirs germinateurs, pour le graphite, d'un inoculant A de composition classique à base de 0,8 à 1,2 % de Ca; 4 à 55 % d' AI et 70 à 72 % de Si et d'un ferro-alliage B réalisé suivant l'invention (à base de 0,59 % de Ca; 0,23 % d'Al; 0,44 % de terres rares; 0,49 % de Bi et 71 % de Si; le solde étant essentiellement du Fe) Les charges étai- ent constituées d'une hématite et de ferro-alliage courants qui ont été fondus dans un four à induction à revêtement neutre d'une capa- cité de 65 kg. Après ajustage de la composition chimique de la fonte de base, le bain liquide a été porté à une température de 1500 'C et traité au magnésium dans le four en ajoutant 0,85 % d'un alliage contenant 13 à 17 % de Mg, environ 85 % de Ni, sans Mischmetall ou terres rares. La fonte ainsi traitée a ensuite été versée dans une poche de coulée préchauffée au gaz et inoculée à la température de 1400 'C Des plaques de 6 mm d'épaisseur ont été coulées immédiatement après l'ino- culation La composition chimique finale, donc après l'inoculation de la fonte, pour tous les essais correspond à _ C % Si % Mn % P % S %Ni % Mg 3,55-3,70 2,20-2,40 Le tableau I indique la variation du nombre moyen N des sphéroïdes par millimètre carré, mesuré dans une section transversale des plaques de 6 mm d'épaisseur, en fonction du pourcentage i d'inoculant ajouté, et ce, dans le cas des alliages A et B Ces variations sont illus- trées par les courbes correspondantes NA et NB de la figure 1. TABLEAU I Pourcentage d'ino Nombre moyen de sphéroïdes par mm 2 dans une culant ajouté -(i section transversale d'une plaque de 6 mm d'épaisseur (N) - Alliage A Alliage B 0,2 186 368 0,35 246 483 0,5 281 727 0,7 429 712 1,0 488 989 1,3 512 1238 Le comptage du nombre de sphéroïdes s'est fait à l'aide d'un microscope optique avec un agrandissement de 250 Avec l'alliage B suivant l'invention, il y a lieu de constater l'absence-absolue de toute forme de graphite dégénéré, quelque soit le taux d'apport de cet alliage B Pour la composition chimique de la fonte choisie, le nombre de sphéroïdes minimal nécessaire pour garantir, à l'état brut de coulée, une structure libre de carbures aux extrémités des plaques de 6 mm, se situe aux environs de 570 La figure 1 montre qu'en appli- quant l'alliage A de composition classique, on n'arrive jamais à une structure complètement grise. Pour la deuxième série de coulées, la même composition chimique finale de la fonte a été choisie, comme pour la première Pour ces coulées, on a réalisé des essais comparatifs avec l'inoculant A de composition classique donnée plus haut, et d'autres inoculants, à savoir: alliage C de composition: ferro-alliage à 0,44 % de Ca; 1,9-2 % d'Al; 0,26 % de terres rares et 73 % Si; solde: Fe; alliage D: ferro-alliage suivant l'invention à 0,9 % de Ca; 0,2 % d'Al; 0,74 % de terres rares; 1,45 % de Bi et 72 % de Si; solde: Fe. Le quatrième inoculant testé, correspondant à la coulée A 4, était composé de morceaux de Mischmetall et de Bi-métal purs plongés dans le bain liquide à l'aide d'une tige en acier Les résultats de ces essais sont rassemblés dans le Tableau II ci-dessous. TABLEAU II N de la Pourcentage et type Nombre moyen de Dureté HB 10/300 coulée d'inoculant ajouté sphéroides/mm 2 dans 15 dans la pla- la plaque de que de 24 mm 6 mm 12 mm 24 mm AI 0,2 de l'alliage A 186 117 71 183 A 2 0,2 de l'alliage C 205 123 70 186 A 3 0,2 de l'alliage D 493 240 193 161 A 4 0,005 de Mischmetall (truit(truit) 40 203 + 0,005 de Bimétal Lors de la coulée A 4, c'est-à-dire avec 0,005 % de Mischmetall et 0,005 % de Bi-métal comme inoculant, on a obtenu, dans le cas des plaques de 6 et 12 mm, des structures truitées dont le nombre de sphé- ro-des n'a pas été déterminé et avec les plaques de 24 mm, une faible quantité de sphéroïdes pour la plupart de forme irrégulière: 10 % type I + 85 % type II + 5 % type V (qualification des types de graphite suivant les spécifications ASTM A 247-67) Le tableau II ci-dessus montre que les inoculants A et C sont pratiquement équi- valents Par contre, l'alliage D réalisé suivant l'invention pro- duit de nouveau des résultats supérieurs à ceux des deux alliages classiques A et C, ce qui se matérialise par un nombre de sphéro%- des beaucoup plus important dans toutes les massivités de moulage Il s'en suit de plus importantes teneurs en ferrite dans les structures et, par conséquent, et à titre d'exemple, des duretés beaucoup moins élevées comme l'indique la dernière colonne du tableau Il Les résul- tats de la coulée A 4 donnés dans le tableau II prouve que l'apport des terres rares et du bismuth sous forme concentrée n'a pas d'effet inoculant notable. On a également étudié, dans une troisième série de coulées, le comportement des alliages sur l'évanouissement de l'effet inoculant. On a coulé des plaques de Grm d'épaisseur à différents temps de maintien, après inoculation 200 kg de fonte liquide ont été trai- tés au magnésium à 1550 C dans le four en ajoutant 1,1 % du même allia- ge au Ni et Mg sans terres rares, que celui utilisé dans la première série d'essais L'apport total d'inoculant est de 1 % dont la moitié a été ajoutée lors du transvasement de la fonte du four dans la poche de coulée et l'autre tout juste avant la coulée de la première plaque A ce moment, la température de la fonte était de 1 440-1 4450 C On a comparé l'alliage B suivant l'invention avec un ferro-alliage E à 0,57 % de Ca; 0,2 % d'Al; 0,42 % de terres rares et 71 % de Si; solde Fe La composition chimique finale de la fonte ne diffère de celle des deux premières séries d'essais que par un équivalent en carbone plus élevé Cette composition finale de la fonte est donnée dans le tableau III ci-dessous. TABLEAU III N O de coulée Inoculant Composition de la fonte M O Y O S i Y Mg XN i B 1 alliage E 3,80 2,85 0,051-0,045 0,93 B 2 alliage B 3,86 2,92 0,052-0,045 0,91 Les résultats des essais sont indiqués dans le tableau IV ci- dessous o N représente le nombre moyen de sphéroïdes par millimé- tre carré dans les plaques de 6 mm d'épaisseur, P la teneur en perlite, en pourcentdans ces plaques, t C le temps de coulée après l'inoculation, en minutes, et T la température de coulée en 'C, mesurée dans la poche. TABLEAU IV No 1 2 3 4 0 1 3 5 de plaque 6 7 7 9 11 Inoculant alliage E N: 401 P: 21,9 T: 1444 230 207 210 230 231 247 43,8 44,6 46,9 46,9 46,7 46,5 B 2 t C: 1 3 5 8 11 t ant N: 1275 523 433 354 344 330 aiage B a P: 0,5 22,5 29,2 30,1 32,3 31,2 T: 1445 1435 1425 1410 1390 1372 Sur la figure 2, les courbes PB et PE d'une part, et NB et NE d'autre sphéroides ge suivant que. part, indiquent respectivement la variation du nombre de N et de la teneur en perlite P dans le cas de l'allia- l'invention B et de l'alliage E de composition classi- Le tableau IV et la figure 2 illustrent l'effet plus favorable de l'inoculant B sur la structure dans les moulages à faible massi- vité: on obtient en effet des nombres de sphéroïdes plus importants durant toute la durée de coulée et des taux en perlite beaucoup moins élevés. N de coulée B 1 t C: REVENDICATIONS 1. Ferro-alliage pour le traitement d'inoculation des fontes à graphite sphérodal, caractérisé en ce qu'il comprend de 0,5 à 3 % en poids d'au moins un métal du groupe des terres rares et de 0,005 % à 3 % en poids d'au moins un élément pris dans le groupe comprenant le bismuth, le plomb et l'antimoine, le solde étant essen- tiellement le silicium et le fer normalement présent dans les ferro- alliages utilisés pour l'inoculation des fontes. 2. Procédé de traitement de la fonte liquide avec un ferro- alliage suivant la revendication 1, comme unique traitement d'inocula- tion, caractérisé en ce que l'on apporte des quantités bien dosées de métaux de terres rares avec des quantités également bien dosées de bis- muth, de plomb ou d'antimoine, après le traitement de sphéroldisation de la fonte, de telle façon que la somme des éléments métaux de terres rares soit comprise entre 0,0057 % et 0,1 % en poids de la fonte, tandis que la somme des éléments bismuth, plomb et antimoine représente entre 0,0057 % et 0,05 % en poids de la fonte.