Brevet FR2681878A1 — publié le 19930402

FONTE A GRAPHITE SPHEROIDAL RESISTANT A LA CHALEUR La présente invention a pour objet une fonte à graphite sphéroldal résistant à la chaleur. Plus précisément, l'invention concerne une fonte à graphite sphéroidal qui possède une grande résistance à l'oxydation et qui présente des qualités mécaniques élevées pour des températures allant typiquement de 90000 à plus de 1000 C. Les développements de certaines techniques imposent de disposer de fontes ou plus généralement de matériaux capables de conserver notamment leurs qualités mécaniques et leurs qualités de résistance à l'oxydation pour des températures de plus en plus élevées, notamment supérieures à 9000 C. C'est en particulier le cas dans le domaine de l'industrie automobile avec l'augmentation des performances des moteurs de véhicules automobiles qui entraine elle-même l'augmentation des conditions, notamment de températures, que doivent pouvoir supporter les organes moteurs En particulier, certaines pièces des moteurs tels que les collecteurs d'échappement et les carters turbos sont soumis à des sollicitations thermiques et mécaniques de plus en plus élevées, qu'il s'agisse des températures maximales, des gradients thermiques, des chocs thermiques, des contraintes mécaniques, de la fatigue à chaud ou de la fatigue thermique. Actuellement, les fontes disponibles dans ces gammes de température sont des fontes austénitiques présentant une teneur élevée en nickel Typiquement, cette teneur va de 20 à 35 % en poids pour les températures supérieures à 9000 C Pour les températures supérieures à 1000 C, il faut de plus ajouter du silicium L'inconvénient de telles fontes est qu'elles font appel à l'utilisation de quantités importantes de nickel Ce matériau présente l'inconvénient d'une part d'être cher et d'autre part d'être considéré comme un matériau stratégique, donc avec des fluctuations de cours très importantes. En outre, on sait que dans le domaine de la construction automobile, les contraintes économiques liées à la concurrence sont de plus en plus sévères et il est donc particulièrement intéressant de pouvoir disposer de matériaux de construction qui soient d'un coût réduit tout en satisfaisant aux conditions sévères d'utilisation. Un objet de la présente invention est de fournir une fonte à graphite sphéroidal qui présente des propriétés de résistance mécanique et de résistance à l'oxydation au moins égales à celles des fontes connues à des températures élevées typiquement supérieures à 9000 C mais dont les coûts de production sont inférieurs à ceux des fontes connues à graphite sphéroidal qui présente une teneur élevée en nickel. Pour atteindre ce but, selon l'invention, la fonte à graphite sphéroldal résistant à la chaleur se caractérise en ce qu'elle comprend de 4,7 % à 7,1 % en poids de Si équivalent, le Si équivalent étant défini par Sieq = Si+ 0,8 Al dans lequel la teneur pondérale en Si est comprise entre 3,9 % et 5,3 % et la teneur pondérale en Al est comprise entre 0,5 % et 2,5 %. Selon un mode préféré de mise en oeuvre, la fonte GS comporte en outre de 0,5 à 1,5 % de molybdène. Selon un autre mode préféré de mise en oeuvre, la fonte GS comporte en outre 0,5 à 1,5 % de cobalt et/ou 0,5 à 1,5 de niobium. Une telle fonte à graphite sphéroidal présente des propriétés de résistance mécanique et de résistance à l'oxydation au moins équivalentes à celles qu'on obtient avec les fontes à graphite sphéroidal connues à base de nickel On comprend cependant que dans la mesure o elles sont élaborées sans nickel à partir de silicium ou d'aluminium, elles sont d'un coût sensiblement plus réduit et leur réalisation n'est pas tributaire de l'approvisionnement en matériau de base considéré comme stratégique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit de plusieurs modes de mise en oeuvre de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs. Comme on l'a déjà indiqué, l'invention est basée sur un contrôle de la teneur en silicium équivalent dans la fonte Le silicium équivalent est défini par la relation Sieq = Si + 0,8 Al. Cette définition a été établie empiriquement Le coefficient numérique de l'aluminium ( 0,8) est choisi par calcul itératif de façon à ce que le point ACI soit une fonction linaire croissante du "silicium- équivalent" Cette expression confirmée par les expérimentations faites permet de constater que la contribution de l'aluminium à ce que l'on pourrait appeler la "réfractairité" de la fonte, est égale à environ 80 % de celle du silicium Selon la température de fonctionnement ou d'utilisation de la pièce réalisée en fonte, la teneur en silicium équivalent est la suivante: 900 à 9500 C:4,7 à 6 %; 950 à 1000 C:6 à 6,7 %; supérieure à 1000 I C:supérieure à 6,7 %. Toutefois, la teneur maximale en silicium équivalent ne peut être supérieure à 7,1 % si on ne veut pas conférer à la fonte un caractère de fragilité trop important. En outre, dans les fourchettes indiquées précédemment, la teneur totale en silicium est comprise entre 3,9 et 5,3 % et la teneur en aluminium est comprise entre 0,5 et 2,5 % d'aluminium. Les essais effectués ont montré qu'on obtenait les meilleurs résulstats pour une teneur pondérale en aluminium comprise entre 1,6 et 2,2 %. On comprend que la présence d'aluminium renforce l'action du silicium sur la stabilité structurale de la fonte et sur le caractère d'inoxydabilité du matériau obtenu On comprend en particulier qu'en limitant la teneur en silicium, on évite les effets nocifs d'une trop grande quantité de silicium qui entraîne en particulier une fragilisation de l'alliage à la température ambiante. En outre, et selon l'utilisation que l'on veut faire de la fonte, et donc selon les caractéristiques particulières que l'on souhaite obtenir pour celle-ci, on peut ajouter d'autres éléments d'alliage notamment du molybdène, du cobalt ou du niobium dans des teneurs comprises entre 0,5 % et 1,5 % Il faut également préciser que la teneur en carbone est telle que la teneur pondérale en carbone équivalent soit de l'ordre de 4,3 à 4,8 %. On sait que le carbone équivalent est défini par la teneur en carbone pur augmentée d'un tiers de la teneur en silicium augmentée en outre de la teneur en aluminium multipliée pr un coefficient de 0,16 On voit donc que la teneur en carbone sera réglée à partir de la teneur choisie en silicium comme on l'a déjà expliqué précédemment. Dans un exemple particulier de fonte à graphite sphéroldal selon l'invention, celle-ci a la composition suivante: silicium 4,9 %, aluminium 2,2 %, molybdène 1 %, cobalt 1 %, niobium 1 % et carbone 3,1 %. Les essais, notamment de tenue en oxydation, des fontes GS selon l'invention et en particulier de celle qui a la composition donnée dans l'exemple mentionné ci-dessus, montrent que les propriétés d'utilisation sont au moins égales, sinon meilleures que celles qu'on obtient avec des nuances de fonte à graphite sphéroidal austénitique à forte teneur en nickel En particulier, pour les teneurs de silicium et d'aluminium mentionnées ci-dessus, on réduit considérablement l'oxydabilité de la fonte et l'alliage est maintenu ferritique jusqu'à de hautes températures, typiquement au-dessus de 10000 C Enfin, l'introduction de faibles teneurs en molybdène, en cobalt ou en niobium selon les utilisations envisagées permet un accroissement des propriétés mécaniques à chaud par rapport aux nuances habituelles, notamment en ce qui concerne le fluage à chaud. Le tableau annexé permet de comparer les propriétés de quatre compositions de fonte GS conformes à l'invention avec une composition connue de fonte GS comportant 35,35 % de nickel, 3,05 % de chrome et 3,1 % de silicium. On voit que les fontes GS selon l'invention ont des propriétés mécaniques supérieures ou égales à celles de la fonte GS au nickel et que les propriétés de résistance à l'oxydation sont sensiblement améliorées Dans le cas de la fonte à 4,45 % de silicium et 1,65 % d'aluminium les propriétés d'inoxydabilité sont maintenues mais les propriétés mécaniques sont très sensiblement améliorées Pour les fontes présentant une teneur en aluminium égale ou supérieure à 1,8 %, les propriétés d'inoxydabilité sont considérablements améliorées. Pour l'élaboration des fontes GS selon l'invention, les techniques couramment mises en oeuvre peuvent être utilisées Il y a seulement lieu d'introduire l'aluminium le plus tard possible, ce qui ne soulève aucun problème particulier compte tenu de sa température de point de fusion réduite de l'ordre de 8001 C. L'élaboration du matériau proposé devra faire appel à des techniques limitant au maximum l'entraînement dans les pièces d'inclusions non métalliques Au-delà d'un décrassage particuliè- rement soigné, on utilisera, si nécessaire, des procédés d'inertage et de filtration. L'inoculation du métal liquide devra être suffisamment puissante, principalement dans le cas de l'élaboration de pièces minces Pour cela, on pratiquera, quand ce sera nécessaire, la post-inoculation dans le moule de fonderie et l'utilisation de produits inoculants contenant entre autres éléments des terres rares. FGS 4 45 %Si 'GS 4 553 i ?GS 52 Si ?,S 5 1 %Si 1 %Co FS 35 35 %i{ I 1 15 % 3 o l11 o I 1 11 d Uo IlMo) 7 %Nb 3 05 %Cr II 1 65 ZM 2 ZA 1 | 1 8 2 I 71 31 %Si p SISM A) C A L À TRACTION l Inemr Bturc ambiante' 634 55 43 ' 4 445 RM en M Pa I EPAlSSEUR D'OXTDES Dprès 50 he'r S à 800 'CO 01-0 3 9 O O O 15-02 cie mmn R.A:;SEUR D'O Xrt ES pros 50 heu:es à 900 o CD-024 O O O O 1-0 25 en mn EPAlSSEUR D'OXYDES après 5 Oheures à 95 "; - D 5 O, O 17-03 e R mlm I r I - 1- m c: o,l Ou REVENDICATIONS 1 Fonte à graphite sphéroidal résistant à la chaleur, caractérisée en ce qu'elle comprend de 4,7 % à 7,1 % en poids de Si équivalent (Sieq), le Sieq étant défini par Si + 0,8 A 1 dans lequel la teneur pondérale en Si est comprise entre 3,9 % et 5,3 % et la teneur en Al est comprise entre 0,5 % et 2,5 %. 2 Fonte à graphite sphéroidal selon la revendication 1, caractérisée en ce que la teneur pondérale en aluminium est comprise entre 1,6 % et 2,2 %. 3 Fonte à graphite sphéroidal selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre 0,5 % à 1,5 % en poids de Co. 4 Fonte à graphite sphéroidal selon l'une quelconque des revendications i à 3, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre 0,5 % à 1,5 % en poids de Nb. Fonte à graphite sphéroidal selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre 0,5 % à 1,5 % de Mo. 6 Fonte à graphite sphéroidal selon l'une quelconque des revendications i à 5, caractérisée en ce que la teneur en carbone équivalent (Ceq) est de l'ordre de 4,5 % à 4,8 % en poids, le Ceq étant défini par C + 0,33 Si + 0,16 Al.