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" Perfectionnements aux fontes et à leur procédé de fabrication ".
C'est un fait bien connu que la fonte brute de coulée est grise, blanche ou truitée et que l'on peut faire subir un traitement thermique à la fonte blanche pour décomposer le carbone combiné et pour rendre la fonte malléable. La caractéristique essentielle de la fonte grise est que la majeure partie du carbone non combiné dans la structure de la matrice se trouve sous forme de graphite. Dans la coupe polie de fonte grise vue au microscope, le graphite apparaît toujours sous des formes allongées fibreuses, parfois tordues. Cer- tains auteurs croient que la forme réelle est celle d'uneparticule
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analogue à une écaille mince et gauchie, lorsqu'on la voit sous trois dimensions. On donne universellement à ce graphite le nom de " graphite en lamelles " et à sa forme le nom de " lamelle ".
La présente invention est fondée sur cette découverte que la forme des particules de graphite se modifie si la fonte au moment de la coulée contient du magnésium. Les lamelles se trou- vent arrondies dans trois dimensions ou raccourcies, ce qui fait que, dans les coupes polies vues au microscope, les pointes aiguës caractéristiques des coupes de lamelles de graphite disparaissent pratiquement d'une manière complète. Cette modification de la microstructure est illustrée par le dessin annexé sur lequel les fig. 1 et 2 sont des reproductions de microphotographies de deux fontes grises prises avec un grossissement de 100 fois. Chacune de ces fontes contenait 3% de carbone et 1,75% de silicium.
La fonte représentée sur la fig. 1 a été obtenue à la manière habi- tuelle; celle que montre la fig. 2 a été traitée de manière telle qu'elle contienne 0,033% de magnésium retenu. La différence de forme du graphite ressort plus clairement des microphotographies faites avec des grossissements plus forts. Les fige 3 et 4 sont des re- productions de microphotographies avec un grossissement de 500 fois de deux fontes comparables, celle de la fig. 3 contenant 3,4 % de carbone et 2, 2 % de silicium et celle de la fig. 4 conte- nant 3,3 % de carbone, 2,2 % de silicium et 0,021 % de magnésium re- tenu.
Les fig. 5 et 6 représentent, respectivement, ces deux mêmes fontes sous des grossissements de 1000 fois. On voit sur toutes ces figures que les particules graphitiques des fontes contenant du magnésium sont plus courtes et plus épaisses et que leurs bords sem- blent émoussés quelle que soit la coupe dans laquelle la lamelle est examinée, mais que la distribution du graphite n'est pas du type communément appelé inter dendritique. La forme de particules illustrée par les fig. 2, 4 et 6 est désignée dans la présente description par le terme " compacte ".
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On a constaté que, lorsque la quantité' de graphite se trouvant dans la forme compacte augmente, les propriétés de la fonte s'améliorent. Quand la quantité de particules sous forme de lamelles ne dépasse pas 25 %, les propriétés sont sensiblement supérieures à celles d'une fonte graphitique comparable ayant une structure normale à lamelles. En d'autres termes, une fonte graphitique contenant au moins 75 ci* du graphite sous la forme compacte en raison de la présence de magnésium retenu constitue un perfectionnement par rapport à une fonte graphitique normale.
On a constaté aussi que l'on peut obtenir des micro- structures contenant au moins 75% du graphite sous la forme compacte en ajoutant du magnésium au bain -en quantité telle et de manière telle que, dans les conditions où se fait la coulée, une quantité de magnésium comprise entre 0,02 et 0,04% de magnésium soit retenue dans la pièce coulée.
La forme exacte de la microstructure varie avec un certain nombre de facteurs comprenant la présence ou l'absence de la plus petite trace de certains éléments dont on a constaté l'effet nuisible sur la tendance du graphite à changer de forme à partir de la forme en lamelles. Dans des conditions favorisant le changement, certaines des particules de graphite peuvent devenir des sphéroïdes, le reste étant compact. Dans des conditions moins favorables, les particules qui ne deviennent pas compactes restent en lamelles. A la condition, toutefois, que la fonte soit graphitique, on obtient les propriétés améliorées lorsque la quantité de magnésium retenu est comprise entre 0,02 et 0,04 %.
Lorsque l'épaisseur des pièces coulées augmente, il se manifeste une tendance, pour la microstructure, à varier sur toute l'étendue de la section transversale, le pourcentage de graphite comptact étant plus grand près de la surface et plus petit au centre.
Compte tenu de ce fait, les indications données dans la présente
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description en ce qui concerne le graphite se trouvant sous la forme compacte se réfèrent à des pièces coulées dans lesquelles cette forme de graphite est présente en un point quelconque de la section transversale dans la mesure indiquée.
La production d'une microstructure dans laquelle 25 % ou davantage du graphite se trouvent sous une forme sensiblement sphé- roidale, résultat que l'on peut obtenir en opérant de manière que la pièce coulée contienne de 0,04 à 0,5 % de magnésium retenu, forme l'objet de la demande de brevet déposée par la demanderesse en France le 12 mars 1948 pour Il Perfectionnements à la fabrication de la fonte ".
Dans la mise en oeuvre de la présente invention, il est essentiel que le métal soit graphitique une fois coulé et la composition doit être appropriée cet effet compte tenu des con- ditions de coulée, à savoir du type de moule et de l'utilisation d'un agent d'inoculation, c'est-à-dire de l'addition d'un agent graphitisant fort immédiatement avant la coulée. De plus, il ne suffit pas d'ajouter du magnésium au métal en fusion ; ilfaut encore que du magnésium soit retenu dans la fonte. C'est un fait bien connu que le magnésium a une grande affinité pour l'oxygène dans le mé- tal et aussi qu'il s'oxyde rapidement à la surface de la fonte en fusion : il s'ensuit qu'il ne reste pas de magnésium résiduel lorsque le magnésium est simplement utilisé pour la désoxydation.
On sait aussi que le magnésium a une grande affinité pour le soufre. En conséquence, la quantité de magnésium introduite doit être en excès de la quantité nécessaire pour éliminer ces éléments ou pour com- battre d'une autre manière leurs effets. Lorsqu'il existe du soufre dans le bain avant traitement, il est nécessaire d'introduire dans ledit bain une quantité de magnésium suffisante non seulement pour donner la teneur en magnésium retenu désiré, mais aussi pour réagir avec le soufre ; cet effet, la demanderesse introduit de préfé- rence une partie en poids de magnésium pour chaque partie en poids de soufre à éliminer.
Lorsqu'on opère ainsi, la teneur en soufre
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se trouve généralement réduite à moins de 0,015 %. Seule la quan- tité non dépensée de magnésium est alors disponible pour jouer le rôle du contrôleur de la forme du carbone non combiné et pour donner la teneur résiduelle requise en magnésium.
Etant donné qu'il est essentiel que la fonte soit gra- phitique, le métal en fusion doit, au moment de la coulée, posséder un fort pouvoir graphitisant. On peut le lui donner par un ajustement approprié de la composition du métal en fusion de diverses manières bien connues dans la fabrication de la fonte grise. En raison, tou- tefois, de l'effet blanchissant du magnésium sur la fonte, il est désirable en général d'inoculer le métal en fusion. L'inoculation de la fonte a un effet graphitisant ; consiste en une addition tardive d'un agent graphitisant fort qui est habituellement un agent contenant du silicium comme le ferro-silicium, le siliciure de cal- cium ou le siliciure de nickel, mais qui peut, par exemple, être l'aluminium.
Dans la présente invention, on utilise l'inoculation sauf dans certains cas où le bain possède un pouvoir graphitisant très élevé. Il est préférable d'introduire le magnésium dans le bain et d'introduire ensuite séparément l'inoculant graphitisant, lequel est de préférence le silicium ajouté sous la forme de ferro- silicium par exemple. La quantité de silicium ajoutée est généralement de 0,3 à 2, 5 % et de préférence comprise entre 0,4 et 1,2 %.
Si l'inoculation précède l'introduction de magnésium, elle peut ne pas produire les résultats désirés dans le produit brut de coulée.
On peut remédier à cet inconvénient par une autre inoculation faite en même temps que l'introduction du magnésium, mais de préférence après. Le bain inoculé contenant du magnésium doit être coulé très rapidement après l'inoculation, par exemple environ trois minutes après cette opération. On a constaté que si le bain traité est laissé pendant beaucoup plus longtemps après l'inoculation, l'effet de celle- ci s'atténue et est perdu, mais que l'on peut le rétablir par un nou-
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veau traitement d'inoculation.
Les teneurs en carbone et en silicium des pièces coulées sont celles de la fonte grise ordinaire mais lorsque la teneur en carbone croît, la quantité de magnésium retenu nécessaire pour que le graphite soit à coup sûr en majeure partie compact augmente aussi.
C'est ainsi que, quand la teneur en carbone est d'environ 3 %, une teneur en magnésium de 0,035 % donne de bons résultats, mais que, lorsque la teneur en carbone est de 3,5 %, une teneur en magnésium de 0,039 est plus satisfaisante.
La fonte brute de coulée peut être exempte d'éléments d'alliage ou en contenir des quantités notables. C'est ainsi que la fonte peut contenir des éléments d'alliage tels que le nickel, le molybdène, le chrome, le manganèse et l'aluminium. Les propriétés blanchissantes ou de stabilisation des carbures de certains éléments d'alliage doivent être prises en considération en raison du fait que le métal en fusion doit posséder un pouvoir graphitisant suffi- sant, lors de la coulée, pour produire une quantité notable de car- bone graphitique lors du refroidissement à partir des températures de coulée. Pour cette raison, la teneur en chrome ne doit pas norma- lement dépasser 1 % et, de préférence, ne doit pas dépasser 0,6 %.
Toutefois, la quantité de chrome qui peut être tolérée dépend de la composition du bain en fusion dans son ensemble et la quantité maxi- mum de chrome est celle qui donne un métal en fusion possédant le pouvoir graphitisant requis au moment de la coulée. Le manganèse,qui est un agent blanchissant, ou stabilisateur de carbures, plus doux peut être toléré en quantité plus grande allant par exemple jusqu'à 2,5 %. Des quantités plus grandes de manganèse peuvent être présentes quand l'alliage a une composition ou une matrice austénitique. En gé- néral, le manganèse tend à réduire certaines propriétés mécaniques, particulièrement dans les alliages bruts de coulée dans lesquels le fer est sous la forme alpha ; cette raison, il est préférable que la teneur en manganèse ne dépasse pas 1%.
L'aluminium réduit la sta-
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bilité des carbures et agit comme graphitisant . Le cuivre ne doit pas être utilisé en quantité dépassant 3 %, ou même 2 %, sans déter- mination préalable de son effet sur les caractéristiques et proprié- tés générales de la fonte. Certains éléments d'alliage, tels que le nickel, peuvent augmenter la tolérance pour le cuivre.
C'est un fait bien connu que certaines fontes graphiti- ques contiennent de petites quantités de carbures libres réparties avec le graphite dans toute la matrice. Ces fontes sont, bien entendu, entièrement différentes des fontes blanches dans lesquelles tout, ou sensiblement tout, le carbone est combiné. Dans la présente des- cription, l'expression fonte graphitique est destinée à désigner la fonte grise dans laquelle tout ou presque tout le carbone non dissous ou non combiné dans la matrice est du graphite, mais elle n'exclut pas les fontes dans lesquelles il y a des carbures primaires répartis dans toute la matrice.
Par exemple, les propriétés mécaniques et les propriétés de résistance à l'oxydation des fontes grises résistant à la chaleur et contenant une certaine quantité de carbure de chrome répartie avec le graphite dans une matrice perlitique peuvent être améliorées par la présente invention. L'amélioration de la résistance à l'oxydation semble due au fait que la pénétration de l'oxyde le long des particules de graphite comptact est moindre que dans les - fontes grises ordinaires comportant des lamelles normales.
Ainsi qu'on l'a indiqué plus haut, certains éléments s'op- posent à la tendance du magnésium à produire du graphite compact.
On doit éviter la présence de ces éléments ou ne les admettre que sous forme de traces ou de quantité très petite. Ces éléments nuisibles sont l'étain, le plomb, l'antimoine, le bismuth, l'arse- nic, le sélénium et le tellure. On a constaté que l'étain était particulièrement nuisible et la teneur en étain doit être maintenue aussi basse que possible ; en général, il ne doit pas y avoir plus qu'une trace d'étain. Le phosphore ne gêne pas la formation du
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graphite compact et la teneur en phosphore peut atteindre 0,5 % ou une valeur plus élevée ; si l'on désire obtenir des pro- priétés très bonnes, en particulier la propriété de résistance au choc et la ductilité, la teneur en phosphore ne doit pas dépasser 0,06 %, par exemple 0,02 à 0,06 %.
On peut introduire le magnésium de nombreuses façons.
La quantité de magnésium à ajouter au bain dépend de la quantité désirée de magnésium retenu, de la quantité additionnelle de magné- sium nécessaire pour combattre la présence d'éléments tels que le soufre, de la quantité de magnésium perdue par retard à la coulée du bain après introduction du magnésium et de la proportion de magné- sium dans l'agent d'addition de magnésium perdu lors de l'introduc- tion du magnésium dans le bain. On croit habituellement que le magnésium ne s'allie pas avec le fer et, en fait, lorsqu'on cherche à introduire du magnésium métallique sous forme d'élément dans la fonte en fusion, à la température élevée ordinaire nécessaire pour une coulée satisfaisante, il se produit une réaction d'une violence explosive telle que la fonte en fusion peut être projetée hors du récipient.
On peut ajouter le magnésium métallique avec les pré- cautions convenables sous la forme élémentaire solide directement dans le bain quand ce dernier est à une température de peu supérieure à la température de liquides de la composition fondue, par exemple à 1235 C. environ. La température doit seulement être suffisamment élevée pour que le bain soit entièrement fondu, mais en restant vis- queux. Une telle addition de magnésium élémentaire,s'accompagne géné- ralement de la combustion du magnésium à la surface du bain avec pro- duction d'un éclair brillant, dégagement d'une grande quantité de fumées d'oxyde de magnésium et perte de la plus grande partie ou de la quasi-totalité du magnésium ajouté.
Toutefois, une quantité suffisante de magnésium se trouvera retenue si l'on a ajouté une
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quantité suffisamment grande de ce métal. Quand on applique ce procédé, on porte de préférence rapidement à 1370 C. ou à une valeur plus élevée la température du bain après introduction du magnésium, on inocule ensuite le bain et on coule rapidement. On peut aussi ajouter le magnésium sous forme de briquettes avec des diluants et autres matières analogues pour réduire la combustion @ du magnésium"et pour permettre à celui-ci. de s'incorporer plus rapidement au bain avec retenue d'une plus grande quantité de ma- gnésium dans celui-ci.
Bien que l'on puisse utiliser les procédés auxquels on vient de faire allusion, un procédé commode consiste à ajouter le magnésium sous la forme d'un alliage métallique contenant de 2 à 40 % de magnésium. Des alliages convenables comprennent ceux que l'on appelle parfois composés intermétalliques, par exemple Mg Ni 2 ou des mélanges d'un composé intermétallique avec un métal ou avec un autre composé intermétallique, par exemple Mg Ni 2 + Ni ou Mg Ni 2 + Mg 2 Ni. D'autre part, le siliciure de magnésium se com- porte sensiblement de la même manière que le magnésium élémentaire et on ne peut l'utiliser qu'en prenant les mêmes précautions.
On a constaté qu'il était désirable d'introduire le magnésium sous forme d'alliage avec un ou plusieurs métaux solubles dans la fonte à l'état fondu. Dans la mise en pratique de l'invention, le nickel et le cuivre sont les métaux préférés et avec lesquels on allie le magnésium pour former l'agent d'addition. Les alliages peuvent contenir aussi du silicium. L'utilité du cuivre est quelque peu limitée par le fait que l'on désire maintenir à une valeur relati- vement basse la teneur en cuivre du produit final. De même, l'ef- fet nuisible d'une teneur élevée en silicium sur les propriétés mécaniques du produit final restreint l'utilité des alliages à te- neur élevée en silicium.
On peut obtenir des résultats très satis-
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faisants avec des alliages binaires et avec des alliages plus complexes contenant du nickel et du magnésium. De préférence, on introduit le magnésium sous la forme d'un alliage ayant une densité voisine de celle du bain en fusion ou une densité supérieure car on a constaté que plus la densité est grande, plus est grande la proportion de magnésium retenue dans le métal pour une série de conditions données. Les alliages qui donnent des résultats satis- faisants sont les alliages nickel-magnésium contenant de 4 % envi- ron à 20 % environ de magnésium.
Il a été constaté que lorsque les alliages nickel-magnésium contiennent aussi du carbone, jusqu'à, par exemple, la quantité maximum que les alliages peuvent absorber, les caractéristiques d'addition des alliages, en particulier de ceux contenant de 10 à 15 % de magnésium, sont améliorées. De plus, en préparant d'abord un alliage nickel-carbone fondu et en y introduisant ensuite du magnésium, la préparation d'un alliage d'addition nickel-magnésium se trouve facilitée. Les alliages nickel-magnésium-carbone contenant de 10 à 15 % de magnésium et de 1 à 4 % de carbone conviennent très bien et font l'objet de la de- mande de brevet déposée en Grande-Bretagne par la demanderesse sous le No. 11080 de 1948.
EXEMPLES ET DONNEES CITES A TITRE D'ILLUSTRATION.
Pour l'usage générale on désire habituellement une ma- trice perlitique formée soit en totalité de perlite, soit en partie de perlite comme c'est le cas d'une matrice perlite-ferrite. A cet effet, la fonte peut contenir les quantités des éléments indiquées dans le tableau 1.
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TABLEAU 1.
EMI11.1
<tb>
Elément <SEP> Limites
<tb>
<tb>
<tb> Carbone <SEP> 2,5 <SEP> à <SEP> 3,5 <SEP> %
<tb>
<tb>
<tb> Silicium <SEP> 1,6 <SEP> à <SEP> 3,0 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb>
<tb> Magnésium <SEP> 0,02 <SEP> à <SEP> 0,04 <SEP> %
<tb>
<tb>
<tb> Nickel <SEP> 0 <SEP> à <SEP> 3 <SEP> %
<tb>
<tb>
<tb> Manganèse <SEP> 0,4 <SEP> à <SEP> 1,2 <SEP> %
<tb>
En général, les fontes ayant cette composition ont une charge de rupture supérieure d'au moins 3,14 kg/mm2 et parfois de 20,41 kg/mm2 à celle des fontes comparables exemptes de magnésium.
Elles possèdent aussi habituellement une ductilité, une résistance au choc, un module d'élasticité et des propriétés de fatigue amé- liorées se combinant avec cette charge de rupture plus élevée. Les propriétés des fontes grises contenant du magnésium et ayant des compositions comprises entre les limites indiquées dans le tableau 1 sont au moins égales à celles indiquées dans le tableau II.
TABLEAU II.
Propriétés de flexion
Flèche 3,81 mm.
Charge 1814 kg.
Charge de rupture 28,26 kg/mm2.
Nombre de Brinell 180 Choc 4,15 kg-m
Flèche = flèche en millimètres dans l'essai à la flexion sur un barreau ou éprouvette de 30,5 mm. de diamètre sur une portée de 305 mm.
Charge = nombre de kilogrammes nécessaires pour rompre le barreau ou éprouvette à la flexion sur une portée de 305 mm.
Charge de rupture ( C.R.) = charge de rupture à la traction en kg/mm2.
Choc = nombre de kg/m nécessaires pour rompre l'éprou- vette normale de grand module et non entaillée sur la machine Izod ( 16,5 kg-m) pour l'essai au choc.
Quand la matrice n'est pas perlitique, les propriétés sont améliorées aussi. C'est ainsi que la charge de rupture finale est toujours d'au moins 1,96 kg/mm2 supérieure à celle d'une fonte compa-
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rable exempte de magnésium et cette augmentation de la charge de rupture s'accompagne d'une augmentation des propriétés de résis- tance au choc, de résistance à la chaleur et à la compression. Les résultats de ces essais sur des fontes comparables sont donnés dans le tableau III.
TABLEAU III.
Composition : 3,1% C ; 1,6% Si ; 0,8% Ni ; 0,7% Mn ; 0,02% P.
EMI12.1
<tb>
No. <SEP> % <SEP> Mg. <SEP> Essai <SEP> à <SEP> la <SEP> flexion <SEP> Charge <SEP> de <SEP> NB <SEP> Choc
<tb>
<tb>
<tb> Flèche <SEP> Charge <SEP> kg. <SEP> rupture <SEP> kg-m.
<tb>
<tb>
<tb> kg/mm2
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1 <SEP> 0 <SEP> 3,93 <SEP> 1635 <SEP> 27,95 <SEP> 216 <SEP> 3,87
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 2 <SEP> 0,019 <SEP> 5,0 <SEP> 2079 <SEP> 33,51 <SEP> 222 <SEP> 5,39
<tb>
<tb>
<tb> 3 <SEP> 0,033 <SEP> 4,47 <SEP> 2790 <SEP> 48,58 <SEP> 269 <SEP> 7,74
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 4 <SEP> 0 <SEP> 3,73 <SEP> 1771 <SEP> 26,75 <SEP> 213 <SEP> 3,73
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 5 <SEP> 0,023 <SEP> 3,93 <SEP> 1757 <SEP> 23,0 <SEP> 222 <SEP> 3,04
<tb>
Les fontes numérotées 1, 2 et 3 ont été inoculées avec une addition dans la poche, de 0,5 % de silicum ajouté sous forme de ferro-sili- cium.
On voit que les fontes Nos. 2 et 3, obtenues conformément à l'invention, ont des propriétés bien meilleures que la fonte No. 1.
La fonte No. 4 n'a pas été inoculée et elle diffère peu, dans ses propriétés, de la fonte No. 1. La fonte No. 5 contenait du magnésium retenu;mais, en l'absence d'inoculation, elle avait un réseau de car- bure et n'était pas graphitique.
On peut remarquer, finalement, que tandis que la charge de rupture de la fonte illustrée sur les fig. 3 et 5 est de 19,31 kg/mm2, celle de la fonte illustrée par les fig. 4 et 6 est de 34,7 kg/mm2.
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"Improvements to cast irons and their manufacturing process".
It is a well-known fact that pig iron is gray, white, or truit-coated and that white iron can be heat treated to decompose the combined carbon and to make the iron malleable. The essential characteristic of gray iron is that most of the uncombined carbon in the matrix structure is in the form of graphite. In the polished section of gray cast iron seen under a microscope, graphite always appears in elongated fibrous, sometimes twisted forms. Some authors believe that the real shape is that of a particle
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analogous to a thin, warped scale, when seen in three dimensions. This graphite is universally given the name "flake graphite" and its shape the name "lamella".
The present invention is based on the finding that the shape of the graphite particles changes if the iron at the time of casting contains magnesium. The lamellae are found to be rounded in three dimensions or shortened, so that, in polished sections viewed under the microscope, the sharp points characteristic of sections of graphite lamellae almost completely disappear. This modification of the microstructure is illustrated by the appended drawing in which FIGS. 1 and 2 are reproductions of photomicrographs of two gray fonts taken at 100 times magnification. Each of these castings contained 3% carbon and 1.75% silicon.
The cast iron shown in fig. 1 was obtained in the usual manner; that shown in fig. 2 has been treated in such a way that it contains 0.033% of retained magnesium. The difference in shape of graphite is more evident in photomicrographs taken at higher magnifications. Figures 3 and 4 are reproductions of microphotographs with a magnification of 500 times of two comparable fonts, that of fig. 3 containing 3.4% carbon and 2.2% silicon and that of FIG. 4 containing 3.3% carbon, 2.2% silicon and 0.021% retained magnesium.
Figs. 5 and 6 represent, respectively, these same two castings under magnifications of 1000 times. It can be seen from all these figures that the graphitic particles of cast iron containing magnesium are shorter and thicker and that their edges appear blunt regardless of the section in which the lamella is examined, but that the distribution of the graphite is not not of the type commonly called inter dendritic. The shape of the particles illustrated in FIGS. 2, 4 and 6 is designated in the present description by the term "compact".
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It has been found that as the amount of graphite in the compact form increases, the properties of the cast iron improve. When the amount of the lamellar particles does not exceed 25%, the properties are significantly superior to those of a comparable graphite cast iron having a normal lamellar structure. In other words, a graphitic cast iron containing at least 75 ci * of graphite in compact form due to the presence of retained magnesium is an improvement over a normal graphite cast iron.
It has also been found that it is possible to obtain microstructures containing at least 75% of the graphite in the compact form by adding magnesium to the bath -in such quantity and in such a manner that, under the conditions in which the casting is carried out, a quantity of magnesium of between 0.02 and 0.04% of magnesium is retained in the casting.
The exact shape of the microstructure varies with a number of factors including the presence or absence of the smallest trace of certain elements which have been found to have an adverse effect on the tendency of graphite to change shape from shape. in strips. Under conditions favoring change, some of the graphite particles may become spheroids, the rest being compact. Under less favorable conditions, particles that do not become compact remain in lamellae. Provided, however, that the cast iron is graphitic, the improved properties are obtained when the amount of retained magnesium is between 0.02 and 0.04%.
As the thickness of the castings increases, there is a tendency for the microstructure to vary over the full extent of the cross section, the percentage of graphite being greater near the surface and smaller in the center.
In view of this fact, the indications given in this
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Description with regard to graphite in the compact form refers to castings in which this form of graphite is present at any point in the cross section to the extent indicated.
The production of a microstructure in which 25% or more of the graphite is in a substantially spheroidal form, which can be achieved by operating so that the casting contains from 0.04 to 0.5% of magnesium retained, forms the subject of the patent application filed by the applicant in France on March 12, 1948 for Improvements in the manufacture of cast iron ".
In practicing the present invention it is essential that the metal be graphitic when cast and the composition should be suitable for this effect having regard to the casting conditions, namely the type of mold and the use of the mold. 'an inoculating agent, that is, the addition of a strong graphitizing agent immediately before casting. In addition, it is not enough to add magnesium to the molten metal; magnesium must still be retained in the cast iron. It is a well-known fact that magnesium has a great affinity for oxygen in the metal and also rapidly oxidizes on the surface of molten iron: it follows that no no residual magnesium when magnesium is simply used for deoxidation.
We also know that magnesium has a great affinity for sulfur. Accordingly, the amount of magnesium introduced must be in excess of the amount necessary to remove these elements or otherwise to combat their effects. When there is sulfur in the bath before treatment, it is necessary to introduce into said bath a quantity of magnesium sufficient not only to give the desired content of retained magnesium, but also to react with the sulfur; For this purpose, the Applicant preferably introduces one part by weight of magnesium for each part by weight of sulfur to be removed.
When this is done, the sulfur content
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is generally reduced to less than 0.015%. Only the unspent amount of magnesium is then available to play the role of controlling the shape of the uncombined carbon and to provide the required residual magnesium content.
Since it is essential that the cast iron be graphitic, the molten metal must, at the time of casting, have a high graphitizing power. It can be imparted to it by proper adjustment of the composition of the molten metal in various ways well known in the manufacture of gray iron. Due, however, to the bleaching effect of magnesium on cast iron, it is generally desirable to inoculate the molten metal. Inoculation of cast iron has a graphitizing effect; consists of a late addition of a strong graphitizing agent which is usually a silicon containing agent such as ferro-silicon, calcium silicide or nickel silicide, but which may, for example, be aluminum.
In the present invention, inoculation is used except in certain cases where the bath has a very high graphitizing power. It is preferable to introduce the magnesium into the bath and then to introduce separately the graphitizing inoculant, which is preferably the added silicon in the form of ferro-silicon for example. The amount of silicon added is generally from 0.3 to 2.5% and preferably between 0.4 and 1.2%.
If inoculation precedes the introduction of magnesium, it may not produce the desired results in the as-cast product.
This drawback can be remedied by another inoculation made at the same time as the introduction of the magnesium, but preferably afterwards. The inoculated bath containing magnesium should be poured very quickly after inoculation, for example about three minutes after this operation. It has been found that if the treated bath is left for much longer after inoculation, the effect thereof wears off and is lost, but can be restored by a new one.
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calf inoculation treatment.
The carbon and silicon contents of the castings are those of ordinary gray iron but as the carbon content increases, the amount of retained magnesium necessary for the graphite to be for sure mostly compact also increases.
Thus, when the carbon content is about 3%, a magnesium content of 0.035% gives good results, but when the carbon content is 3.5%, a magnesium content of 0.039 is more satisfactory.
The pig iron may be free of alloying elements or contain significant amounts thereof. This is how cast iron can contain alloying elements such as nickel, molybdenum, chromium, manganese and aluminum. The whitening or stabilizing properties of the carbides of certain alloying elements must be taken into consideration because the molten metal must have sufficient graphitizing power, upon casting, to produce a substantial amount of carbon. graphitic bone upon cooling from casting temperatures. For this reason, the chromium content should not normally exceed 1%, and preferably should not exceed 0.6%.
However, the amount of chromium which can be tolerated depends on the composition of the molten bath as a whole and the maximum amount of chromium is that which gives a molten metal having the required graphitizing power at the time of casting. Manganese, which is a bleaching agent, or carbide stabilizer, softer can be tolerated in a larger amount, for example up to 2.5%. Greater amounts of manganese may be present when the alloy has an austenitic composition or matrix. In general, manganese tends to reduce certain mechanical properties, particularly in as-cast alloys in which the iron is in the alpha form; For this reason, it is preferable that the manganese content does not exceed 1%.
Aluminum reduces the sta-
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bility of carbides and acts as a graphitizer. Copper should not be used in an amount exceeding 3%, or even 2%, without prior determination of its effect on the general characteristics and properties of the cast iron. Certain alloying elements, such as nickel, can increase the tolerance for copper.
It is a well known fact that some graphite cast irons contain small amounts of free carbides distributed with the graphite throughout the die. These cast irons are, of course, entirely different from white cast irons in which all, or substantially all, of the carbon is combined. In the present description, the expression graphitic cast iron is intended to denote gray cast iron in which all or almost all of the undissolved or uncombined carbon in the matrix is graphite, but it does not exclude cast irons in which it is there are primary carbides distributed throughout the matrix.
For example, the mechanical properties and oxidation resistance properties of heat resistant gray cast irons containing a certain amount of chromium carbide distributed with graphite in a pearlitic matrix can be improved by the present invention. The improvement in oxidation resistance appears to be due to the fact that the penetration of the oxide along the compact graphite particles is less than in ordinary gray cast irons with normal lamellae.
As noted above, there are certain elements that counter the tendency of magnesium to produce compact graphite.
The presence of these elements must be avoided or only admitted in trace amounts or in very small quantities. These harmful elements are tin, lead, antimony, bismuth, arsenic, selenium and tellurium. It has been found that tin is particularly harmful and the tin content should be kept as low as possible; in general, there should not be more than a trace of tin. Phosphorus does not interfere with the formation of
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compact graphite and phosphorus content can reach 0.5% or higher value; if it is desired to obtain very good properties, especially the impact resistance property and ductility, the phosphorus content should not exceed 0.06%, for example 0.02 to 0.06%.
Magnesium can be introduced in many ways.
The quantity of magnesium to be added to the bath depends on the desired quantity of magnesium retained, on the additional quantity of magnesium necessary to combat the presence of elements such as sulfur, on the quantity of magnesium lost by delay in casting the bath after introduction of the magnesium and the proportion of magnesium in the magnesium additive lost during the introduction of the magnesium into the bath. It is usually believed that magnesium does not alloy with iron, and indeed when attempting to introduce metallic magnesium as an element into molten iron, at the ordinary high temperature necessary for satisfactory casting, there is a reaction of explosive violence such that molten iron can be thrown out of the container.
The metallic magnesium can be added with suitable care in the solid elemental form directly to the bath when the latter is at a temperature slightly above the liquid temperature of the molten composition, for example at about 1235 ° C. The temperature need only be high enough so that the bath is completely melted, but still viscous. Such addition of elemental magnesium is generally accompanied by the combustion of the magnesium on the surface of the bath with the production of a brilliant flash, release of a large quantity of magnesium oxide fumes and loss of gas. most or almost all of the added magnesium.
However, a sufficient quantity of magnesium will be retained if one has added a
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sufficiently large amount of this metal. When this process is applied, the temperature of the bath is preferably rapidly brought to 1370 ° C. or higher after introduction of the magnesium, the bath is then inoculated and the liquid is poured rapidly. Magnesium can also be added in briquette form with diluents and the like to reduce the combustion of the magnesium and to allow the magnesium to incorporate more quickly into the bath with retention of a greater quantity of magnesium. magnesium in it.
Although the methods just alluded to can be used, a convenient method is to add the magnesium in the form of a metal alloy containing 2 to 40% magnesium. Suitable alloys include those sometimes referred to as intermetallic compounds, for example Mg Ni 2 or mixtures of an intermetallic compound with a metal or with another intermetallic compound, for example Mg Ni 2 + Ni or Mg Ni 2 + Mg 2 Ni. On the other hand, magnesium silicide behaves substantially in the same way as elemental magnesium and can only be used by taking the same precautions.
It has been found desirable to introduce magnesium as an alloy with one or more soluble metals into the melt in the molten state. In the practice of the invention, nickel and copper are the preferred metals and with which magnesium is alloyed to form the addition agent. Alloys can also contain silicon. The usefulness of copper is somewhat limited by the desire to keep the copper content of the end product relatively low. Likewise, the detrimental effect of high silicon content on the mechanical properties of the final product restricts the utility of high silicon alloys.
Very satisfactory results can be obtained.
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making with binary alloys and with more complex alloys containing nickel and magnesium. Preferably, the magnesium is introduced in the form of an alloy having a density close to that of the molten bath or a higher density because it has been found that the greater the density, the greater the proportion of magnesium retained in the metal. for a given set of conditions. The alloys which give satisfactory results are nickel-magnesium alloys containing from about 4% to about 20% magnesium.
It has been found that when nickel-magnesium alloys also contain carbon, up to, for example, the maximum amount that alloys can absorb, the addition characteristics of alloys, especially those containing 10 to 15% magnesium, are improved. In addition, by first preparing a molten nickel-carbon alloy and then introducing magnesium therein, the preparation of a nickel-magnesium addition alloy is facilitated. Nickel-magnesium-carbon alloys containing 10 to 15% magnesium and 1 to 4% carbon are very suitable and are the subject of the patent application filed in Great Britain by the applicant under No. 11080 from 1948.
EXAMPLES AND DATA CITED FOR ILLUSTRATION.
For general use, a pearlite matrix is usually desired formed either entirely from perlite or partly from perlite as is the case with a pearlite-ferrite matrix. For this purpose, the cast iron may contain the quantities of the elements indicated in table 1.
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TABLE 1.
EMI11.1
<tb>
Element <SEP> Limits
<tb>
<tb>
<tb> Carbon <SEP> 2.5 <SEP> to <SEP> 3.5 <SEP>%
<tb>
<tb>
<tb> Silicon <SEP> 1.6 <SEP> to <SEP> 3.0 <SEP>% <SEP>
<tb>
<tb>
<tb> Magnesium <SEP> 0.02 <SEP> to <SEP> 0.04 <SEP>%
<tb>
<tb>
<tb> Nickel <SEP> 0 <SEP> to <SEP> 3 <SEP>%
<tb>
<tb>
<tb> Manganese <SEP> 0.4 <SEP> to <SEP> 1.2 <SEP>%
<tb>
In general, cast irons having this composition have a higher breaking load of at least 3.14 kg / mm2 and sometimes 20.41 kg / mm2 than comparable cast irons free of magnesium.
They also usually possess improved ductility, impact strength, modulus of elasticity and fatigue properties combined with this higher breaking load. The properties of gray cast iron containing magnesium and having compositions within the limits indicated in Table 1 are at least equal to those indicated in Table II.
TABLE II.
Bending properties
3.81 mm boom.
Load 1814 kg.
Breaking load 28.26 kg / mm2.
Brinell Number 180 Shock 4.15 kg-m
Deflection = deflection in millimeters in the bending test on a 30.5 mm bar or test piece. in diameter over a reach of 305 mm.
Load = number of kilograms necessary to break the bar or specimen in bending over a span of 305 mm.
Breaking load (C.R.) = tensile breaking load in kg / mm2.
Shock = number of kg / m required to break the normal, large modulus, non-notched specimen on the Izod machine (16.5 kg-m) for the impact test.
When the matrix is not pearlitic, the properties are improved too. Thus, the final breaking load is always at least 1.96 kg / mm2 higher than that of a comparative cast iron.
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magnesium free sand and this increase in breaking load is accompanied by an increase in impact resistance, heat resistance and compression properties. The results of these tests on comparable cast irons are given in Table III.
TABLE III.
Composition: 3.1% C; 1.6% Si; 0.8% Ni; 0.7% Mn; 0.02% P.
EMI12.1
<tb>
No. <SEP>% <SEP> Mg. <SEP> Test <SEP> at <SEP> the <SEP> bending <SEP> Load <SEP> of <SEP> NB <SEP> Shock
<tb>
<tb>
<tb> Arrow <SEP> Load <SEP> kg. <SEP> break <SEP> kg-m.
<tb>
<tb>
<tb> kg / mm2
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1 <SEP> 0 <SEP> 3.93 <SEP> 1635 <SEP> 27.95 <SEP> 216 <SEP> 3.87
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 2 <SEP> 0.019 <SEP> 5.0 <SEP> 2079 <SEP> 33.51 <SEP> 222 <SEP> 5.39
<tb>
<tb>
<tb> 3 <SEP> 0.033 <SEP> 4.47 <SEP> 2790 <SEP> 48.58 <SEP> 269 <SEP> 7.74
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 4 <SEP> 0 <SEP> 3.73 <SEP> 1771 <SEP> 26.75 <SEP> 213 <SEP> 3.73
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 5 <SEP> 0.023 <SEP> 3.93 <SEP> 1757 <SEP> 23.0 <SEP> 222 <SEP> 3.04
<tb>
The castings numbered 1, 2 and 3 were inoculated with an addition to the ladle of 0.5% silicon added as ferro-silicon.
We see that the Nos. 2 and 3, obtained in accordance with the invention, have much better properties than cast iron No. 1.
Cast iron No. 4 was not inoculated and it differed little in properties from cast iron No. 1. Cast iron No. 5 contained retained magnesium, but in the absence of inoculation it had a carbon network and was not graphitic.
It can be noted, finally, that while the breaking load of the cast iron illustrated in figs. 3 and 5 is 19.31 kg / mm2, that of the cast iron illustrated in FIGS. 4 and 6 is 34.7 kg / mm2.