Brevet FR2590508A1 — publié le 19870529

La présente invention est relative à un procédé d'obtention d'une fonte à structure bainitique et à une fonte à structure bainitique obtenue par ce procédé. La présente invention a plus particulièrement pour objet un procédé d'obtention de pièces moulées en fonte à graphite sphéroYdal à structure bainitique. Il est connu d'obtenir une fonte à structure bainitique par trempe de cette fonte à partir d'une température située dans le domaine austénitique jusqu'à une température située au niveau des températures d'existence du domaine bainitique, puis de maintenir cette fonte à température constante dans le domaine bainitique pour obtenir une transformation isotherme progressive de l'austénite en bainite. Ainsi il est obtenu une fonte à structure bainitique dont les propriétés mécaniques sont fonction de la proportion d'austénite stabilisée, cette proportion d'austénite dépendant de la durée de la transformation isotherme et de la température de maintien dans le domaine bainitique. Le procédé couramment adopté consiste à réaliser une pièce par coulée d'une fonte liquide dans un moule, qui pendant son refroidissement passe par le domaine de température austénitique, puis à poursuivre le refroidissement jusqu'à une température inférieure ou égale à 600 C, ce qui entraîne la transformation de l'austénite en ferrite. La pièce, démoulée à cette température, est alors réchauffée à une température supérieure à la température Ac3, ce qui entraîne la réausténitisation de la matrice. Ensuite, la pièce réchauffée subit une trempe jusqu'au niveau des températures d'existence du domaine bainitique. Le but de cette trempe est d'obtenir un refroidissement suffisamment rapide pour éviter l'apparition de perlite qui apparaît dans un domaine de température supérieur à celui de la bainite. Une fois atteint le domaine bainitique, l'austénite se transforme en bainite au cours du maintien isotherme qui est d'une durée préalablement déterminée fonction de la composition chimique de la fonte et de la température du maintien isotherme. Les opérations de trempe et de maintien isotherme sont habituellement réalisées dans des fours à bain de sels. Cependant, ce procédé de traitement dans des bains de sels pose des problèmes de pollution puisque les sels utilisés sont des mélanges oxydants de nitrites et de nitrates alcalins. Ainsi il est obligatoire d'effectuer le maintien isotherme de transformation de l'austenite en bainite dans le même bain de sels que celui ayant servi à la trempe, afin d'éviter en particulier la multiplication des bains de sels et les manipulations successives des pièces moulées provoquant des entraînements de sels. De ce fait, le traitement bainitique est habituellement réalisé sur des pièces groupées en charges dont la masse est compatible avec le volume du bain de sel. Ces charges étant traitées de manière successive, il en résulte que la productivité des installations à bain de sels est faible de par la non-disponibilité du milieu de trempe durant toute la durée du maintien isotherme. Le maintien isotherme en bain de sels devient donc une étape limitante dans le déroulement du procéde. Enfin, une fois la transformation de l'austénite en bainite effectuée, il convient, dans les procédés de trempe en bain de sels, d'effectuer un lavage de la pièce trempée, puis un traitement de passivation de la pièce qui, une fois lavee, s'oxyde. Il convient donc, dans un procédé industriel d'obtention d'une pièce moulée en fonte à structure bainitique, de pouvoir dissocier les phases de trempe et de maintien isotherme, afin de pouvoir accélérer la cadence de production, la transformation isotherme de l'austénite en bainite ne devenant plus une étape limitante du procédé. On connait ainsi par la demande EP 95 470, un procédé d'obtention de structure bainitique par remontée en température de la pièce moulée au-dessus de la température d'apparition de l'austénite. Apres cette remontée en température, une trempe rapide en bain d'huile est effectuée jusqu'à 240 C, puis la pièce est réchauffée à une température de 380 C et maintenue à cette température pour obtenir la transformation isotherme de l'austénite en bainite. Mais un tel procéde nécessite, comme le procédé classique, des additions importantes d'éléments d'alliage dans le cas de pièces massives, ce qui a pour effet d'augmenter la durée de traitement et de rendre plus délicate la stabilisation de l'austénite. Par ailleurs l'addition d'éléments d'alliage augmente la porosité des fontes et diminue donc leurs propriétés mécaniques. En outre le réchauffage de la fonte au-dessus de la température d'austénitisation entraine une consommation d'énergie supplémentaire. Enfin la remontée en tempé- rature à 380 C n'a pas de signification réelle puisque la température de remontée est fonction du type de bainite désiré. De même la température de trempe, fixée à 240 C dans la demande EP 95 470, conduit à une répartition des températures dans la pièce fonction de la géométrie et du temps de maintien dans le bain d'huile. On sait, par le document "Economies d'énergie par décochage à chaud et traitement thermique des pièces de fonderie" (séminaire international sur les Economies d'énergie - DUsseldorf février 1984) que le décochage à chaud de pièces moulées en fonte à graphite sphéroïdal suivi d'un maintien d'homogénéisation dans le domaine austénitique entraîne un accroissement de la trempabilité de fonte, ceci s'accompagnant d'une économie d'énergie ainsi que d'une économie d'éléments d'alliages. On connait ainsi, par ce document, un procédé d'obtention d'une fonte à matrice bainitique par décochage à chaud dans le domaine austénitique suivi d'une trempe depuis 1 000 C jusqu'à 360 C suivie d'un maintien isotherme, la trempe et le maintien isotherme étant réalisés dans des fours à lit fluidisé. Mais les essais effectués sur des fontes alliées à 3,45 % C, 2,5 %' Si, 2, 45 % Ni, 0,46 % Mo, et 0,05 % Mg, pour obtenir une fonte à matrice bainitique, ont montré que les caractéristiques observées sont sensiblement inférieures à celles obtenues par des procédés classiques par simple transposition des paramètres de traitement et que l'utilisation de fours à lit fluidisé nécessite l'emploi de fontes très alliées entraînant l'apparition de porosités dans les pièces massives. Enfin, la trempe en lit fluidisé ne permet que des échanges thermiques ne représentant qu'environ 50 % des échanges thermiques obtenus par un procédé classique de trempe en bain de sels. La Demanderesse s'est donc posé le problème de réaliser un procédé d'élaboration de fonte à structure bainitique permettant de réaliser à la fois une augmentation de la productivité et des économies d'énergie tout en diminuant les rebuts par l'obtention d'un matériau de meilleure qualité, grâce à la minimisation de l'addition d'éléments d'alliage. La présente invention qui résout ce problème a donc pour objet un procédé d'obtention de fonte à structure bainitique du type à trempe de la pièce à partir du domaine austénitique jusqu'au domaine bainitique, suivie de la transformation isotherme de l'austénite en bainite, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: - décochage à chaud de la pièce moulée à une température T1; - trempe de la pièce moulée jusqu'au domaine bainitique dans un bain d'huile de température T3; - maintien isotherme de la pièce moulée dans un four à une tempé- rature T4 supérieure à 3; la fonte utilisée étant une fonte non alliée ou faiblement alliée. - D'autres caractéristiques et avantages ressortiront à la suite de la description qui va suivre faite en référence aux figures données uniquement à titre d'exemple non limitatif. La Fig. 1 est un diagramme illustrant l'évolution de la température de la pièce moulée en fonction du temps d'après le procédé selon l'invention. La Fig. 2 est un diagramme illustrant les différentes courbes de trempe obtenues d'après le procédé selon l'invention en fonction de l'épaisseur de la pièce trempée, de la température et du temps. La Fig. 3 est un diagramme illustrant les différents domaines d'existence des structures austénitique, perlitique, bainitique et martensitique en fonction de la température et du temps, ainsi que le déplacement de ces domaines d'après le procédé selon l'invention. La Fig. 4 est une micrographie (à un grossissement x 1 000) illustrant la structure bainitique existant dans les parties les plus minces d'une pièce en fonte à structure bainitique obtenue par le procédé selon l'invention. La Fig. 5 est une micrographie (à un grossissement x 500) illustrant la structure bainitique d'une pièce en fonte obtenue par le procédé selon l'invention. La Fig. 6 est une micrographie (à un grossissement x 500) illustrant la structure bainitique d'une pièce en fonte obtenue par un procédé classique. La première étape du procédé selon l'invention étant d'opérer un décochage à chaud de la pièce moulée, il convient que le procédé de moulage soit effectivement compatible avec le décochage à chaud. Or il est apparu que le décochage à chaud doit être d'autant plus rapide que la pièce est de faible massivité. Par ailleurs, il convient que le décochage n'entraîne aucun marquage ni aucune déformation de la pièce. Enfin le traitement thermique, auquel est soumise la pièce moulée dans le procédé selon l'invention, nécessite que la pièce soit propre. Ainsi deux critères principaux définissent la compatibilité du procédé de moulage avec le décochage à chaud des pièces moulées: - la durée de l'opération de décochage à chaud; - l'aspect extérieur de la pièce après décochage à chaud. Des études ont montré que le décochage à chaud était compatible aussi bien avec le moulage en sable flou (sans liant) qu'avec le moulage en carapace ou encore le moulage en sable lié par des agglomérants chimiques. Apres avoir procédé à la coulée de la pièce en fonte à graphite sphéroldal selon un procédé compatible avec le décochage à chaud,la pièce se refroidit dans le moule jusqu'à une température T1 (phase A de la figure 1), comprise entre 1050 C et Ar3, température à laquelle la pièce est décochée, c'est-à-dire sortie du moule. Puis, à une température T2 comprise entre 1000 C et 850 C, la pièce est maintenue pendant un temps tl (phase B de la figure 1) compris entre 10 mn et 2 heures. La température T2 étant supérieure à la température Ar3 de la fonte moulée, la pièce est donc maintenue dans le domaine austénitique. Ce maintien à la température T2 permet de supprimer, en grande partie, le gradient thermique existant entre les zones périphériques de la pièce moulée et la zone centrale, et entre les parties massives et les parties minces de cette pièce. De même, il diminue, sans la supprimer totalement, l'hétérogénéité chimique existant dans la pièce provoquée par la ségrégation des différents éléments lors de la solidification. Le temps tl d'homogénéisation doit être grand. Il est en pratique fixé entre 20 mn et 1 heure. Une fois le maintien isotherme réalisé à la température T2, on obtient une fonte à graphite sphéroldal à structure austénitique caractérisée par une austénite, dite vierge, à grains beaucoup plus gros que ceux obtenus dans la procédure classique de réausténitisation par remontée en température de la pièce moulée. Après ce maintien isotherme de la pièce moulée, celle-ci est trempée dans un bain d'huile de température T3 (phase C de la Fig. 1). Cette température T3, situee dans l'intervalle des températures du domaine bainitique de la fonte moulée, est limitée par la température maximale que l'huile peut supporter avant de s'enflammer. En pratique, le bain d'huile est chauffé à une température T3, inférieure ou égale à 250 C pour une huile ayant un point éclair de 290 C. Cette température T3 est toujours supérieure à la tempéra- ture Tm permettant une transformation martensitique locale qui est O10 inférieure ou égale à 230 C selon la composition chimique de la fonte. La pièce est retirée du bain d'huile lorsque ses zones les plus chaudes (donc les plus épaisses) ont atteint une température Th inférieure à la limite inférieure Tb du domaine perlitique qui est de l'ordre de 500 C. Ainsi pour une pièce présentant des variations d'épaisseur, il est possible, pour que toute la pièce soit à une température inférieure à la limite inférieure Tb du domaine perlitique, que les parties les moins épaisses de la pièce trempée soient refroidies jusqu'à 300 C, voire 250 C. Ainsi, comme on le voit Fig. 2, la durée de la trempe est fonction de l'épaisseur de la pièce. En effet, pour que la partie P1 la plus épaisse de la pièce à tremper soit à une température Th inférieure à la limite Tb inférieure du domaine perlitique, il convient d'effectuer une trempe en bain d'huile pendant un temps t qui fait que les parties P2 les moins épaisses de la pièce, sont à une température Ti inférieure à la température Th de la partie P1 la plus épaisse. Mais la température T3 du bain d'huile étant toujours, comme il a été dit précédemment, supérieure à la température Tm permettant une transformation martensitique locale, aucune partie de la pièce trempée ne peut descendre à une température permettant l'apparition locale de martensite. Ainsi, une fois la pièce trempée, c'est-à-dire quand toute la pièce est à une température inférieure à la température Tb constituant la limite inférieure de la perlite, la pièce présente en fait une gamme de température allant de Th (inférieure à Tb) pour les parties les plus épaisses de la pièce moulée, à Ti (supérieure à Tm et supérieure ou égale à T3) pour les parties les moins épaisses de la piece. Par ailleurs comme on le voit sur la Figure 2, il existe une épaisseur critique Ec, ou un diamètre critique Dc, qui est fonction à la fois de la température T2 de début de trempe et du milieu de trempe et qui détermine la pente de la ligne Ec d'évolution de la température en fonction du temps d'une pièce moulée d'épaisseur Ec (ou de diamètre Dc). En effet, comme on le voit Fig. 2, pour une certaine épaisseur critique Ec, la courbe de trempe d'une pièce présentant une telle épaisseur tangente le domaine d'apparition de la perlite. Or il convient d'éviter l'apparition de la perlite. Ainsi il est possible de définir la trempabilité d'une fonte par l'épaisseur critique Ec, ou le diamètre critique Oc, à partir duquel apparaît la structure perlitique. Or, comme on le voit sur la Fig. 3, le procédé de traitement thermique selon l'invention permet un déplacement vers le bas et vers la droite des courbes d'apparition de la perlite, de la bainite, et de la martensite, ce qui entraîne une augmentation de la trempabilité de la fonte. En effet, sur cette Fig. 3, les courbes d'apparition des différentes structures dans le procédé selon l'invention sont constituées par la ligne 1 alors que les courbes d'apparition des nmmes structures dans les procédés classiques sont constituées par la ligne 2. Pour illustrer ce phénomène, deux séries d'essais ont été réalisées qui mettent en évidence l'augmentation de la trempabilité résultant du procédé selon l'invention. Les résultats de ces essais apparaissent aux tableaux 1 et 2 ci-après. TABLEAU 1 :ANALYSE: CYCLE: MILIEU: DIAMETRE CRITIQUE :: THERMIQUE: DE TREMPE: DE TREMPE :à------------- à........................ -- :3,7%C :2,4%Si :0,5%Cu :0,5%Mn :0,040% Mg : Refroidissement: Bain de sels: Dc2 = 25 mm: : en moule: à 375 C: : Réchauffage à 900 C::: : Maintien 1 h à 9000 C::: : Décochage à 900 C: Huile: Dcl = 40 mm: :: 6 à 240 C:: : Maintien 1 h à 900 C::: Ainsi, comme on le voit sur l'exemple présenté sur le tableau 1, à compositions de fonte identiques et à températures de début de trempe égales, le procédé selon l'invention entraîne un diamètre critique Dcl de 40 mm alors que le procédé classique de réchauffage pour réausténitisation et trempe en bain de sels présente un diamètre critique Dc2 de 25 mm. On voit donc que le procéde selon l'invention entraîne une augmentationi de la trempabilité de 60 %. = N 259050.8 TABLEAU 2 : CYCLE: MILIEU DE: DIAMETRE CRITIQUE: ANALYSE DE LA: :THERMIQUE: TREMPE: DE TREMPE: FONTE: à: :Refroidissement: Bain de:: 3,7 % C : : en moule: sels à:: 2,4 % Si: : Réchauffage: 375 C: 40 mm: 1,0 % Cu: :à 900 C::: 1,0 % Ni : : Maintien::: 0,5 % Mn : : 1 h à 900 C::: 0,04% Mg : :Décochage::: 3,7 % C : : à 900 C: Huile à: : 2,4 % Si: : Maintien: 240 C: 40 mm: 0,5 % Cu: : 1 h à 900 C::: 0,5 % Mn : :::: 0,04% Mg : Par ailleurs, comme on le voit sur le tableau 2, à trempabilité égale, c'est-à-dire pour une épaisseur critique de trempe de 40 mm, la composition de la fonte utilisée dans le procédé selon l'invention est beaucoup moins alliée que la fonte qui devrait être utilisée dans le procédé classique. Ainsi la teneur en cuivre est divisée par deux et le nickel n'est plus nécessaire. Ce procédé selon l'invention permet donc de réaliser une substantielle économie d'éléments d'alliage, ce qui, outre l'aspect économique d'un tel avantage, permet de réaliser des pièces de meilleure santé, car, comme il a déjà été dit précédemment, les éléments d'alliage entraînent l'apparition de porosité dans les fontes. Une fois la trempe réalisée, c'est-à-dire aussitôt après que les parties les plus massives de la pièce sont à une température Th infé- rieure à Tb, les parties les moins épaisses étant à la température Ti, la pièce moulée est placée dans un four à une température T4 inférieure à Tb et supérieure à T3, four dans lequel a lieu la transformation isotherme de l'austénite en bainite. Le four peut être par exemple un four à passage du type tunnel. r- La température T4 de ce four est fonction de la bainite que l'on désire obtenir. Ainsi si l'on désire obtenir une bainite inférieure (très dure) la température T4 du four pourra être de l'ordre de 250 à 260 C, alors que si l'on désire une bainite supérieure (plus facile à usiner) la température T4 du four pourra atteindre 400 C. Selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention, cette température T4 est fixée entre 340 C et 375 C. Le maintien de la pièce moulée dans le four à la température T4 entraîne donc un refroidis- sement des parties les plus chaudes de la pièce, qui étaient à la température Th, et un réchauffement des parties les plus froides de la pièce, qui étaient à la température Ti. Ainsi, on voit que les parties de la pièce les plus minces sont passées d'une température Ti du domaine bainitique inférieur, à une température T4 du domaine bainitique supérieur. Les pièces obtenues par le procédé selon l'invention sont donc caractérisées par l'existence, dans leurs parties les plus minces, d'aiguilles bainitiques, du type de celles existant dans une bainite inférieure, autour des nodules de graphite, le reste de la matrice étant une matrice bainitique supérieure. Ceci est en particulier illustré Fig. 4. Une fois la transformation isotherme de l'austénite en bainite réalisée, après un temps t2 compris entre 30 mn et 3 heures, la pièce moulée est sortie du four de maintien isotherme, la pièce se refroidissant ensuite jusqu'à la température ambiante, l'austénite non transformée étant stabilisée, le refroidissement à température ambiante étant réalisé à l'eau ou à l'air. Grâce à la diminution des éléments d'alliage, la durée t2 de la phase D de maintien isotherme peut être diminuée de 15 à 30 %. Comme on le voit Fig. 5, les aiguilles de bainite sont, dans une fonte à graphite sphéroTdal obtenue d'après le procédé selon l'invention, caractérisées par des longueurs moyennes de 25 à 35 microns, à comparer avec la taille moyenne des aiguilles de bainite obtenues d'après un procédé classique qui n'est que de 14 à 18 microns, comme on le voit Fig. 6. Ainsi grâce au procédé selon l'invention, il est possible d'obtenir une pièce moulée en fonte à graphite sphéroTdal à structure bainitique: il en réalisant des économies d'énergie grâce à un décochage à chaud (par suppression de la phase de réausténitisation) - en diminuant les éléments d'alliage; - en permettant un traitement en continu des pièces puisque celles- ci, immédiatement après décochage ou après un maintien thermique d'homogénéisation, sont trempées dans un bain d'huile de température déterminée puis transportées vers un four de maintien isothermc; - en améliorant la santé des pièces coulées grâce à la diminution des éléments d'alliage. REVENDICATIONS 1.- Procédé d'obtention d'une fonte à structure bainitique du type à trempe de la pièce à partir du domaine austénitique jusqu'au domaine bainitique, suivie de la transformation isotherme de l'austénite en bainite, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: décochage à chaud de la pièce moulée a une température (T1), - trempe de la pièce moulée jusqu'au domaine bainitique dans un bain d'huile à température (T3), - maintien isotherme de la pièce moulée dans un four à une température (T4) supérieure à (T3), la fonte utilisée étant une fonte non alliée ou faiblement alliée. 2.- Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'un maintien isotherme de la pièce moulée est réalisé à une tempé- rature (T2) dans le domaine austénitique entre l'étape de décochage à chaud de la pièce moulée à une température (T1) et la trempe de la pièce moulée dans le bain d'huile de température (T3). 3.- Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce que le maintien isotherme est réalisé à une température (T2) supérieure à la température (Ar3) de la fonte moulée et comprise entre 1000 C et 850 C, la durée du maintien isotherme étant comprise entre 10 mn et 2 heures. 4.- Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que la température (T3) du bain d'huile est supérieure à une température (Tm) permettant une transformation martensitique locale. 5.- Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que la trempe en bain d'huile est arrêtée quand toutes les parties de la pièce sont à une température (Th) inférieure à une limite inférieure (Tb) du domaine perlitique. 6.- Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que la température (T4) du four du maintien isotherme de la pièce trempée est inférieure à 400 C. 7.- Procédé selon la revendication 6 caractérisé en ce que la température du four de maintien isotherme est comprise entre 340 C et 375 C. 8.- Procédé selon la revendication 6 caractérisé en ce que la température (T4) du four de maintien isotherme de la pièce trempée est comprise entre 240 C et 260 C. 9.- Pièce moulée en fonte à structure bainitique obtenue par le procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que les parties les plus minces de la pièce présentent une structure bainitique de type inférieur alors que les parties les plus épaisses de la pièce présentent une structure bainitique de type supérieur. 10.- Pièce moulée en fonte à structure bainitique obtenue par le procédé selon l'une des revendications 1 à 8 caractérisée en ce que la taille moyenne des aiguilles de bainite de la fonte à graphite sphéroYdal obtenues est comprise entre 25 microns et 35 microns.