Brevet FR2552447A1 — publié le 19850329

l La présente invention concerne un perfectionnement à la fonte ferritique nodulaire à graphite thermorésistante et plus particulièrement une telle fonte présentant un degré élevé de dureté dans une gamme de températures de fragilité au bleu. La fonte nodulaire à graphite (équivalente à la qualité connue sous la désignation JIS FCD 40) a été largement utilisée comme fonte ferritique dans la fabrication par exemple de carters de turbines pour les surcompresseurs et les collecteurs d'échappement; toutefois il est connu que la fonte ferritique présen10 te une résistance insuffisante à la chaleur (et en particulier une résistance insuffisante à l'oxydation) quand la température des gaz d'échappement atteint 800 C. Pour surmonter ce problème, on a déjà proposé d'utiliser une fonte à haute teneur en silicium, présentant une résistance 15 élevée à l'oxydation, mais, quand on la compare à la fonte nodulaire à graphite classique, la fonte à teneur élevée en silicium présente l'inconvénient d'être sensible à des chauffages répétitifs, au point que des fissures se propagent au cours de son utilisation Une des principales raisons en est que l'allongement 20 à la rupture descend à 2-3 % aux valeurs de températures dites de fragilité au bleu, situées entre 300 et 400 C. Il a donc été proposé d'utiliser une fonte à teneur élevée en silicium, mais contenant 4 % de silicium et I % de molybdène (les pourcentages étant dans la présente description 25 exprimés en poids) Une telle fonte à teneur élevée en silicium a été utilisée pour la fabrication de certains carters de surcompresseurs pour les automobiles et les collecteurs d'échappement, mais on a découvert que si une seule composition chimique était spécifiée, l'allongement à la rupture demeurait faible aux 30 températures comprises entre 300 et 400 C et qu'il était difficile d'obtenir l'allongement à la rupture supérieur à 5 C. Compte-tenu de ce qui précède, la demanderesse a mis au point une nouvelle fonte ferritique nodulaire à graphite, présentant un allongement élevé à la rupture dans l'intervalle de 35 températures de fragilité au bleu, capable de résister à des chauffages répétitifs, cette fonte étant caractérisée par le fait qu'elle contient 2,6 3,8 % de carbone, 3-4,2 % de silicium, moins de 0,5 % de manganèse, moins de 0,1 % de phosphore, moins de 0,03 % de soufre, moins de 0,6 % de molibdène, et 0,0240 0,15 % de magnésium, avec en plus des éléments appartenant au groupe des terres rares, la taille moyenne du grain de ferrite étant inférieure à 25 microns. On va maintenant décrire l'invention plus en détails en se référant au dessin annexé sur lequel: la figure I est une courbe illustrant la relation entre la teneur en silicium d'une fonte ferritique nodulaire à graphite, et sa résistance à l'oxydation, la figure 2 est une courbe illustrant la relation entre la teneur en silicium d'une fonte ferritique nodulaire à 10 graphite et l'allongement à la rupture, la figure 3 est une courbe illustrant la relation entre la teneur en molybdène d'une fonte ferritique nodulaire à graphite et son allongement à la rupture et, la figure 4 est une courbe illustrant la relation 15 entre la taille des grains de ferrite et l'allongement à la rupture. La fonte ferritique nodulaire à graphite à haute résistance thermique selon la présente invention va maintenant être décrite avec référence aux figures I à 4 qui ont été obtenues 20 au cours d'études et d'expérimentations très poussées réalisées par la demanderesse. Le silicium assure la résistance la plus élevée à l'oxydation La figure 1 illustre un exemple des études et expérimentations poussées conduites par la demanderesse, en illus25 trant la relation entre la teneur en silicium et la résistance à l'oxydation Sur la figure I on a porté en ordonnéesle rapport en pourcentage entre l'épaisseur d'une portion non affectée et l'épaisseur initiale, obtenu par examen microscopique d'une section de chaque échantillon après qu'il ait été chauffé depuis 30 la température ambiante jusqu'à 800 C à 600 reprises On voit sur la figure 1 que si la teneur en silicium est supérieure à 3,5 %, la variation d'épaisseur diminue; toutefois en pratique,il faut supposer qu'une épaisseur de la portion non affectée doit être supérieure à 85 %, la teneur en silicium devant être supérieure 35 à 3 %. La figure 2 illustre la relation entre la teneur en silicium et l'allongement à la rupture On voit que si la teneur en silicium est supérieure à 3 %, l'allongement à la rupture diminue à 300-400 C, tandis que si la teneur en silicium est supérieure à 3,9 %, l'allongement à la rupture diminue jusqu'à un minium. Il en résulte que si la teneur en silicium est fixée à 3-4 % de manière à ce qu'une épaisseur de la portion non affectée puisse dépasser 85 % et que l'allongement à la rupture puisse être supérieur à 5 % à 400 C, dans des conditions ou la taille du grain de ferrite diminue comme il sera décrit ci-après, on doit ajouter une quantité convenable de molybdène. La figure 3 illustre la relation entre la teneur en molybdène dans une fonte dont la teneur en silicium est telle que l'allongement à la rupture à 400 C est inférieure à 5 % d'une part, et l'allongement à la rupture en % d'autre part On voit sur cette courbe que l'allongement à la rupture est très amélioré si la teneur en molybdène est comprise entre 0,1 et 0,4 % et que si la teneur en molybdène est comprise entre 0,05 et 0,5 %, 15 l'allongement à la rupture augmente au-delà de 5 % Cependant, en raison des effets résultant de la diminution de la taille du grain de ferrite, la teneur en molybdàne peut être accrue jusqu'à 0,6 et même 0,7 % Toutefois la teneur en carbone des fontes est généralement élevée, de sorte qu'il tend à se produire du carbure et que la dureté est par suite diminuée En conséquence, selon la présente invention, la teneur en molybdène doit être inférieure à 0,6 %. On va maintenant décrire d'autres éléments de l'invention Si la teneur en carbone est inférieure à 2,6 %, le nombre 25 de nodules de graphite est insuffisant, de sorte qu'il devient difficile de réduire au degré désiré la taille de particules des cristaux Au surplus, l'aptitude à la coulée est affectée Par ailleurs, si la teneur en carbone est supérieure à 3,8 %, la taille des particules de graphite augmente, ce qui entraine une diminution de la dureté et de la quantité de scories après coulée. Par suite, selon la présente invention, la teneur en carbone doit être maintenue entre 2,6 et 3,8 %. Si la teneur en manganèse dépasse 0,5 %, il tend à se former de la perlite et l'allongement à la rupture en est affec35 té En d'autres termes, il devient difficile d'atteindre un allongement à la rupture supérieur à 5 % Par suite, la limite supérieure de la teneur en manganèse est de 0,5 %. Si la teneur en phosphore est supérieure à 0,1 %, il tend à se produire à la limite une ségrégation avec diminution résultante de l'allongement à la rupture Il devient donc impos- sible d'atteindre un allongement à la rupture supérieur à 5 Z. Il en résulte que selon la présente invention, la teneur en phosphore doit être inférieure à 0,1 Z comme dans la fonte classique. Le soufre tend à provoquer à la limite une ségrégation et affecte donc la nodulisation du graphite Si la teneur en soufre est un peu importante, il devient difficile d'atteindre un allongement à la rupture supérieur à 5 % Par suite la teneur en soufre doit être inférieure à 0,03 % comme dans la fonte clas10 sique. Suivant la présente invention, le reste des additifs, c'est-à-dire le magnésium et les éléments des terres rares doit être compris entre 0,02 et 0,15 Z Si leur teneur totale est inférieure à 0,02 %, le graphite ne devient pas suffisamment nodu15 laire Si leur teneur totale est supérieure à 0,15 %, on peut obtenir des effets pratiquement semblables, mais avec une tendance trop élevée à la formation d'oxyde de manganèse Il en résulte que la teneur totale en magnésium et en éléments des terres rares doit être inférieure à 0,15 % Il est important de 20 ne pas utiliser uniquement du magnésium comme agent pour l'obtention de fonte nodulaire et que, en plus du magnésium, on utilise des éléments des terres rares pour que le graphite nodulaire soit finement divisé et dispersé. La figure 4 illustre-la relation entre la taille moyen25 ne des grains de ferrite obtenus dans de la fonte modulaire contenant 2,6 3,8 % de carbone, 3-4,2 % de silicium, et moins de 1 % de molybdène, conformément à la méthode d'essai spécifiée dans la norme JI-SG 0552, et l'allongement à la rupture à 300400 C On voit sur cette courbe que, plus -la taille moyenne des 30 grains de ferrite est petite, plus l'allongement à la rupture devient élevé Il en résulte que, pour obtenir un allongement à la rupture supérieur à 5 % avec la composition chimique précitée, la taille moyenne des grains de ferrite doit être inférieure à 25 microns. Pour diminuer la taille des grains de ferrite, on peut utiliser les procédés thermiques classiques ou des agents de nodulisation, tels que par exemple des éléments des terres rares de manière telle que le graphite modulaire puisse être finement divisé et dispersé. On va maintenant décrire les résultats d'essais compa- ratifs entre la fonte selon la présente invention et la fonte classique Le tableau 1 ci-après représente les compositions chimiques des échantillons utilisés; le tableau 2 représente leurspropriétéstb 4 caniques,et le tableau 3 indique la résistance 5 à l'oxydation, la dimension des grains de ferrite et les conditions de traitement thermique Les échantillons N 1 à 3 sont réalisés à partir de fonte selon la présente invention, et leur teneur en silicium augmente dans l'ordre indiqué On utilise comme agent de nodulisation du magnesium plus des éléments des 10 terres rares (RE) Les échantillons N 4 à 6 sont réalisés en fonte classique L'échantillon N 4 a la teneur la plus élevée en molybdène; l'échantillons N 5 a la teneur la plus élevée en silicium et une taille de grain élevée; et l'échantillon N 6 a la teneur la plus basse en silicium parmi les échantillons équivalents à la fonte à graphite nodulaire JIS L'échantillon N 6 présente un allongement élevé à la rupture à 400 C, mais sa résistance à l'oxydation est inférieure à la fonte selon la présente invention L'échantillon N 6 contient du magnésium comme agent de nodulisation. TABLEAU 1 I 30 N C Si Mn Mo Mg + RE 1 3,27 3,21 0,15 0,29 0,06 2 3,55 3,52 0,11 0,32 0,10 3 3,32 4,13 0,15 0,32 0,06 4 2,84 3,55 0,35 1,10 Mg 0,04 3,00 4,01 0,30 Mg 0,04 6 3,42 2,45 0,25 Mg 0,05 Remarques: No 1-3: P = 0,04 0,06, S = 0,01 0,02 No 4-6: P = 0,01 0, 06, S = 0,01 0,02 (%) TABLEAU 2 15 20 N Résistance à Résistance à Allongement (%) 0,2 % (Kg f/mm 2) la traction Température 4000 C (Kg f/mm 2) ambiante 1 37,8 ( 370) 50,4 ( 494) 12,7 16,4 2 37,8 ( 370) 51,6 ( 506) 19,1 17,1 3 49,5 ( 485) 62,5 ( 613) 17,3 15,0 4 47,8 ( 468) 55,4 ( 543) 10,0 5,3 45,2 ( 443) 57,8 ( 566) 18,9 3,0 6 26,2 ( 258) 41,4 ( 403) 25,8 15-,0 Remarque: les valeurs entre parenthèses désignent M Pa. TABLEAU 3 N Caractéristique Taille des Traitement d'oxydation (va grains de thermique riation d'épaisseur ferrite (e m) en %) 7500 C x 3 h refroidissement 1 88,7 2 3 25 4 92,8 94,0 16 18 35 32 23 750 o C x 3 h refroidissement au four (RF) ditto ditto 920 C x 10 h, RF et 800 C x 2 h, RF 950 C x 5 h, RF 7500 C x 3 h, RF 6 79,8 Il résulte des tableaux précédents que les échantillons N 1 à 3 de fonte nodulaire selon la présente invention présentent de fins cristaux de ferrite, une excellente résistance à l'oxydation, et l'allongement à la rupture à 400 C le plus élevé. Les échantillons N 4 et 5 sont conformes à la composi35 tion chimique définie par la présente invention, mais leur allongement a la rupture à 400 C est remarquablement faible en raison de la grande dimension des grains. L'échantillon N 6 qui était équivalent à la norme JIS RCD 40 présente un allongement à la rupture à 400 C élevé, mais la résistance à l'oxydation est inférieure à celle de la fonte selon la présente invention. Comme il a déjà été indiqué, la fonte nodulaire selon la présente invention présente une teneur en silicium supérieure à la fonte nodulaire JIS, mais inférieure à la fonte dite à haute teneur en silicium Cependant, la fonte selon la présente invention présente une excellente résistance à l'oxydation et sa ductilité et sa dureté sont augmentées du fait que la taille des grains est petite Au surplus la fonte selon la présente invention présente un allongement à la rupture élevée dans l'intervalle de températures dites de fragilité au bleu Par suite, quant on l'utilise dans la fabrication d'éléments mécaniques tels que des surcompresseurs, des collecteurs d'échappement ou analogues, qui sont soumis de manière répétitive à des températures élevées, l'oxydation et le fissurage peuvent être évités, ce qui leur assure une longue vie de service. c 2447 REVENDICATION Fonte ferritique nodulaire à graphite caractérisée en ce qu'elle contient 2,6 à 3,8 % de carbone, 3 à 4,2 Z de silicium, moins de 0,5 % de manganese, moins de 0,1 % de phosphore, moins de 0,03 % de soufre, moins de 0,6 % de molybdène, et 0,02 â 0,15 Z au total de magnésium et d'éléments des terres rares, la taille des grains de ferrite étant inférieure à 25 microns.