Procédé pour la fabrication de pièces en fonte grise à haute résistance mécanique et pièce obtenue par ce procédé. La présente invention concerne un procédé d'élaboration de pièces en fonte brise à très haute résistance mécanique, et. une pièce obte nue par ce procédé.
Les métallographes considèrent, en pre mière approximation, la fonte brise comme formée d'une masse d'acier ou matrice dans laquelle sont parsemées des particules de gra phite de forme et de dimensions diverses. Les progrès réalisés clans la fabrication des pièces moulées en fonte résistante ont consisté à amé liorer les qualités de résistance de la ma trice métallique, à réduire la place occupée par le graphite et modifier sa répartition, enfin à agir sur la forme des particules de graphite.
Les procédés successifs mis au point ont permis (].'obtenir, industriellement, dans des pièces (l'épaisseur moyenne, des résistances à la traction de l'ordre de 95 à 30 kg/mrn environ avec les fontes dites perlitiques sans élément d'addition, (le l'ordre de 35 à 45 kg/mm2 dans les fontes dites aciculaires et de l'ordre de 40 à 55 kg/Inlxx@ dans ces fontes aciculaires soumises à Lin traitement.
d'inoeulation. Un des moyens employés a con sisté à réduire la teneur en carbone, ce qui a l'inconvénient d'accroître la contraction de la fonte à la solidification et par conséquent la difficulté d'obtenir des pièces moulées saines, et aussi d'obliâer à augmenter la teneur en silicium, ce qui entraîne d'autres inconvé- nients, et notamment une augmentation de la fragilité.
Dans les procédés les plus répandus, il faut éviter la présence de graphite hypereutec- tique nuisible à la résistance de la fonte qui, dans cette catégorie, ne peut dépasser 15 kg/nxm-' sous une épaisseur de 30 à. 50 mm. On. a. donc cherché à diminuer la. teneur en carbone et on est arrivé ainsi à obtenir, grâce à la diminution de la. longueur des paillettes de graphite, des résistances d'environ 35 kg/n, m2 sur des éprouvettes de 400 mm coulées en sable.
L'influence généralement incontestée de certains facteurs, qualifiés parfois d'hérédi taires, autres que ceux dont rend compte la composition chimique de la fonte, a conduit à la conception des germes selon laquelle la forme et le développement (les particules de graphite tiennent à des bermes consécutifs à l'histoire chimique et. thermique de la fonte, conception qui a, entraîné l'emploi de certaines techniques comme la surchauffe de la fonte à l'état liquide, l'addition de graphitisants so lides comme le siliciure de calcium, certains ferro-alliages, etc. et les fontes hypoeutecti- ques inoculées suivant ces principes ont pris de l'extension dans la pratique industrielle.
Plus récemment ont été publiées (Journal of the Iron and Steel Institute. Vol<B>158,</B> 1948, page 306) des études sur l'élaboration de fontes hypereutectiques, qui doivent être par ticulièrement pauvres en soufre (mais dans lesquelles on n'a. rien dit de la forme sous laquelle le soufre doit se trouver et qui est essentielle).
Selon ces études, une structure à graphite nodulaire est obtenue directement à la coulée des pièces; grâce à des additions spéciales, notamment de cérium, on aurait ainsi atteint des résistances à la traction allant jusqu'à 60 kg/mm2 environ sur un barreau de 30 mm d'épaisseur; de telles fontes à gra phite nodulaire contiennent généralement plus de 3,5% de carbone.
La titulaire a constaté que les inclusions sulfureuses sous forme de sulfures, au moins en partie de sulfure de manganèse, contenant ordinairement un peu de sulfure de fer en solution, sont particulièrement propices à la formation de particules de graphite en lon gues lamelles nuisibles à la résistance méca nique de la fonte et que l'on peut., par élimi nation ou transformation de ces inclusions, obtenues comme il est dit plus loin, élaborer des fontes dont les caractéristiques mécani ques sont notablement améliorées.
Les procédés connus de désulfuration: em ploi de revêtement réfractaire basique, de lai tier désulfurant, etc., donnent des résultats intéressants, mais conduisent à des opérations longues et qui s'accordent assez mal avec les techniques habituelles de la fonderie.
Le procédé que concerne la. présente in vention permet l'élaboration de pièces en fontes grises possédant, même sous des épais seurs plus fortes que celles qui jusqu'ici étaient possibles pour de telles résistances, de hautes caractéristiques mécaniques. Il s'appli que à. des fontes à. teneur en carbone normale aussi bien qu'à. des fontes à bas carbone et ses possibilités de mise en oeuvre ne sont pas limitées aux fontes hypereutectiques.
Ce procédé est caractérisé en ce que l'on incorpore à la fonte, à l'état liquide, un réac tif amenant. la transformation du ou des sul fures dans lesquels est engagé le soufre, le sulfure de manganèse constituant une partie au moins de ce ou de ces sulfures, en sulfure alcalin ou alcalino-terreux, puis on procède à la coulée desdites pièces.
La fonte à traiter peut être élaborée à l'état liquide dans tout appareil de fusion convenable. Il peut être avantageux d'appli quer également les moyens de désulfuration connus cités plus haut, mais le traitement par réactifs épurants que concerne l'invention suffit le plus souvent à provoquer la graphi- tisation en lamelles de dimensions et de formes aptes à. donner à. la fonte de remar quables qualités mécaniques. Ce traitement qui, dans la suite du présent mémoire, sera fréquemment désigné sous le nom de lavage , peut être au besoin répété, en particulier s'il s'agit de fontes très sulfureuses fondues en cubilot ordinaire acide.
Le réactif utilisé polir la mise en oeuvre du procédé doit être tel qu'il puisse se com biner au soufre pour le fixer ou l'éliminer sous forme de sulfure alcalin ou alcalino- terreux et, par conséquent, déplacer le manga nèse de son sulfure et le remplacer par un métal de ces deux familles, c'est-à-dire alcalin ou alcalino-terreux. Une partie des nouveaux sulfures ainsi formés surnage grâce à sa faible densité, l'autre partie reste dans le métal, mais ne forme plus de germes favorables à un grand développement du graphite.
Les principaux métaux capables de produire ce déplacement du manganèse sont le lithium, le calcium, le baryum, le sodium, le potassium, le magnésium. Ils peuvent être employés en addition à la fonte liquide, mai> si la tension de vapeur du métal est trop élevée à. la. tem pérature de la réaction, il y a danger d'ex plosion, et il faut, dans ce cas, diluer le métal d'addition dans un autre corps non nuisible aux propriétés de la, fonte à obtenir.
Par exemple, la titulaire a. constaté qu'il est com mode d'ajouter le magnésium sous forme d'alliage avec le nickel, et de préférence d'alliage contenant environ 1011/o de magné sium et 901/o de nickel. Mais il n'est pas né cessaire d'ajouter le métal choisi sous forme de métal pur ou d'allia-e, et on peut. employer efficacement des compositions salines suscep tibles de réagir à la température de l'addition (1300 à 1600 environ) en déplaçant le man ganèse de son sulfure.
Ainsi, la plupart des halogénures des métaux indiqués sont capa bles de donner une réaction du genre de celle qu'on peut. schématiser comme ci-après: 2 N aCl + 11InS = \ a2S + MnCl2.
Un mélange de carbonates et d'hydroxydes peut aussi conduire au même résultat. Suivant le cas, il peut, être indiqué d'em ployer des sels en poudre ou en grumeaux, ou bien sous forme de laitier préalablement amené à l'état liquide. On peut aussi utiliser avec succès le carbure de calcium, de préfé rence en poudre.
On peut donc, en résumé, citer à titre d'exemple, comme réactifs convenables: les métaux alcalins et alcalino-terreux, certains de leurs composés comme des hydroxydes, par exemple de sodium ou de potassium, des carbonates, chlorures et fluo- rures des mêmes métaux, et en particulier le fluorure de magnésium, le carbure de calcium, de préférence en poudre, des alliages de ces métaux où leur tension de vapeur est abaissée, et particulièrement des alliages de nickel et de magnésium,
contenant par exemple environ 10% de magnésium et 90% de nickel.
Pour la quantité de réactif à utiliser, on doit tenir compte des pertes de matières qui peuvent se produire et du fait que, selon les circonstances opératoires, une fraction seulement de l'addition entre réellement en réaction et a un effet utile; cette quantité est. généralement de deux à quatre fois, par exem ple environ trois fois, la quantité théorique que donne le calcul basé sur la réaction de transformation des sulfures. Un mode d'in troduction facile du réactif consiste à le jeter dans le métal pendant qu'on le transvase du four dans la poche de coulée ou dans un autre four ou récipient. Si l'on fait deux lavages, il est avantageux d'utiliser un four intermé diaire.
Après l'élimination ou la transformation des substances indésirables, il est avantageux, mais non indispensable, de faire suivre le traitement de lavage par un traitement d'ino culation, pour introduire dans la. fonte liquide épurée des germes destinés à. provoquer une graphitisation sous forme de particules aussi compactes que possible.
On peut, pour ce traitement, employer les inoculants que la pratique a consacrés et dont les plus connus sont le ferro-silicium, le ferro-tâane, le ferro-zirconium, le siliciure de calcium, le carbure de silicium. Pour les inoculants renfermant du silicium, la propor tion est telle que la quantité de Si introduite soit comprise entre 0,10% et 10/0, de préfé rence au milieu entre ces deux limites.
Pour le titane et le zirconium, une addi- tion de 0,10 à 0,20% de l'un ou l'autre de ces métaux est suffisante.
Mais le ferro-silicium à 50%, le moins cher des graphitisants, donne des résultats très satisfaisants.
Ce traitement. d'inoculation s'accompagne avantageusement. d'une addition de graphite en poudre, par exemple dans les proportions de 1 à 2 kg par tonne de métal: ce graphite peut. être obtenu par broyage d'électrodes de fours électriques. Pour incorporer ces graphi- tisants, il est avantageux de profiter d'un transvasement. du métal qui ne précède pas la coulée de plus de 5 à 10 minutes et de les jeter par poignées successives dans le jet du métal.
L'exemple suivant montre comment la pré sente invention peut être mise en aeuvre: On a fondu dans un four électrique ba sique une fonte dont la composition après fusion était la suivante Carbone total . . . 3,60% Silicium . . . . . 1,70% Manganèse . . . . 0,601/o Soufre . . . . . . 0,05% Phosphore . . . . 0,121/o Après obtention de la. température conve nable (1350 par exemple), avec du métal non traité, on a coulé en sable des barreaux, de 30 mm de diamètre. Des éprouvettes de traction prises dans ces barreaux ont donné une résistance de 18 kg par inm2.
Le restant du métal (1 tonne) a été coulé lentement dans une poche de coulée de telle façon que la durée de la versée soit de à 2 minutes. Dans le jet du métal, on a jeté d'abord par poignées successives 10 kg d'un alliage à environ 90% de nickel et 10% de magnésium, concassé en fragments de la gros seur d'une noix. Des flammes se sont pro duites, mais il n'y a. pas eu de bouillonnement dangereux.
Tandis que le métal continuait de couler du four dans la poche, on a ajouté de la même Tacon 10 kg de ferro-silicium à 45 % mélangés avec 2 kg de graphite.
Avec le métal ainsi obtenu, on a. coulé des barreaux de 30 mm et différentes pièces de forme compliquée. Celles-ci se sont révélées saines dans toutes leurs parties malgré un masselottage réduit et les barreaux ont donné une résistance à la traction de 52 kg/mm2.
Si l'on estime à 5 kg par mm2 le gain de résistance dû à l'incorporation du nickel qui a. accompagné le magnésium, comme d'au tres essais permettent de l'établir, il résulte de cette expérience que l'élimination des germes indésirables a fait passer la résistance de la fonte de 18 à 47 kg.
Des essais analogues, avec une addition de 0,70 % de molibdène et de 0,5 % de cuivre, ont donné une résistance de 65 kg/mm2.
Avant de mettre en lumière les applica tions nouvelles auxquelles le présent procédé peut prétendre, i1 semble utile de comparer les chiffres de résistance que ce procédé per met d'atteindre et ceux obtenus avec les meil leures fontes pratiquées industriellement.
Comme il s'agit de caractéristiques obte nues sur des fontes élaborées au four électri que, la comparaison ci-après est faite avec les caractéristiques que permet de réaliser la meilleure pratique actuelle de fabrication de fonte simplement inoculée après fusion au four électrique. On met ainsi en lumière l'im portance de l'élimination des germes sulfu reux.
Il faut. toutefois remarquer que les chiffres donnés pour les fontes simplement inoculées sont relatifs à une teneur niovenne en carbone total de 2,75 %, tandis qu'avec. le procédé selon la présente invention, la teneur en car bone arbitrairement choisie dans cet. exemple est de 3,60 0/0;
la. nécessité des masselottes est donc bien moins grande due dans le cas de la fonte simplement inoculée, car, comme il est bien connu, les fontes à basse teneur en carbone ont un retrait plus important:
EMI0004.0046
Résistance <SEP> à <SEP> la
<tb> traction <SEP> d'un
<tb> Procédé <SEP> et <SEP> qualité <SEP> barreau <SEP> de
<tb> 30 <SEP> mm <SEP> coulé <SEP> en
<tb> sable
<tb> (en <SEP> kg/mmz)
<tb> <I>Fonte <SEP> simplement <SEP> inoculée:</I>
<tb> sans <SEP> éléments <SEP> d'alliage <SEP> 28 <SEP> à <SEP> 36
<tb> avec <SEP> environ <SEP> 1% <SEP> d'alliage <SEP> 32 <SEP> à <SEP> 40
<tb> à <SEP> structure <SEP> aciculaire <SEP> 40 <SEP> à <SEP> 55
EMI0004.0047
<I>Fonte <SEP> traitée <SEP> conformément <SEP> à</I>
<tb> <I>l'invention <SEP> et <SEP> inoculée:
</I>
<tb> sans <SEP> éléments <SEP> d'alliage <SEP> 45 <SEP> à <SEP> 50
<tb> avec <SEP> 1% <SEP> de <SEP> nickel <SEP> 50 <SEP> à <SEP> 55
<tb> avec <SEP> 1% <SEP> Ni, <SEP> 0,70 <SEP> % <SEP> Mo <SEP> et
<tb> 0,5 <SEP> % <SEP> Cu <SEP> 55 <SEP> à. <SEP> 65 On voit que le lavage des germes sulfu reux avant inoculation fait gagner une quin zaine de kilos par n111,2.
Il est important de remarquer que le pré sent procédé ne nécessite pas de matières très coûteuses. Cependant, les chiffres de résis tance obtenus se placent au même niveau que ceux publiés dans la revue anglaise citée ci dessus, et selon laquelle l'emploi de cérium est indispensable.
Une autre différence essentielle des dent procédés réside dans le fait que les auteur:; anglais ne peuvent appliquer leur méthode qu'au; fontes hypereutectiques, tandis que, par le procédé que concerne la présente inven tion, on peut traiter aussi bien les fontes hypereutectiques que celles qui sont hypo- eutectiques. L'avantage est considérable, car à teneur en carbone égale, on peut se contenter de teneurs en silicium juste suffisantes pour obtenir la graphitisation.
Pour la fonte élabo rée selon le procédé anglais, on doit avoir toujours
EMI0005.0001
et cela conduit à des fontes plus fragiles à l'essai au choc, parce que phis chargées en silicium.
Les applications des pièces obtenues par le présent. procédé sont nombreuses. La cons truction mécanique demande de plus en plus des alliages résistants et peu chers. Il ne sera pas indifférent au constructeur de remplacer la fonte qu'il emploie par une fonte de résis tance beaucoup plus élevée. I1 pourra pour le même prix avoir une pièce plus solide et généralement plus légère.
De nombreux organes, faits actuellement en acier moulé, forgé ou estampé, pourront dé sormais être coulés en fonte avec un prix de revient bien meilleur. Il sera en effet possible de réaliser des pièces de formes compliquées, sans grandes surépaisseurs à enlever par usi nage, en un métal s'usinant. bien et de grande résistance.
On peut. penser, en particulier et à titre d'exemple, aux vilebrequins pour moteurs thermiques pour lesquels la fabrication en acier forgé est chère, celle en acier moulé tr S difficile et celle en fonte inoculée (aciculaire ou non) souvent de résistance insuffisante.
On citera aussi la réalisation de lingotières d'aciérie pour lesquelles la fissuration est la cause habituelle de mise hors service.
Il est avantageux d'opérer le lavage par le réactif alcalin ou alcalino-terreux dans des conditions telles que la fonte ne retienne pas dans sa matrice métallique des quantités appréciables de métal alcalin ou alcalino- terreux absorbées par elle en excédent de la quantité de métal d'addition utilisée pour le lavage des inclusions.
En continuant ses re cherches, la titulaire a constaté en effet que, pour obtenir des propriétés mécaniques inté- ressantes, et notamment des charges de rup ture à la traction de 50 kg/mm2 et plus, il n'est pas nécessaire que dans la fonte traitée conformément à l'invention le graphite prenne, pour une part importante, la forme sphérique ou s'en rapproche. Elle a pu obte nir des pièces moulées en fonte non alliée avec une résistance à la traction supérieure à 50 l@g/mm2, dans lesquelles on ne trouve pas de nodules de graphite ayant une forme sphé rique caractérisée, ni même se rapprochant de la sphère.
D'autre part, l'attention de la titulaire a été attirée sur le fait que toute addition excé dentaire de réactif alcalin ou alcalino-terreux est, non seulement inutile mais peut être nui sible, car, lors de la refusion des jets, évents et masselottes des pièces en fonte élaborées conformément à l'invention, on risque que l'excès de métal alcalin ou alcalino-terreux de lavage soit oxydé en enrichissant alors les fontes en inclusions.
La titulaire a d'abord observé que, lors qu'on ajoute à la tonte liquide, sans prendre de précautions particulières, un métal alcalin ou alcalino-terreux sous forme de morceaux d'un volume appréciable, de l'ordre de gran deur du centimètre cube ou davantage, cule partie importante de l'addition se dissout dans la matrice métallique de la fonte avant d'avoir eu le temps d'agir sur les inclusions sulfureuses.
Quand l'addition est faite de cette manière, l'effet de lavage des inclusions sulfureuses n'est pas obtenu avant que la fonte ait absorbé dans sa matrice métallique des quantités notables de métal d'addition; c'est ainsi que la titulaire a pu déceler des quantités de métal alcalin ou alcalino-terreux dissoutes ou alliées dans le métal de la fonte après traitement, et variant de 0,05 à 0,50% environ, quand l'addition est faite sous forme de morceaux relativement massifs (grosseur d'une noisette à une noix).
Cela étant, la titulaire a constaté qu'il était avantageux, au point de vue qui vient d'être exposé, de mettre en oeuvre le métal alcalin ou alcalino-terreux (en entendant sous ce terme le métal à l'état libre ou à l'état d'alliage ou même de combinaison chimique ou de sel), de manière à obtenir un contact intime aussi rapide que possible entre ledit métal et la. fonte à traiter. Dans un premier mode de réalisation, on met en oeuvre le métal alcalin ou alcalino- terreux sous des dimensions réduites, par exemple en grenaille ou en poudre.
L'action chi réactif sur les inclusions sulfureuses em prisonnées dans la fonte est alors plus rapide que sa dissolution dans la matrice de la fonte et le lavage des inclusions sulfureuses se pour suit avant qu'il y ait dissolution ou alliage en quantité appréciable du métal alcalin ou alcalino-terreux dans la matrice métallique de fonte.
Dans un. deuxième mode de réalisation, on opère dans des conditions permettant de ré partir rapidement le réactif alcalin ou alca lino-terreux dans la masse de fonte à traiter, par exemple en pratiquant une vive agita tion par un moyen quelconque de la fonte avec le réactif.
L'un ou l'autre de ces deux modes de réali sation peut être choisi, mais on peut égale ment les combiner.
La titulaire a observé que le mode opéra toire mis en ceuvre peut être réglé de ma nière telle que dans la matrice métallique de la fonte ayant subi le traitement, il ne reste pas plais de quelques dix millièmes de métal alcalin ou alcalino-terreiLx, par exemple 0,04 % environ.
On va donner ci-après deux exemples de réalisation de ce procédé perfectionné, appli qué pour fixer les idées à une fonte douce ayant, au départ, la composition suivante: C . . . . . 3,301/o Si . . . . . 2,001/o Mn . . . . 0,60% P . . . . . 0,121/o S . . . . 0,0411/o et ayant, en l'absence de traitement de lavage et de traitement d'inoculation, une faible résistance à la traction (16 à 22 kg par mm-) .
Exemple <I>1:</I> La fonte est d'abord fondue dans un four électrique basique, puis coulée à 1450 dans une poche à revêtement basique. Peu- dant la coulée du four dans la poche, on ajoute, dans le jet de métal, 1% environ de fluorure de magnésium en poudre. La coulée et l'addition simultanées durent environ une minute par tonne de fonte versée.
De la poche basique on transvase la fonte dans une poche à garnissage acide, où on ajoute, pour l'inoculation environ 0,15 % de Si sous forme de ferro-silicium à 45 %; pendant la coulée dans la deuxième poche, le laitier de lavage est retenu dans la. première.
La teneur en magnésium incorporée dans la fonte est infé- rieure à 0,04% et sa teneur en soufre est. tombée à 0,015 %. Mesurée sur une éprou- vette cylindrique de 30 mm de diamètre cou lée en sable vert,
la résistance à la traction de la fonte ainsi traitée est de 53 kg/mm2. Exemple ?: Comme ci-dessus, la fonte est tondue dans un four électrique basique. Lorsque la tempé rature du. bain atteint 1350 , on dépose à sa surface, à l'aide par exemple d'une palette, des pains de potasse caustique anhydre à rai son de 11,00 du poids de fonte à traiter.
Après quelques secondes, la potasse est fon due, elle surnage sur le bain de métal, on incline aussitôt le four pour couler son con tenu clans une poche à revêtement basique, en cherchant à couler d'abord le laitier surna geant sur le métal, en versant toutefois en même temps une quantité de fonte suffisante pour empêcher la potasse de figer en arri vant dans la poche, ce qu'on réalise aisément. en réglant convenablement l'inclinaison du four.
Ensuite on verse dans la. poche toute la fonte contenue dans le four électrique, de ma nière à réaliser, dans la poche, un brassage entre la fonte et le laitier réactif. Pour amé liorer encore les contacts entre le métal et le laitier alcalin, on reverse le contenu de la poche dans le four (où l'oii peut, si on le veut, le réchauffer), de manière à laisser dans la poche basique la pliLs grande partie du laitier, car ce laitier a déjà exercé son action de lavage. Ensuite, on peut couler le métal dans un poche acide ordinaire.
Si, pendant, cette coulée finale de la fonte, on lui ajoute 0,15 % environ de silicium sous forme de ferro-silicium à 45 %,
on obtient sur 6prou- vette cylindrique de 30 mm une résistance à la traction de 51 kg/mm2. Comme dans l'exeru- ple précédent, la fonte ne retient qu'une quan tité de potassium très faible et à peine dosa- ble et sa teneur en soufre est tombée à 0,0101/0.
Il est. entendu que le procédé selon Fin vention peut être appliqué à d'autres fonts grises, quel. que soit l'appareil de fusion uti lisé, et notamment aux fontes simplement fondues arz cubilot ou encore au four à sole, etc.
Il existe des alliages ou combinaisons de métaux alcalins ou alcalino-terreux qui sont friables et peuvent être aisément réduits en poudre fine facile à introduire dans la fonte à traiter avec un contact suffisamment intime, pour réaliser l'invention : c'est. le cas par exemple de l'alliage à 80 % Ni et 20 % de magnésium élaboré sans addition de manga nèse, et par conséquent fragile.