Brevet FR2712606A1 — publié le 19950524

La présente invention a pour objet un procédé d'élaboration d'une charge de fonte à graphite sphéroïdal à caractéristiques mécaniques élevées et la fonte telle qu'obtenue par la mise en oeuvre du procédé. De façon plus précise, l'invention concerne un mode d'élaboration de fonte à graphite sphéroïdal à haute ténacité, c'est-àdire à résistance mécanique élevée. Par haute ténacité, il faut entendre typiquement des fontes présentant une résistance à la traction qui s'établit entre 700 et 800 MPa et un allongement à la rupture qui est compris entre 10 et 20% environ. L'évolution de certaines techniques impose de disposer de fontes ou plus généralement de matériaux à haute caractéristique capables de résister aux sollicitations mécaniques de plus en plus élevées. Cest en particulier le cas dans le domaine de l'industrie automobile avec l'augmentation des performances des moteurs des véhicules automobiles qui entraîne elle-même l'élévation du niveau des sollicitations des divers composants des organes mécaniques. Actuellement de nombreuses nuances de fonte sont disponibles pour ces applications mécaniques. Elles représentent des gammes très diversifiées de caractéristiques adaptées à divers types de sollicitation et elles constituent souvent des matériaux concurrents d'autres matériaux et en particulier d'aciers à haute performance pour la fabrication d'organes soumis à des sollicitations très importantes. Cependant, pour certaines applications, les contraintes économiques du fait de la concurrence sont de plus en plus sévères et il est donc particulièrement intéressant de pouvoir étendre la gamme de matériaux de construction qui puissent satisfaire aux conditions très sévères d'utilisation et qui répondent à l'attente des constructeurs pour réaliser différentes pièces. Pour atteindre ce but, l'invention concerne un procédé d'élaboration d'une charge de fonte à graphite sphéroidal à caractéristiques mécaniques élevées qui se caractérise en ce qu'il comprend les étapes suivantes: a) on prépare un mélange ayant la composition pondérale suivante: 3 à 4% de C, 1,7 à 3% de Si, 0,1 à 1,5% de Mn, 0 à 4% de Ni, 0 à 1,5% de Cu et 0 à 0,5% de Mo, le reste étant du fer; b) on fait subir à cette charge pendant une durée tl un traitement intercritique à une température T1 comprise entre AC1 + 20 C et AC3, AC1 et AC3 représentant les températures limites de l'intervalle critique de ladite composition; c) on refroidit ladite charge pour amener celle-ci à une température T2 située dans la partie supérieure du domaine bainitique; d) on maintient ladite charge à ladite température T2 pendant une durée t2 ; et e) on ramène ladite charge à la température ambiante. Ce procédé d'élaboration de la fonte à graphite sphéroidal permet d'obtenir une matrice composée d'austénite, de ferrite I résultant du traitement intercritique et de ferrite II résultant du traitement dans le domaine bainitique qui permet effectivement d'obtenir les caractéristiques mécaniques souhaitées, c'est-à-dire typiquement un coefficient d'allongement compris entre 10 et 20% et une résistance à la rupture comprise entre 700 et 800 MPa. De préférence, l'étape de traitement intercritique à la température T1 d'austénisation de la charge de fonte comprend les étapes suivantes: on chauffe dans un four selon une courbe de température prédéterminée ladite charge de telle manière que les courbes d'élévation de température des différentes parties de la charge soient sensiblement similaires; on détermine préalablement une température T' inférieure ou égale à T1 de telle manière que, lors du maintien du four à la température r, chaque partie de la charge atteigne mais ne dépasse pas la température T1 sensiblement à chaque instant de la période de maintien du four à la température r; on arrête la montée en température lorsque la température du four atteint la valeur T'; on maintient le four à la température T' pendant une durée prédéterminée tl. Avec un tel type de traitement intercritique, on contrôle effectivement la température de la charge dans l'intervalle intercritique, ce qui permet effectivement d'obtenir les proportions de constituants structuraux correspondant à la température intercritique T1. L'invention concerne également une fonte à graphite sphéroïdal et à caractéristiques mécaniques élevées qui se caractérise en ce qu'elle a la composition pondérale suivante: C: de3à4% ;Si : de 1,7à3% ;Mn : deO,1 à 1,5% ;Ni: deOà 4%; Cu: de O à 1,5%; Mo: de O à 0,5%; le reste étant du fer. De préférence, la fonte présente une matrice qui a une structure formée de ferrite I, de ferrite II et d'austénite, la ferrite I étant celle qui résulte du séjour dans l'intervalle critique et la ferrite II étant celle qui résulte du traitement dans le domaine bainitique. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux figures annexées sur lesquelles: - la figure 1 est un diagramme de température illustrant l'ensemble du procédé de traitement de fonte à graphite sphéroïdal; - les figures 2a et 2b sont des diagrammes de température illustrant l'étape de traitement intercritique; - la figure 3 est un tableau de caractéristiques de différents échantillons de fonte sphéroïdal obtenus par la mise en oeuvre du procédé selon l'invention ; et - la figure 4 est une vue agrandie montrant la structure de la matrice de la fonte GS obtenue à l'aide du procédé. Comme on l'a déjà indiqué le procédé d'élaboration de fonte à graphite sphéroïdal consiste à partir d'une fonte de composition chimique déterminée conduisant par un traitement thermique soit à une réponse conventionnelle, soit à une réponse homogène de sa matrice lorsqu'elle est soumise à un traitement thermique intercritique dont les paramètres sont réglés de telle sorte que la structure obtenue soit principalement constituée de ferrite et d'austénite. La réponse conventionnelle est définie, comme la réponse la plus courante des fontes industrielles soumises à un traitement thermique intercritique, par une transformation de la ferrite en austénite débutant au chauffage après franchissement de la limite inférieure de l'intervalle critique dans les zones correspondant aux fins de solidification. La réponse homogène quant à elle est définie par une transformation ferrite/austénite débutant au chauffage après franchissement de la limite inférieure de l'intervalle critique de façon sensiblement uniforme dans l'ensemble de la matrice. Ce traitement intercritique est suivi d'un traitement isotherme dans le domaine bainitique. La composition de départ pour obtenir cette structure finale se compose de 3 à 4% de carbone, de 1,7 à 3% de silicium, de 0,1 à 1,5% de manganèse, de O à 4% de nickel, de O à 1,5% de cuivre et de O à 0,5% de molybdène, le reste étant constitué par du fer. Les teneurs en ces différents éléments sont ajustées de manière à obtenir des réponses conventionnelles ou homogènes désirées lors du traitement thermique intercritique. Ainsi, pour la réponse conventionnelle, les teneurs en silicium et/ou manganèse sont fixées à des niveaux suffisamment élevés par rapport à ceux des teneurs en nickel et/ou cuivre et/ou molybdène. En se référant à la figure 1, on voit que l'ensemble du traitement thermique de la composition définie ci-dessus comporte une première phase F1 d'amenée à une température intercritique T1 entre les températures AC1, et de préférence AC1+2OC, et AC3, une phase F2 de maintien à cette température pendant un temps tl pour obtenir une première transformation structurale puis un abaissement de la température (phase F3) pour amener cette composition dans une gamme de température située dans le haut du domaine bainitique, à savoir entre 325il et 420il environ et l'y maintenir à température constante pendant une durée t2 (phase F4). Dans ce traitement thermique, une phase délicate est d'amener la charge de fonte dans le four à une température intercritique et de maintenir cette charge à cette température afin d'obtenir effectivement la transformation de structure souhaitée. Comme on l'a déjà indiqué, pour obtenir une pièce en fonte présentant de façon homogène des propriétés, notamment des propriétés mécaniques de ténacité, il est nécessaire que la pièce en fonte traitée présente non seulement un taux d'austénite prédéterminé, mais également une répartition optimale des constituants, notamment austénite et ferrite. Pour cela, le procédé selon l'invention consiste pour le traitement intercritique essentiellement à contrôler, pour chaque partie de la pièce, sa température durant la phase de montée en température selon une courbe prédéterminée qui est fonction du taux d'austénite visé, puis à maintenir pendant un temps il, fonction également du taux d'austénite visé, la charge traitée à une température qui atteint mais qui ne dépasse à aucun moment la température pré définie d'austénisation T1 dans le domaine intercritique entre les températures AC1 et AC3. La figure 2a montre une première forme de courbe de montée en température. Cette courbe comprend une première partie A de montée en température, une deuxième partie de maintien à la température intercritique prédéterminée T1 pendant une durée tl et une troisième partie de refroidissement. Comme on l'a déà indiqué la portion de courbe A est prédéterminée et contrôlée en fonction du taux d'austénite recherché. Durant la phase B qui dure tl (dépendant du taux d'austénite), la charge de fonte doit être maintenue à une température strictement inférieure ou égale à T1, mais elle doit atteindre la température T1. Cette condition doit notamment être respectée à la fin de la montée en température du four. Pour satisfaire à cette condition, malgré les oscillations de température liées à la régulation du four, on détermine expérimentalement par des essais préalables une température T' de régulation du four qui est bien sûr inférieure à T1, mais qui peut être très proche de celle-ci. Lorsqu'on parle d'une température de la charge, il faut entendre que les différentes parties du four sont à des températures T'i différentes définies de telle manière que les parties critiques des pièces formant la charge placée dans le four soient effectivement à la température r. L'écart entre les températures T1 et T' peut varier sensiblement en fonction de la capacité nominale du four, de son taux de remplissage et du système de régulation utilisé. A titre d'exemple on a fait subir à une charge de fonte sphéroïdale de 2 tonnes le cycle thermique suivant: - Température d'austénisation dans l'intervalle critique Ti=820C - Température de consigne r = 818il - Montée en température continue entre la température ambiante et 818 'C : 10 heures - Maintien du four à 818 0C: 2 heures - Refroidissement en fonction des caractéristiques recherchées. La figure 2b montre une deuxième courbe de montée en température contrôlée. La phase A se décompose en une première demi-phase A' dans laquelle la courbe est continue et prédéterminée jusqu'à ce que la charge atteigne en tout point une température proche de la température critique AC1, et en une deuxième demi-phase A". Durant la deuxième demi-phase la température est augmentée par paliers, le pas p et la durée de chaque palier d sont déterminés en fonction du taux d'austénite voulu jusqu'à ce que le four atteigne la température T' inférieure à la température T1 pour les raisons indiquées précédemment. A titre d'exemple on a fait subir à une charge de fonte sphéroïdale de 2 tonnes le cycle thermique suivant: - Température d'austénisation dans l'intervalle critique T1 = 820*C - Température de consigne du four T' = 818in - Montée en température entre la température ambiante et 778C 8 heures - Maintien à 778il pendant 1 heure - Montée entre 778 et 798il: durée 1 heure - Maintien à 798il pendant 1 heure - Montée entre 798-C et 818in: durée 1 heure - Maintien à 818'C: durée 1 heure - Refroidissement en fonction des caractéristiques recherchées. La montée de température par paliers dans la zone A" permet de mieux contrôler la courbe de montée en température et notamment sa vitesse lorsque la température arrive dans la zone intercritique. Ce contrôle est particulièrement important pour obtenir le taux d'austénite et la composition austénite-ferrite souhaitée. Selon la composition particulière de la fonte considérée, la température T1 est comprise entre 74O0C et 850-C. De même, le temps de maintien tl peut être compris entre 30 minutes et 4 heures. La phase F2 de maintien à la température intercritique est suivie de phase F3 de refroidissement de la charge pour amener celle-ci à une température T2 qui correspond au haut du domaine bainitique. Cette phase doit être contrôlée pour éviter la transformation perlitique ou la formation de martensite. Dans le cas où l'on utilise un milieu de trempe intermédiaire, c'est l'ultime phase de trempe qui précède le maintien dans le domaine bainitique qui doit être contrôlée. La température T2 est typiquement comprise entre 325*C et 420 C. La durée t2 de cette phase de traitement peut être comprise entre 1 heure et 4 heures. On a fait des essais sur différents échantillons de fontes dont les compositions sont les suivantes: Rep. C% Si% Mn% Ni% Cu% MoQ 1 3,5 2,60 0,20 traces traces traces 2 3,4 2,50 0,20 3,2 traces traces 3 3,6 2,70 0,16 traces 1,25 traces 4 3,6 2,70 0,16 traces 1,75 traces 5 3,8 2,25 0,20 2,00 1,00 ~ traces 7 3,7 2,60 0,10 traces 1,50 traces 8 3,7 2,60 0,11 traces 1,50 0,05 9 3,6 2,60 ~ 0,12 traces 1,50 ~ 0,10 Conformément à l'invention, ces différentes compositions ont subi un traitement d'austénisation intercritique à une température T1 pendant une durée tl = 1 heure et une transformation isotherme dans le domaine bainitique à une température T2 = 375-C (pendant une durée t2 = 2 heures). Le tableau de la figure 3 montre les résultats obtenus. Ce tableau montre qu'on obtient effectivement les fourchettes de propriétés mécaniques escomptées à l'exception du premier échantillon en ce qui concerne la résistance à la traction. La figure 4 montre, sous une forme agrandie, la structure de la matrice des fontes selon l'invention. Sur cette figure, on remarque l'importance des plages F de ferrite II se formant pendant la réaction isotherme. Ces plages viennent s'accoler à la ferrite I (zones F) résultant du séjour dans l'intervalle critique. On remarque également le faible nombre de plages d'austénite (zone G) qui se retrouvent souvent centrées dans une auréole de ferrite Il (zone F). Enfin, la disposition en plaquettes alternées (ferrite-austénite) est rare. Elle se retrouve principalement dans les plages d'austénite les plus larges. REVENDICATIONS 1. Procédé d'élaboration d'une charge de fonte à graphite sphéroïdal à caractéristiques mécaniques élevées, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: a) on prépare un mélange ayant la composition pondérale suivante: 3 à 4% de C, 1,7 à 3% de Si, 0,1 à 1,5% de Mn, O à 4% de Ni, 0 à 1,5% de Cu et O à 0,5% de Mo, le reste étant du fer; b) on fait subir à cette charge pendant une durée tl un traitement intercritique à une température T1 comprise entre AC1 + 20'C et AC3, AC1 et AC3 représentant les températures limites de l'intervalle critique de ladite composition; c) on refroidit ladite charge pour amener celle-ci à une température T2 située dans la partie supérieure du domaine bainitique; d) on maintient ladite charge à ladite température T2 pendant une durée t2 ; et e) on ramène ladite charge à la température ambiante. 2. Procédé d'élaboration selon la revendication 1, caractérisé en ce que le traitement intercritique à la température T1 d'austénisation de la charge de fonte comprend les étapes suivantes: - on chauffe dans un four, selon une courbe de température prédéterminée, ladite charge de telle manière que les courbes d'élévation de température des différentes parties de la charge soient sensiblement similaires; - on détermine préalablement une température T' s T1 de telle manière que lors du maintien du four à la température T', chaque partie de la charge atteigne mais ne dépasse pas la température T1 sensiblement à chaque instant de la période de maintien du four à la température T'; - on arrête la montée en température lorsque la température du four atteint la valeur T'; - on maintient le four à la température T' pendant une durée prédéterminée tl. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la montée en température de la charge comprend les étapes suivantes: - on amène ladite charge à une température voisine de la température critique AC1 selon une courbe de température prédéterminée ;- puis on amène la charge à la température T' par paliers de températures successifs, le pas des paliers P et la durée d des paliers étant prédéterminés. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'on amène initialement la charge à une température voisine de la température critique AC1 mais inférieure à celle-ci. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que la durée tl du maintien à la température r est une fonction de la courbe de montée en température de ladite charge. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce qu'on détermine plusieurs températures T'i pour différentes parties du four, de telle manière que les différentes parties de la charge restent effectivement à une température au plus égale à T1 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le mélange a la composition pondérale suivante: C: de 3,4 à 3,8% Si: : de 2,25 à 2,7% ;Mn :de 0,1 à 0,2%; Ni: deOà3,2% ;Cu de O : à 1,75% ;Mo de O : à 0,1% reste étant du fer. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la température T1 de traitement intercritique est comprise entre 740 C et 850C. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la durée tl du séjour dans le domaine intercritique est compris entre 30 minutes et 4 heures. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la température T2 de maintien dans le domaine bainitique est comprise entre 325-C et 420 C. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la durée t2 de maintien de la charge dans le domaine bainitique est compris entre 1 heure et 4 heures. 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que l'étape de refroidissement qui précède le maintien dans le domaine bainitique est contrôlée pour éviter la transformation perlitique ou martensitique. 13. Fonte à graphite sphéroïdal à caractéristiques mécaniques élevées, caractérisée en ce qu'elle a la composition pondérale suivante: C: de3à4% ;Si : dei,7à3% ;Mn: de0,1 àî,5% ;Ni: deOà 4%; Cu: de O à 1,5%; ;Mo de O à 0,5%; le reste étant du fer. 14. Fonte selon la revendication 13, caractérisée en ce qu'elle comporte une structure formée de deux variétés deferrite et d'austénite. 15. Fonte selon la revendication 14, caractérisée en ce qu'elle présente une structure telle que représentée sur la figure 4.