Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
CA 02484036 2004-10-20
WO 03/093514 PCT/FR03/01295
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Alliage inoculant anti microretassure pour traitement des fontes de moulage.
Domaine de l'invention
L' invention concerne le traitement à l' état liquide de la fonte destinée à
la fabrication de
pièces pour lesquelles on souhaite obtenir une structure exempte de carbures
de fer et une
absence de micro-retassures.
Etat de la technique
La fonte est un alliage fer-carbone-silicium bien connu et largement utilisé
pour la
fabrication de pièces mécaniques. On sait que pour obtenir de bonnes
propriétés mécaniques
de ces pièces, il faut obtenir in fine une structure fer + graphite en évitant
le plus possible la
formation de carbures de fer de type Fe3C qui durcissent et fragilisent
l'alliage.
Ensuite on peût souhaiter que le graphite formé soit sphéroïdal, vermiculaire
ou lamellaire,
mais la condition préalable essentielle à remplir est d'éviter la formation de
carbure de fer. A
cette fin, la fonte liquide subit avant coulée un traitement d'inoculation qui
favorise au
refroidissement l' apparition de graphite plutôt que celle de carbure de fer.
Le traitement d'inoculation est donc très important . Or il est bien connu que
l'inoculation,
quels que soient les inoculants utilisés, a sur la fonte liquide une
efficacité qui diminue dans le
temps et qui, en général, a déjà baissé de 50% au bout d'une dizaine de
minutes ; l'homme de
l'art désigne ce phénomène sous le nom d'« effet d'évanouissement ». Pour
obtenir un
maximum d'efficacité, on pratique -en général l'inoculation progressive,
consistant en
plusieurs ajouts d'inoculants à différents stades de l'élaboration de la
fonte. Ainsi il est
d'usage courant d'inoculer la fonte liquide, d'une part en poche avec un
alliage inoculant par
exemple en grains de taille comprise entre 2 et 10 mm ou entre 0,4 et 2 mm, d'
autre part « au
jet », c'est à dire à la coulée de la poche avec un alliage inoculant en
grains de taille comprise
entre 0,2 et 0,7 mm, et enfin « dans le moule », en fait dans les canaux
d'alimentation des
moules, en disposant sur le parcours de la fonte liquide des inserts
constitués d'un matériau
inoculant.
Ces inserts de forme définie portent le nom de pions. Il existe deux types de
pions
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- les pions « moulés » obtenus par moulage de l'inoculant fondu.
- les pions agglomérés obtenus à partir d'une poudre pressée avec en général
très peu de
liant, voire même sans liant.
Les pions moulés sont considérés par l'homme de l'art comme le meillew niveau
de qualité
toutefois les pions agglomérés lew~ sont souvent préférés pour des raisons de
coût. La durée
de la coulée d'une pièce étant t~~ès courte, la cinétique de dissolution des
pions doit être
extrêmement rapide.
Pax ailleurs, l'homme de l'art constate bien souvent dans les pièces la
présence de vides de
dimensions millimétriques ou micrométriques désignées sous le nom de micro-
retassures .
Ces défauts fragilisent les pièces ; en outre, si un usinage ultérieur des
pièces est nécessaire,
par exemple pour dresser une surface, la fait de tomber sur de tels défauts
conduit au rebut
inévitable des pièces défectueuses.
Un moyen connu pour éviter l'apparition de micro-retassures dans les pièces en
fonte est
l'ajout de lanthane dans la fonte liquide. Ce métal du groupe des lanthanides
possède en effet
la propriété de diminuer la viscosité de la fonte, non seulement celle de la
fonte liquide juste
avant le début de sa solidification, mais aussi celle de la fonte en cours de
solidification, c'est
à dire du mélange solide + liquide. Tout se passe comme si, par ajout de
lanthane, la fonte en
mouvement devenait thixotrope. L'homme de l'art peut alors, en dessinant
correctement ses
moules, rassembler les retassures dans la masselote d'alimentation et obtenir
ainsi des pièces
saines.
Ainsi ont été mis successivement sur le marché, d'abord des nodulisants
contenant du
lanthane, dont l'usage était réservé aux fontes nodulaires dites fontes GS,
puis des inoculants
de type FeSi à 45% de Si et 2% de La, utilisables aussi bien pour les fontes
GS que pour les
fontes à graphite lamellaire dites fontes GL.
L'invention a pour but de fournir des alliages inoculants destinés au
traitement de la fonte
liquide permettant une inoculation efficace, notamment lors du traitement «
dans le moule »,
tout en évitant la formation de micro-porosités dans les pièces obtenues par
moulage.
Objet de l'invention
L'invention a pour objet des alliages inoculants destinés au traitement de la
fonte de moulage
contenant (en poids) de 0,005 à 3% d'un élément du groupe bismuth, plomb et
antimoine, de
0,3 à 10% de métaux du groupe des terres raies et éventuellement de
l'aluminium jusqu'à 5%
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et du calcium jusqu'à 1,5%, le reste étant du ferro-silicium, le lanthane
constituant plus de
90% des métaux des terres rares entrant dans sa composition.
L'alliage contient de préférence du bismuth à une teneur comprise entre 0,2 et
1,5%, et de
préférence entre 0,7 et 1,3%. La teneur en lanthane est avantageusement
comprise entre 0,3 et
8%, et de préférence entre 0,5 et 3%. La présence d'au moins 0,8% d'aluminium
est
avantageuse, et sa teneur est de préférence comprise entre 1 et 3,5%.
L'alliage selon l'invention peut être conditionné sous forme de poudre ou d'un
mélange de
poudres d'alliages de compositions différentes, ou sous forme de pions moulés
à partir de
l'alliage fondu, ou agglomérés à partir d'une poudre ou d'un mélange de
poudres. Cette
poudre a, de préférence, une granulométrie inférieure à 1 mm, avec une
fraction
granulométrique entre 50 et 250 ~,m représentant plus de 35% en poids du
total, et une
fraction inférieure à 50 ~m représentant moins de 25% du total.
Description de l'invention
Un inoculant étant destiné par nature à conduire à l'obtention de fonte dans
laquelle le
carbone soit présent sous forme de graphite, il est apparu souhaitable à la
demanderesse de
mettre au point un inoculant présentant des propriétés anti-micro-retassures .
Ainsi ont d'abord été envisagés des alliages inoculants à base de FeSi à 75 %
additionnés
d'un élément anti microretassures pouvant être soit le lanthane, soit le
germanium. En ce qui
concerne le germanium, les teneurs requises vont de 0,3 à 6%. Pour ce qui est
du lanthane,
elles vont de 0,3 à 8%, et préférentiellement de 0,5 à 5%.
Mais des solutions plus intéressantes sont apparues en imaginant des alliages
inoculants dans
lesquels le méme élément puisse remplir -plusieurs fonctions : ainsi il est
apparu comme
particulièrement intéressant, partant d'un alliage tel que celui décrit dans
le brevet US
4432793 (Nobel-Bozel), à base de ferro-silicium et contenant jusqu'à 3% de
bismuth, de
plomb ou d'antimoine, et jusqu'à 3% de terres rares, de lui ajouter un élément
anti-micro-
porosité tel que le lanthane, et de contracter la formule obtenue en
optimisant le total du
lanthane et des autres terres rares dans un alliage Fe-Si-Bi-La.
La demanderesse a d'abord vérifié que ces alliages nouveaux anti
microporosités,
conditionnés dans les granulométries habituelles , à savoir entre 2 et 7 mm,
ou entre 0,4 et 2
mm pour traitement en poches, et entre 0,4 et 0,7 mm pour le traitement au
jet, présentaient
bien de bonnes propriétés en tant qu'inoculants. On a envisagé ensuite la
préparation de pions
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inoculants avec ces mémes alliages. Le résultat en terme de réduction de la
micro-porosité a
été confirmé malgrë l' apport de bismuth dans la fonte finale.
Ainsi de très bons résultats ont pu être obtenus avec des pions moulés
constitués d'alliage de
type FeSi contenant
- de 60 à 80%, et préférentiellement de 72 à 78% de silicium,
- de 0,3 à 8% , et préférentiellement de 0,5 à 5% de lanthane,
- de 0,2 à 1,5%, et préférentiellement de 0,7 à 1,3% de bismuth,
- de 0,8 à 5%, et préférentiellement de 1 % à 3,5 % d'aluminium.
Exemples
Pour réaliser les exemples décrits ci-dessous, une charge de fonte a été
fondue en four à
induction et traitée par le procédé Tundish Cover au moyen d'un alliage
inoculant habituel de
type FeSiMg à 5% de Mg et 1% de Ca ne contenant pas de terres rares, à la dose
de 20 kg
pour 1600 kg de fonte. L' analyse de cette fonte liquide éiait la suivante
C = 3,7%, Si = 2,6%, Mn = 0,07%, P = 0,03%, S = 0,003%, Mg = 0,038%.
La performance au niveau de la macro- comme de la micro-porosité a été
appréciée au moyen
du test de coulée d'éprouvettes en « V ».
Dans ce test, l'éprouvette est constituée d'un « V » de hauteur 110 mm,
d'angle au sommet
40°, la largeur des branches du « V » étant de 20 mm et l'épaisseur de
la pièce de 20 mm.
Cette géomëtrie donne une largeur de 80 mm au sommet du « V », un volume
unitaire de 69
cm3, et une masse unitaire de 480 g à 500 g selon la qualité de la fonte. Sur
ce type de pièce,
les porositës apparaissent sélectivement dans la partie rentrante du « V ».
Pour apprécier le résultat du test, on découpe la pièce à mi-épaisseur, et
l'on examine la coupe
par microscopie optique pour évaluer la surface des porosités ; le résultat
est exprimé en
surface relative rapportée à la surface de la coupe.
Exemple 1
Une poche de fonte traitée venant de l'opération préliminaire a été inoculée
en poche au
moyen d'un alliage inoculant en poudre de granulomëtrie comprise entre 2 et 10
mm, de
composition : « Foundry Grade », solde principalement Fe, utilisé à la dose de
200 g à la
tonne de fonte.
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Cette fonte a été utilisée pour couler des pièces en V de géométrie identique
à celle définie
dans le test de contrôle, disposées en grappe dans un moule en sable de 36
pièces alimenté par
un canal d'amenée où était disposé un filtre constitué d'une mousse
réfractaire.
Les pièces obtenues ont été examinées par microscopie optique sur coupe polie
pour
déterminer la structure du métal en fonction de la profondeur et le niveau de
porosité.
Au coeur des branches, la densité des nodules de graphite a été mesurée à
120/rmn2.
La porosité moyenne des pièces a été évaluée à 2,4%.
w
Exemple 2
Une seconde poche de fonte traitée venant de l'opération préliminaire a été
inoculée en poche
au moyen d'un alliage inoculant de granulométrie comprise entre 2 et 10 mm de
composition
Si = 75,4%, Al = 0,94%, Ca = 0,86% , La = 2,2%, Bi = 0,92%, solde
principalement Fe,
utilisé à la dose de 200 g à la tonne de fonte.
Cette fonte a été utilisée pour couler des pièces en V de géométrie identique
à celle définie
dans le test de contrôle, disposées en grappe dans un moule en sable de 36
pièces alimenté par
un canal d'amenée où était disposé un filtre constitué d'une mousse
réfractaire .
Les pièces obtenues ont été examinées par microscopie optique sur coupe polie
pour
déterminer la structure du métal en fonction de la profondeur et le niveau de
porosité. Au
coeur des branches, la densité des nodules de graphite a été comptée à
360/mm2.
La porosité moyenne des pièces a été évaluée à 0,3%.
Exemple 3
Une troisième poche de fonte traitée venant de l'opération préliminaire a été
utilisée pour
couler des pièces en V de géométrie identique à celle définie dans le test de
contrôle,
disposées en grappe dans un moule en sable de 36 pièces alimenté par un canal
d'amenée où
était disposé un pion de 25 g constitué d'alliage inoculant pour traitement
dans le moule, de
composition
Si = 73,6%, Al = 3,92%, Ca = 0,78%, La = 2,1%, Bi = 0,97%, solde
principalement Fe.
Les pièces obtenues ont été examinées par microscopie optique sur coupe polie
pour
déterminer la structure du métal en fonction de la profondeur et le niveau de
porosité. Au
coeur des branches, la densité des nodules de graphite a été comptée à
320/mm2.
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La porosité moyenne des pièces a été évaluée à 0,2%.
