<Desc/Clms Page number 1>
FONTE GRISE .AU -LITHIUM ET SON PROCEDE ED FABRIDCATOIN
La présente invention concerne des perfectionnements apportés à la fonte grise et à sa fabrications
La fonte grise que l'on traite suivant l'invention peut être du type hypoeutectique ou hypereutectique, c'est-à-dire qu'elle peut être une fonte dans laquelle le carbone non combiné apparaisse sous forme de lamelles hors de sa coulée dans le sableo Cette fonte grise est caractérisée par le fait qu'elle est plus ou moins résistante et cassante et a des propriétés techniques indéterminées.
Les propriétés mécaniques peu satisfaisantes de la fonte grise ordinaire sont attribuées à la présence de lamelles de gra- phite de grandes dimensions qui peuvent occuper de 8 à 12% du volume-du moulage et fragmentent la matrice, dans une grande mesure. de la même manie- re que le feraient des copeaux de bois dans une masse....de béton si on les y mélangeait de façon quelconque.
Un grand nombre d'essais ont été effectués pour améliorer 'les' propriétés de la fonte grise par traitement à l'aide de métaux tels que le magnésium et le cérium. Mais les recherches qui ont conduit à l'invention ont montré que par un simple traitement avec du lithium ou un alliage ren- fermant du lithium dans le jet ou à la poche, le mode de présentation ou de formation de lamelles de graphite dans cette fonte grise peut être modi- fié d'une manière avantageuse pour améliorer à la fois sa faculté de moulage et ses propriétés physiques,,
L'invention concerne une fonte grise (alliée ou non) renfermant du lithium,
avec ou sans la présence d'un autre métal alcalin ou alcaline- terreux en des proportions telles que la plus grande partie du graphite-de- cette fonte se présente dans ladite fonte une fois coulée avec une micro- structure nodulaire,,
<Desc/Clms Page number 2>
L'invention est également matérialisée dans un procédé de fabri- cation d'une fonte grise (alliée ou non) consistant à faire fondre une fon- te qui, à la coulée, donne une cassure grise, à ajouter du lithium (avec ou sans autre métal alcalin ou alcalino-terreux) à la fonte en fusion, en une quantité suffisante pour que la majeure partie du graphite de la fonte une fois coulée présente une microstructure .nodulaire, à ajouter un agent graphitisant et à effectuer la coulée.
L'invention offre les avantages suivants ; -
1 . Elle permet de produire une fonte grise ayant une durée à l'état fluide et une faculté de coulée améliorées pour la fabrication de moulages homogènes sains.
2 . Elle fournit une fonte grise ayant des propriétés mécani- ques et physiques améliorées, même avec une teneur en carbone relativement faible ou relativement élevée.
3 . Elle donne la possibilité d'améliorer les propriétés méca- niques et physiques d'une fonte qui est en elle-même impure, sans tenir compte de l'élimination totale du soufre, bien que le lithium soit en soi un agent qui agit dans une certaine mesure comme agent de désulfuration et de stabilisation du graphite.
4 . Elle permet d'améliorer la structure du graphite, de façon à fournir des propriétés mécaniques et une tenue technique nettement supé- rieures à celles de la même fonte qui n'a pas été traitée au lithium ou a- vec un alliage renfermant du lithium.
Les recherches dont on a parlé on également montré que le lithium a sur la fonte grise un effet bien déterminé et tend à la rendre blanche.
Ainsi, une fonte grise en fusion contenant du lithium donnera habituellement des moulages ayant une structure indiquant la cémentite à moins que la gra- phitisation ne soit effectuée à la.suite du tratement par le lithium. La graphitisation de la masse en fusion-: renfermant du lithium un peu avant la coulée est une caractéristique importante de l'invention et empêche effica- cement la formation de la structure indicatrice de carbure mentionnée ci-a- vant. On effectue, de préférence, le traitement de graphitisation peu après le traitement au lithium, mais on peut aussi l'effectuer simultanément à celui-ci et un peu avant la coulée de la fonte.
Parmi les agents de graphi- tisation que l'on peut utiliser, on citera le ferro-silicium, le silicium- manganèse-zirconium, le calcium-silicium, le nickel-silicium et l'aluminium- calcium-silicium. La fonte grise améliorée et renfermant du lithium selon.. l'invention contiendra généralement de 2,2 à 4,5% de carbone. La teneur en silicium de la fonte grise selon l'invention peut varier entre 1 et 6%, et de préférence entre 1,5 et 3,5%. La teneur en soufre est sans importance, en ce sens que l'on peut tenir.compte aisément de teneurs en soufre dépas- sant 0,08% par un traitement de désulfuration habituel,alors que le métal renfermant de 0,005 à 0,08% de soufre peut être traité avec du lithium de fagon satisfaisante.
La teneur en phosphore peut avoir toute valeur dési- rée, selon l'utilisation ultérieure assignée au moulage. Si l'on veut ob- tenir une certaine ductilité sans recuit ou sans traitement thermique quel- conque, il est alors important que la teneur en phosphore soit inférieure à 0,07%. La ductilité n'est pas toujours une propriété nécessaire pour les moulages de fonte nodulaire. Mais, lorsqu'il est nécessaire d'obtenir des propriétés déterminées ou accrues de résistance au choc ainsi que des résis- tances plus grandes à la traction, il importe que la teneur en phosphore soit inférieure à 0,07% Si les fontes doivent avoir une utilisation telle qu'il soit désirable d'obtenir un réseau eutectique de phosphure, comme dans certains moulages à faire les coussinets ou paliers, la teneur en phos- phore peut alors atteindre 1%.
Les fontes grises peuvent renfermer les quan- tités habituelles des éléments d'alliage tels que nickel, cuivre, molybdène, chrome et manganèse. Le nickel peut être présent en des quantités allant jusqu'à 40%, le molybdène en des quantités allant jusqu'à 2%, le cuivre en des quantités allant jusqu'à 5%, le manganèse en des quantités allant jus- qu'à 2% et le chrome en des quantités allant jusqu'à 2%.
Pour autant qu'il
<Desc/Clms Page number 3>
soit connu, aucun renseignement n'a été publié et aucune découverte effec- tuée en ce qui concerne le fait que le lithium augmente la résistance de la fonte grise au delà de la valeur ui est considérée comme normale pour la fonte grise, c'est-à-dire 2240 kg/cm2, et aucun renseignement n'a été pu- blié montrant que le lithium produit non seulement une modification dans-la forme du graphite depuis un état lamellaire jusqu'à un état essentiellement nodulaire, mais en conséquence une amélioration notable des propriétés mé- caniques du matériau, qui sont nettement supérieures aux valeurs normales et même à la fonte supérieure, une dureté Brinell inférieure et une meil- leure faculté d'usinage.
Aucune publication n'a indiqué non plus que, con- jointement à ces propriétés, cette fonte présente une durée à l'état fluide notablement accrue et une meilleure aptitude à la coulée. 11 n'a pas été indiqué auparavant non plus que le lithium, contrairement aux autres agents donnant une fonte nodulaire tels que le cérium et le magnésium, peut être utilisé pour la transformation du graphite en nodules en présence d'une quantité de soufre supérieure à 0,005-0,08%.
Malgré les particularités nouvelles distinctes des fontes se- lon l'invention, on comprendra clairement que les structures de graphite a- méliorées et la présence de graphite nodulaire dans la fonte ont fait l'ob- jet d'études multiples dans les ouvrages et publications techniques au cours des dernières décades. Comme on le sait, la production de fonte nodu- laire par traitement thermique d'une fonte blanche a longtemps formé la ba- se d'un procédé de fabrication de la fonte malléable.
Pour permettre une meilleure compréhension de l'invention et du mécanisme de la transformation du graphite, on considèrera une brève é- tude de la forme du graphite et de ses effets sur les propriétés physiques de la fonte grise.
Mécanisme de la formation du graphite dans la fonte
Dans la fonte à haute teneur en carbone (hypereutectique des grains de graphite microscopiques peuvent exister dans la fonte à l'état de fusion. Lorsque tel est le cas, ces inclusions de graphite agissent com- me noyaux ou germes favorisant la croissance de lamelles importantes de graphite au cours du refroidissement de la fonte.
L'élément dénommé "lamel- le ou paillette de graphite" n'est pas un bâtonnet incurvé et aminci comme le montre une micrographie; il a plut&la forme d'une cuvette repliée ou d'une lentille irrégulièreo
Lorsqu'il n'existe pas de graphite présent à l'état libre (état hypoeutectique) l'austénite primaire ou solution solide de carbone dans la fonte se cristallise sous la forme de dendrites qui continuent à croître lorsque la température s'abaisse jusqu'à la température eutectique.
La solidification commence à 12100 C et se poursuit jusqu'à 1150 C, moment auquel la solidification est,complétée
Lorsque la fonte atteint la température de 1150 C, elle ne se solidifie pas immédiatement, mais sur un certain laps de temps. Toute l'aus- ténite primaire se solidifie sous la forme d'un pin entre les interstices duquel demeure du liquide eutectique. Les lamelles ou paillettes de graphite ne commencent à se former qu'au moment où le matériau eutectique demeurant entre les branches commence à se solidifier.
Dès que l'eutectique est entiè- rement solide, la formation des lamelles est sensiblement achevée, mais el- les continuent à croître ou demeurent telles selon que l'on réduit ou qu'on augmente la vitesse de refroidissemento
Dans certaines conditions, les fontes ayant des caractéristiques particulières présentent le graphite sous une structure prédominante qui en détermine d'une fagon générale les propriétés mécaniques. On comprendra tou- tefois que le graphite marne dans les fontes ordinaires à forte teneur en car- bone n'est pas toujours présent sous une forme particulière.
En réalité, le graphite prend diverses formes, et celles-ci sont parfois les suivantes : -
<Desc/Clms Page number 4>
1 - Massive
2 - Lamellaire
3 - Distribué au hasard
4 - En rosette
5 - Intergranulaire
6 - Eutectiforme
7 - Interdendritique
8 - Nodulaire
9 - En sphéruleso
11 est rare qu'une fonte quelconque ne renferme que l'une de ces formesoLe plus souvent, deux ou même plusieurs types co-existent dans la même fonteo
Les allusions ci-dessous au graphite nodulaire signifient que le graphite s'est déposé à partir d'une fonte pendant ou immédiatement après la solidification et sans être soumis à l'influence d'un traitement thermi- que ultérieur,
d'une manière telle qu'il prend une forme ronde ou semi-ronde avec une surface relativement faible par rapport au volume contrairement à ce qui est le cas pour le graphite en lamelles plus habituel et dont le rapport entre la surface et le volume est élevée Ce graphite nodulaire peut être géométriquement bien défini par une structure radiale interne (souvent dénommée sphérulitique), ou bien il peut se présenter sous la forme d'un agrégat de particules étroitement associées pour former un seul nodule rond irréguliero
La fonte grise faisant l'objet de l'invention a d'une fagon gé- nérale une forme quasi-lamellaire, c'est-à-dire qu'elle renferme deux t'or- mes de graphite, une partie importante étant sous forme nodulaire, le reste étant du graphite mixte nodulaire et en lamelles incurvéeso
Les facteurs principaux déterminant la forme du graphite sont g -
1 )
La composition
2 ) La vitesse de refroidissemento
Toutefois, il est rare que le graphite se présentant sous une forme quelconque soit du carbone puro Il est presque toujours contaminé par une substance étrangère, gazeuse ou solide. Les impuretés habituelles sont des silicates, des sulfures, etc... Par suite, la pureté de la fonte a une influence vitale à la fois sur la forme du graphite et sur les caractéris- tiques physiques de la fonte elle-même,
En ce qui concerne la vitesse de refroidissement, on sait qu'en général plus la vitesse de refroidissement est élevée, moins le graphite a la faculté de croître et plus les particules de graphites sont fines, tou- tes les autres conditions demeurant inchangées.
On sait aussi que la vitesse de refroidissement n'est pas seule- ment déterminée par les dimensions de la section ou le type de moule, mais également à la fois par la constitution et la composition de la fonteo C'est ce dernier point, connu depuis longtemps mais dont l'importance a échappé aux techniciens, qui a rendu le sujet si obscur pendant longtemps et rendu le contrôle de la cristallisation du graphite si difficile à comprendre.
Dans tous les systèmes métastables (auxquels appartient le sys- tème fer-carbone) le processus de solidification nécessite un certain temps pour sa mise en route. Mais si l'on accélère le refroidissement, soit par des additions chimiques, par surchauffe, soit en accélérant la solidifca- tion, on peut atteindre une température inférieure à celle de solidification avant que celle-ci ne commence réellement.Ce phénomène est dénommé "usrfu- sion"oL'amplitude ou le degré de surfusion ou de sur-refroidissement varie
<Desc/Clms Page number 5>
selon les types de métaux et d'alliages* Dans le cas d'alliages ayant une composition eutectique, cette surfusion peut déplacer la composition eu- tectique dans l'un ou l'autre sens,
mais en l'écartant de la composition réelle de l'alliage considérée Ceci est particulièrement vrai des fontes à haute teneur en carbone et silicium,,
Selon une particularité de ces fontes, l'évacuation continue de la chaleur et l'abaissement de température de la masse en fusion a pour con- séquence un abaissement continu de l'amplitude et de la rapidité de vibration des molécules de fonte liquide, jusqu'à ce que, à la température de solidi- fication, les molécules "tombent" à des positions relativement fixes l'une par rapport à l'autre. Ces positions pourraient peut-être être mieux déno mées centres d'oscillation car, bien que le déplacement alternatif au ha- sard des molécules caractérisant les états de vapeur et liquide ait dispa- ru,
tout mouvement des molécules n'a pas encore cessé et se poursuit sur toute la gamme de température allant de 1210 à 1150 C, et même après la solidification. Il est simplement réduit à une oscillation autour d'un point fixée
Il n'est pas difficile de comprendre, par suite, que si la fon- te liquide tombe en dessous de son point de solidification vrai avant que des cristaux n'apparaissent et si la graphitisation se produit pendant la surfusion, il peut en résulter une forme de graphite entièrement nouvelle et différente
Si la surfusion est poussée jusquà un point tel qu'il n'y ait pas retour à la graphitisation, la fonte devient alors blanche, c'est-à-dire que la modification critique assurant le dépôt du graphite est supprimée..
Toutefois, si l'on recuit cette fonte blanche vers 880 C pendant un laps de temps suffisant, le graphite se précipite sous une forme nodulaire. On obtient alors ce qui est connu sous le nom de fonte malléable.
Effet des germes de nucléation
Outre le phénomène de surfusion, il existe un autre facteur qui influe sur la forme du graphite dans les fontes à savoir ce qu'on peut dé- nommer "effet des germes de nucléation"o
Lorsque des germes sub-microscopiques de silicates, d'oxydes ou de sulfures de manganèse, etc...contaminent le métal en fusion, il n'est pas possible d'assurer une surfusion contrôléeo Il est évident par exemple que la contamination par le soufre est une cause fréquente d'obtention de graphite en grosses lamelleso En réalité, les connaissances concernant leef- fet de germes de nucléation étrangers sur la formation et la structure du graphite sont insuffisantes,
ainsi que celles concernant l'effet des gaz dissous et des réactions chimiques se produisant dans la fonte en fusion pendant la solidification.
Etant donné que toute solution et tout dépôt de cristaux néces- sitent un certain temps, la vitesse d'abaissement de la température va affec- ter de façon évidente le degré de dépôt de carbone et celui de surfusion et de supersaturation obtenuso En général, une condition de supersaturation est amenée par un refroidissement rapide, cette saturation pouvant être écartée par la fixation du carbone sous forme de carbure de fer
Lorsque les germes de nucléation sont présents en excès, la ten- dance va être de séparer le graphite de l'état de solution à un moment pré- coce au cours du cycle de solidification, en réduisant ainsi la surfusiono
Toutefois, que la fonte soit à l'état hypoeutectique ou hypereu- tectique, qu'elle soit pure ou impure,
quelle soit soumise à un traitement de nucléation (graphitisation), qu'elle soit refroidie lentement ou rapi- dement, et qu'elle soit soumise ou non à un traitement assurant la forma- tion de'graphite nodulaire, elle doit se solidifier sur une vaste gamme de températureso Par suite, le mécanisme de la formation de graphite est tou- jours complexe, et il est rarement possible de produire un moulage en fonte dans lequel le graphite se présente uniquement sous l'une des formes consi- dérées plus haute
<Desc/Clms Page number 6>
Le degré d'apparition des autres formes de graphite est souvent aggravé par la forme du moulage lui-même, en particulier dans le cas de for- mes complexes qui engendrent des zones chaudes et dans les formes ayant des sections nettement différentes,
Il n'est donc pas dans l'esprit de l'invention de produire un seul type particulier de graphite, non plus que d'obtenir des nodules de graphite entièrement sphérulitiques et formés d'un agrégat de cristallites de graphite rayonnant à partir d'un centre ou germe de nucléation commun.
En fait, un grand nombre d'éléments dénommés sphérulites sont réellement des nodules,c'est-à-dire que ce sont des agrégats de graphite ayant une forme plus ou moins sphérique ou ovale. Cela n'a toutefois pas une importance primordiale, car les recherches dont il a déjà été parlé ont montré qu'en ce qui concerne les propriétés physiques définitives et la tenue du moulage ils ont d'une façon générale le même effeto
Le but de l'invention est par suite d'améliorer la structure du graphite de manière à lui conférer des propriétés mécaniques et une te- nue technique nettement supérieures à la même fonte non traitée avec du li- thium ou un alliage renfermant du lithium.
LITHIUM.
Le métal lithium a un point de fusion de 186 C et un point d'é- bullition de 1336 C Son point d'ébullition élevé lui donne avantage sur la plupart des autres agents de stabilisation du métacarbure, en ce sens que son introduction dans le métal en fusion est plus saine, qu'il ne donne pas lieu à des explosions et à des effets pyrotechniques, et qu'il est d'un con- trôle plus positif,, On peut introduire le lithium dans la fonte en fusion tel qu'il se présente mais il doit être protégé de l'atmosphère, de préférence dans des enveloppes hermétiques en cuivre, fer ou nickel, car il réagit avec l'a- zote de l'airo
On peut d'ailleurs utiliser les alliages de lithium avec plus d'avantages encore que le lithium métallique.
Les méthodes les plus judi- cieuses de produire des alliages de lithium sont
1 - De le fondre et de le mélanger avec les métaux constitutifs.
2 - De déposer par électrolyse le lithium sur ou dans les autres métaux de l'alliage.
3 - De co-déposer le lithium avec les autres constituants de l'alliage,
Le lithium s'allie aisément lorsqu'on l'ajoute à du cadmium, de l'aluminium, du plomb ou du zinc en fusion, et à du bismuth, du magnésium, du silicium, du cuivre ou du nickel. Le point de fusion de l'alliage aug- mente habituellement avec une teneur croissante en lithium.
Suivant un mode préféré de mise en oeuvre de l'invention on a- joute le lithium sous la forme d'un alliage avec l'un des métaux alcalins ou alcalino-terreux suivants -. calcium, baryum, strontium, magnésium, cé- rium, sodium ou potassium en une quantité telle que la fonte coulée renfer- me de 0, 001 à 0.1% de lithium et de 0,001 à 0.2% de métaux alcalins ou al- calino-terreuxo
Pour obtenir ces alliages de lithium, il est préférable de dé- poser par électrolyse le lithium conjointement avec le métal alcalin ou al- calino-terreux à partir d'un bain en fusion renfermant le lithium et des ha- logénures alcalins ou alcalino-tereux Dans le cas de certains métaux al- calino-terreux (par exemple de calcium) il n'existe qu'une seule opération pour la production d'alliages,
lithium-calcium. On peut manipuler aisément les alliages lithium-calcium, lithium baryum, lithium-strontium ou lithium- magnésiumo Le lithium allié au sodium ou au potassium réagit violemment
<Desc/Clms Page number 7>
avec l'humidité, l'oxygène et l'anhydride carbonique présents dans l'air.
Dans la pratique réelle, on utilise du lithium métallique con- tenu dans des enveloppes en cuivre, ainsi que du lithium allié au silicium et au manganèse, du lithium allié au calcium et au magnésium, du lithium allié au magnésium et du lithium allié au nickel et au magnésiumo
Les alliages de lithium et de magnésium se révèlent d'une im- portance particulièreo On a proposé déjà d'ajouter du magnésium suivi d'un agent graphitisant à la fonte en fusion, de manière à convertir la plus grande partie du graphite dans la fonte coulée pour lui donner une micro- structure nodulaire.
Les dangers pyrotechniques d'adjonction du magnésium à la fonte en fusion sont considérables, car le magnésium a un point de fusion de 6709 C mais un point d'ébullition d'environ 1120 C, et va par suite brûler violemment si on s'efforce de l'ajouter à de la fonte en fu- siono
Le lithium a un effet d'apaisement remarquable sur le magné- sium, même lorsqu'il est incorporé en des pourcentages ne dépassant pas 3% dans un alliage magnésium-lithium. L'alliage peut être utilisé avec les valeurs extrêmes opposées de 97% de lithium et de 3% de magnésium.
On peut attendre un effet dapaisement, mais l'effet remarquable du lithium sur le magnésium met à part cet alliage particulière En outre, l'effet de l'allia- ge lithium-magnésium sur la fonte en fusion est surprenanto On peut ajou- ter cet alliage en faible quantité et obtenir un effet beaucoup plus im- portant que l'on en attendrait d'une addition beaucoup plus importanteo
L'alliage lithium-magnésium est de préférence tel que, dans la fonte coulée, le rapport en poids de lithium au magnésium soit compris entre 1/3 et 1/30, et de préférence tel que la fonte coulée renferme de 0,001 à 0,05% de lithium et pas plus de 0,2% de magnésium.
Il est désira- ble que la fonte coulée renferme au moins 0,04% de magnésiumo
Un autre.avantage apparent réside dans le fait qu'il n'existe pas de limite de temps critique pour la coulée du moulage après 1"addition de ce nouvel alliageo Des recherches ont montré qu'après inoculation avec du magnésium seul, le moulage doit être coulé en moins de trois minutes.
Ceci n'est pas le cas avec une fonte traitée par un alliage lithium-magné- siumo On peut utiliser alors une durée de coulée normale.
En outre, à cause de l'effet apaisant du lithium sur le magné- sium et de l'effet réciproque des deux métaux, les résultats désirés sur les propriétés physiques sont obtenus avec une addition d'alliage total considérablement plus réduiteo
Dans la pratique et avant l'invention, aucune suggestion prati- que n'avait été faite sur la manière d'ajouter un pourcentage calculé de magnésium et de le mainteniro Des recherches ont montré que la plupart du magnésium présent dans l'alliage selon linvention est retenu dans la masse en fusion, et les pourcentages peuvent par suite être calculés avant l'ad- ditiono
On décrira maintenant trois exemples de modes de mise en oeuvre de l'invention en se reportant aux dessins annexés sur lesquels ;
La figo 1 est une micrographie avec un grossissement égal à 250 d'une section à travers un moulage en fonte telle que décrite dans l'exemple 1.
La figo 2 est une micrographie du même moulage avec un grossis- . sement égal à 20000
La fig. 3 est une micrographie avec un grossissement de 250 d'une section dans un moulage en fonte telle que décrite dans l'exemple 2
<Desc/Clms Page number 8>
Exemple 1 Essai N 1 Fonte grise renfermant g T.C. 3,76
Si 2,39 Mn 0,93
S 0,025
P 0,17 le reste étant formé sensiblement par du fero
On fond cette fonte dans un four électrique.
On ajoute à la fon- te en fusion g 0,5$ de lithium métallique dans des enveloppes de cuivre, puis 0,4% de silicium (sous forme de ferro=silicium)
Résultats des essais
EMI8.1
<tb> Résistance <SEP> Résistance <SEP> Dureté
<tb>
<tb>
<tb> à <SEP> la <SEP> traction <SEP> transversale <SEP> Déformation <SEP> Brinell
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> kg/cm2 <SEP> en <SEP> kg
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> avant <SEP> 1610 <SEP> 950 <SEP> 0,28 <SEP> 187
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> après <SEP> 3570 <SEP> 1440 <SEP> 0,28 <SEP> 255
<tb>
Structure du graphite quasi-lamellaire et nodulaire.
Essai N 2
Même masse de fusion à l'origine 1% de lithium métallique dans des enveloppes en cuivre puis 0,3% de sili- cium (sous forme de ferro-silicium).
Résultats des essais
EMI8.2
<tb> Résistance <SEP> Résistance <SEP> Dureté
<tb> à <SEP> la <SEP> traction <SEP> transversale <SEP> Déformation <SEP> Brinell
<tb>
<tb> kg/cm2 <SEP> en <SEP> kg
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> avant <SEP> 1610 <SEP> 950 <SEP> 0, <SEP> 28 <SEP> 187
<tb>
<tb>
<tb> après <SEP> 5110 <SEP> 2310 <SEP> 0,41 <SEP> 255
<tb>
Structure du graphite entièrement nodulaire. Voir les Figso 1 et 2 des dessins.
On note dans chaque cas que la fonte traitée est exceptionnelle en ce qui concerne sa fluidité et sa clarté,.tout à fait supérieure et dif- férente de celle résultant du traitement au magnésium ou au cérium. On re- marquera la fluidité résultant de ce traitement. Ce métal va remplir des sections et cavités extrêmement petites qui seraient autrement non complète- ment remplies par la fonte non traitée,
Par suite du coût et des difficultés de manipulation du lithium métallique et à cause des essais cités plus haut, on introduit le lithium dans la fonte en fusion dans des enveloppes en cuivre, ce qui a pour consé- quence une action retardée et l'introduction de quantités excessives de cuivre dans la fonte finale. On effectue d'autres essais en utilisant des alliages de lithium.
Exemple ¯2 : Cet exemple montre les résultats dressais obtenus en utilisant un alliage renfermant 40% de lithium et 60% de magnésium.
<Desc/Clms Page number 9>
La fonte traitée renferme T.C 3,7
Si 2,2
Mn 0,8
S 0,064
P 0,08 le reste étant formé sensiblement par du fer. On fond cette fonte dans un cubilot ayant un diamètre de 1 mètre environ.
On en prélève trois poches. On ajoute à l'une 1,375% d'allia- ge, à l'autre 0,875% et à la troisième 0,625% On ajoute l'alliage sous for- me de morceaux (d'environ 5 x 3,7 cm) directement à la surface de chaque po- che
Lorsqu'on ajoute l'alliage, on place un couvercle sur la poche et lorsque l'action cesse on effectue les additions de ferre=silicium (90% de silicium).Le métal est agité jusqu'à ce que Inaction cesse et on coule les barres et moulages pour les essaiso
L'action est différente de celle des alliages renfermant du ma- gnésium Elle est calme et suffisamment lente pour contrôler les modifica-. tions physiques.
La quantité de scories produite est excessivement faible et le métal final beaucoup plus fluide que cela n'est normal avec de la fonte nodulaire ordinaireo Les résultats des essais sont indiqués ci-des- sous :
EMI9.1
<tb> Essaie <SEP> 1 <SEP> 2 <SEP> 3
<tb>
<tb> Quantité <SEP> d'alliage
<tb> ajoutée <SEP> 1,375% <SEP> 0,875% <SEP> 0,625%
<tb> Silicium <SEP> ajouté <SEP> 0,5% <SEP> 0,5% <SEP> 0,5%
<tb> Microstructure <SEP> dans <SEP> un <SEP> entièrement <SEP> .
<SEP> nodulaire
<tb> échantillon <SEP> de <SEP> 25 <SEP> mm, <SEP> nodulaire <SEP> avec <SEP> traces <SEP> Lamellaire
<tb> type <SEP> du <SEP> graphite <SEP> de <SEP> lamelles
<tb> Garnone <SEP> -total <SEP> 3965 <SEP> 3,62 <SEP> 3,55
<tb> Silicium <SEP> 2,2 <SEP> 2,19 <SEP> 2,11
<tb> Manganèse <SEP> 0,78 <SEP> 0,72 <SEP> 0,70
<tb> Soufre <SEP> avant <SEP> 0,064 <SEP> 0,075 <SEP> 0,075
<tb> Soufre <SEP> après <SEP> 0,029 <SEP> 0,047 <SEP> Résistance <SEP> transversale <SEP> 2500 <SEP> kg <SEP> 2220 <SEP> kg <SEP> 1138 <SEP> kg
<tb> Déformation <SEP> 0,42% <SEP> 0,51% <SEP> 0,33$
<tb> Résistance <SEP> à <SEP> la
<tb> traction <SEP> kg/cm2 <SEP> 5390 <SEP> 5040 <SEP> 1610
<tb> Dureté <SEP> Brinell <SEP> 241 <SEP> 241 <SEP> 187
<tb>
On remarquera que leeffet de carbure nest pas obtenu avec des additions d'alliage inférieures à 0,
625%
Des recherches ont montré également grâce à ces essais et à d'autres qu'avec une teneur en soufre allant de 0,06 à 0,08% par rapport au métal de base, au moins 0,875% de eet alliage est nécessaire pour provoquer la formation en noduleso Une particularité frappante de ces essais réside dans le fait quon peut obtenir une formation totale de nodules avec moins
<Desc/Clms Page number 10>
de 0,04% demagnésium résiduel et moins de 0,15% de lithium en présence de soufre résiduel en une quantité de 0,047% Voir la fige 3 des dessins.
Exemple 3 On utilise un,alliage de 15% de lithium et 85% de magnésiumo
On traite une fonte contenant : T.C 3,7
Si 2,2 Mn . 0,8
S 0,064
P 0,08 le reste étant formé sensiblement de fer, et on la fond dans un cubilot de 1 mètre de diamètre environo
On prélève quatre poches. On ajoute à l'une 1,33% d'alliage, à la seconde 0,875%, à la troisième 0,625% età la quatrième 0,375%'=. On ajou- te l'alliage en morceaux directement à la surface de chaque poche..
Lorsqu'on ajoute l'alliage, on place un couvercle sur les po- ches et lorsque l'action cesse, on effectue les additions de ferro-sili- cium (90% de Si). Le métal est agité jusqu'à ce que toute action cesse et on coule alors les barres et moulages d'essais.
L'action est différente de celle des alliages renfermant du magnésium. Elle est calme et suffisamment lente pour contrôler les modi- fications physiqueso La quantité de scories produite est excessivement ré- duite et le métal final est beaucoup plus fluide que cela n'est normal pour la fonte nodulaire ordinaire,.
Les résultats des essais sont indiqués ci- dessous s
EMI10.1
<tb> Essai <SEP> N <SEP> 1 <SEP> 2 <SEP> 3 <SEP> 4
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Quantité <SEP> d'alliage <SEP> 1,33$ <SEP> 0,875$ <SEP> 0,625% <SEP> 0,375%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> ajoutée
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Silicium <SEP> ajouté <SEP> 0,5% <SEP> 0,5% <SEP> 0,5% <SEP> 0.5%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Type <SEP> de <SEP> graphite;
<SEP> micro- <SEP> entière- <SEP> nodulaire <SEP> lamel- <SEP> lamel-
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> structure <SEP> dans <SEP> un <SEP> ment <SEP> no- <SEP> avec <SEP> traces <SEP> les <SEP> les
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Echantillon <SEP> de <SEP> 25 <SEP> mm <SEP> dulaire <SEP> de <SEP> lamelles
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Carbone <SEP> total <SEP> 3,6 <SEP> 3,52 <SEP> 3,5 <SEP> 3,51
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Silicium <SEP> 2,2 <SEP> 2,19 <SEP> 2,19 <SEP> 2,19
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Manganèse <SEP> 0,78 <SEP> 0,68 <SEP> 0,68 <SEP> 0,64
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Soufre <SEP> avant <SEP> 0,064 <SEP> 0,075 <SEP> 0,075 <SEP> 0,075
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Soufre <SEP> après <SEP> 0,034 <SEP> 0,040 <SEP> 0,040 <SEP> -
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Résistance <SEP> transversale <SEP> 2670 <SEP> kg <SEP> 2590 <SEP> kg <SEP> 950 <SEP> kg <SEP> 1100 <SEP> kg
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Déformation <SEP> 0,6% <SEP> 0,
68% <SEP> 0,2% <SEP> 0,28%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Résistance <SEP> à <SEP> la <SEP> trac-
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> tion <SEP> kg/cm2 <SEP> 5460 <SEP> 5880 <SEP> 1680 <SEP> 1470
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Dureté <SEP> Brinell <SEP> 201 <SEP> 228 <SEP> 176 <SEP> 176
<tb>
Des recherches ont montré également grâce à ces essais et à d'autres qu'avec une teneur en soufre de 0,06 à 0,08% par rapport au métal de base, au moins 0,875% de cet alliage est nécessaire pour provoquer la formation de nodules.
Une particularité frappante de ces divers,essais
<Desc/Clms Page number 11>
réside dans le fait qu'on obtient une formation totale de nodules avec moins de 0,04% de magnésium résiduel et moins de 0,15% de lithium en pré-
EMI11.1
sence d'une teneur en soufre résiduel s1'élevant à 004%'=,
On peut choisir par une série d'expériences d'autres alliages renfermant du lithium et indiqués ci-dessous, ces expériences étant effec- tuées dans le cadre des recherches ayant abouti à linventiono
Le tableau ci-dessous montre la composition approximative de certains alliages renfermant du lithium et pouvant être utilisés comme a-
EMI11.2
gents d'addition pour permettre-olintroduction du lithium dans le bain en fusion avec les quantités requises selon l'invention :
EMI11.3
Alliage N %Li %Mn %Ou %Mg %'0 a %Ni %Si
EMI11.4
<tb> 1 <SEP> 20 <SEP> 20 <SEP> 60 <SEP> == <SEP> == <SEP> == <SEP> #
<tb>
EMI11.5
2 - 15 35 50 == = ,;,;".
3 10 .,:f.#f:= . 80 10 ="" == :,,,""
EMI11.6
<tb> 4 <SEP> 20 <SEP> '==' <SEP> == <SEP> 40 <SEP> 40 <SEP> # <SEP> #
<tb>
<tb> 5 <SEP> 20 <SEP> == <SEP> == <SEP> == <SEP> 80 <SEP> == <SEP> ==
<tb>
<tb> 6 <SEP> 40 <SEP> # <SEP> # <SEP> 60 <SEP> # <SEP> # <SEP> #
<tb>
<tb> 7 <SEP> 40 <SEP> == <SEP> == <SEP> 30 <SEP> ' <SEP> 30 <SEP> # <SEP> #
<tb>
EMI11.7
8 20 == == ==: == 80 == $.
EMI11.8
<tb>
9 <SEP> 20 <SEP> == <SEP> == <SEP> 10 <SEP> # <SEP> 70 <SEP> #
<tb>
<tb> 10 <SEP> 20 <SEP> == <SEP> == <SEP> 20 <SEP> 30 <SEP> 30
<tb>
D'autres combinaisons sont possibles et le tableau ci-dessus en donne une idée généraleo On peut introduire l'alliage en morceaux ou sous forme granulaireo
On peut l'introduire en l'ajoutant à la surface de la poche de coulée comme indiqué plus haut ou bien un mélangeur mécanique peut être u- tilisé dans le courant de métal s'coulant du four ou dans la poche.
<Desc / Clms Page number 1>
GRAY .AU -LITHIUM CAST IRON AND ITS FABRIDCATOIN PROCESS
The present invention relates to improvements made to gray iron and its manufacture.
The gray iron which is treated according to the invention can be of the hypoeutectic or hypereutectic type, that is to say it can be a cast iron in which the uncombined carbon appears in the form of lamellae outside of its casting in sand This gray cast iron is characterized by the fact that it is more or less resistant and brittle and has undetermined technical properties.
The unsatisfactory mechanical properties of ordinary gray iron are attributed to the presence of large graphite flakes which can occupy 8 to 12% of the volume of the casting and fragment the die to a great extent. in the same way as wood chips would do in a mass ... of concrete if they were mixed in some way.
A large number of attempts have been made to improve the 'properties' of gray iron by treatment with metals such as magnesium and cerium. But the research which led to the invention has shown that by a simple treatment with lithium or an alloy containing lithium in the jet or in the pocket, the mode of presentation or formation of graphite lamellae in this cast iron gray can be advantageously modified to improve both its moldability and its physical properties.
The invention relates to a gray cast iron (alloyed or not) containing lithium,
with or without the presence of another alkali or alkaline earth metal in proportions such that the greater part of the graphite of this cast iron is present in said cast iron when cast with a nodular microstructure ,,
<Desc / Clms Page number 2>
The invention is also embodied in a process for manufacturing a gray cast iron (alloyed or not) consisting in melting a cast iron which, on casting, gives a gray break, in adding lithium (with or without other alkali or alkaline earth metal) to the molten iron, in an amount sufficient so that the major part of the graphite of the iron once cast has a .nodular microstructure, to add a graphitizing agent and to carry out the casting.
The invention offers the following advantages; -
1. It enables the production of gray iron having improved fluid life and castability for the production of sound homogeneous castings.
2. It provides gray cast iron with improved mechanical and physical properties even with relatively low or relatively high carbon content.
3. It gives the possibility of improving the mechanical and physical properties of a cast iron which is in itself impure, without taking into account the total elimination of sulfur, although lithium is in itself an agent which acts in a to some extent as a desulfurization and graphite stabilizer.
4. It makes it possible to improve the structure of the graphite, so as to provide mechanical properties and a technical resistance clearly superior to those of the same cast iron which has not been treated with lithium or with an alloy containing lithium.
The research mentioned above has also shown that lithium has a definite effect on gray iron and tends to make it white.
Thus, a molten gray iron containing lithium will usually give castings having a structure indicative of cementite unless the graphitization is effected after the lithium processing. Graphitization of the lithium-containing melt shortly before casting is an important feature of the invention and effectively prevents the formation of the aforementioned carbide indicator structure. The graphitization treatment is preferably carried out shortly after the lithium treatment, but it can also be carried out simultaneously with the latter and a little before the casting of the iron.
Among the graphitizing agents which can be used, mention will be made of ferro-silicon, silicon-manganese-zirconium, calcium-silicon, nickel-silicon and aluminum-calcium-silicon. The improved, lithium-containing gray iron according to the invention will generally contain from 2.2 to 4.5% carbon. The silicon content of the gray iron according to the invention can vary between 1 and 6%, and preferably between 1.5 and 3.5%. The sulfur content is irrelevant, in the sense that one can easily take into account sulfur contents exceeding 0.08% by a usual desulfurization treatment, while the metal containing 0.005 to 0.08% sulfur can be satisfactorily treated with lithium.
The phosphorus content can be any desired value, depending on the subsequent use assigned to the molding. If a certain ductility is to be obtained without annealing or without any heat treatment, then it is important that the phosphorus content is less than 0.07%. Ductility is not always a necessary property for nodular iron castings. But, when it is necessary to obtain determined or increased impact resistance properties as well as greater tensile strengths, it is important that the phosphorus content be less than 0.07%. use such that it is desirable to obtain a eutectic phosphide network, as in certain moldings to make the bearings or bearings, the phosphorus content can then reach 1%.
Gray cast irons can contain the usual amounts of alloying elements such as nickel, copper, molybdenum, chromium and manganese. Nickel can be present in amounts up to 40%, molybdenum in amounts up to 2%, copper in amounts up to 5%, manganese in amounts up to 2% and chromium in amounts up to 2%.
As far as he
<Desc / Clms Page number 3>
is known, no information has been published and no discovery made regarding the fact that lithium increases the resistance of gray iron beyond the value ui is considered normal for gray iron, that is ie 2240 kg / cm2, and no information has been published showing that lithium not only produces a change in the shape of graphite from a lamellar state to a predominantly nodular state, but consequently a noticeable improvement in the material's mechanical properties, which are significantly higher than normal values and even at superior cast iron, lower Brinell hardness and better machinability.
Neither has any publication indicated that, together with these properties, this cast iron exhibits significantly increased fluid life and better castability. It has also not been previously stated that lithium, unlike other nodular melting agents such as cerium and magnesium, can be used for the transformation of graphite into nodules in the presence of a quantity of sulfur greater than. 0.005-0.08%.
Despite the new distinct features of the cast irons according to the invention, it will be clearly understood that the improved graphite structures and the presence of nodular graphite in the cast iron have been the subject of multiple studies in the books and publications. techniques during the last decades. As is known, the production of nodular iron by heat treatment of white iron has long formed the basis of a process for the manufacture of malleable iron.
To provide a better understanding of the invention and of the mechanism of the transformation of graphite, a brief discussion of the shape of graphite and its effects on the physical properties of gray iron will be considered.
Mechanism of graphite formation in cast iron
In high carbon cast iron (hypereutectic microscopic graphite grains may exist in molten cast iron. When this is the case, these graphite inclusions act as nuclei or seeds promoting the growth of large lamellae. of graphite during cooling of the cast iron.
The so-called "graphite lamel or flake" is not a curved and thinned rod as shown in a micrograph; it rained in the shape of a folded bowl or an irregular lens.
When there is no graphite present in the free state (hypoeutectic state) the primary austenite or solid solution of carbon in the cast iron crystallizes in the form of dendrites which continue to grow when the temperature drops to at the eutectic temperature.
Solidification begins at 12100 C and continues up to 1150 C, at which point solidification is complete.
When the cast iron reaches the temperature of 1150 C, it does not solidify immediately, but over a period of time. All of the primary austenite solidifies in the form of a pine tree between the interstices of which eutectic liquid remains. The graphite flakes or flakes do not begin to form until the eutectic material remaining between the branches begins to solidify.
As soon as the eutectic is completely solid, the formation of the lamellae is substantially complete, but they continue to grow or remain as such depending on whether the cooling rate is reduced or increased.
Under certain conditions, cast irons with particular characteristics exhibit graphite under a predominant structure which generally determines its mechanical properties. It will be understood, however, that the marl graphite in ordinary high carbon cast irons is not always present in a particular form.
In reality, graphite takes various forms, and sometimes these are as follows: -
<Desc / Clms Page number 4>
1 - Massive
2 - Lamellar
3 - Distributed at random
4 - In rosette
5 - Intergranular
6 - Eutectiforme
7 - Interdendritic
8 - Nodular
9 - In spherules
It is rare for any font to contain only one of these shapes. Most often, two or even more types co-exist in the same font.
The allusions below to nodular graphite mean that the graphite has settled from a cast iron during or immediately after solidification and without being subjected to the influence of subsequent heat treatment,
in such a way that it takes a round or semi-round shape with a relatively small surface area compared to the volume unlike the more usual flake graphite and whose ratio between the surface and the volume is high This nodular graphite can be geometrically well defined by an internal radial structure (often referred to as spherulitic), or it can occur as an aggregate of closely related particles to form a single round irregular nodule.
The gray cast iron which is the subject of the invention generally has a quasi-lamellar shape, that is to say that it contains two types of graphite, an important part being under nodular shape, the remainder being mixed nodular and curved lamellae graphite
The main factors determining the shape of graphite are g -
1)
The composition
2) The cooling speed
However, it is rare for graphite in any form to be pure carbon. It is almost always contaminated with a foreign substance, gaseous or solid. The usual impurities are silicates, sulphides, etc. Hence, the purity of the cast iron has a vital influence both on the shape of the graphite and on the physical characteristics of the cast iron itself,
With regard to the cooling rate, it is generally known that the higher the cooling rate, the less the graphite has the ability to grow and the finer the graphite particles, all other conditions remaining unchanged.
We also know that the cooling rate is not only determined by the dimensions of the section or the type of mold, but also both by the constitution and the composition of the fonteo. It is this last point, known for a long time but whose importance escaped technicians, which made the subject so obscure for a long time and made the control of the crystallization of graphite so difficult to understand.
In all metastable systems (to which the iron-carbon system belongs) the solidification process requires a certain time to start. But if we accelerate the cooling, either by chemical additions, by overheating, or by accelerating the solidification, we can reach a temperature lower than that of solidification before it actually begins. This phenomenon is called " usrfu- sion "o The amplitude or degree of supercooling or supercooling varies
<Desc / Clms Page number 5>
depending on the types of metals and alloys * In the case of alloys having a eutectic composition, this supercooling can displace the eutectic composition in one or the other direction,
but by setting it aside from the actual composition of the alloy considered This is particularly true of cast irons with a high carbon and silicon content,
According to a particularity of these cast irons, the continuous evacuation of heat and the lowering of the temperature of the molten mass results in a continuous lowering of the amplitude and of the speed of vibration of the molten molten molecules, up to that, at the solidifying temperature, the molecules "fall" to relatively fixed positions with respect to each other. These positions could perhaps be better denominated centers of oscillation because, although the alternating displacement at random of the molecules characterizing the vapor and liquid states has disappeared,
all movement of the molecules has not yet ceased and continues over the entire temperature range from 1210 to 1150 C, and even after solidification. It is simply reduced to an oscillation around a fixed point
It is not difficult to understand, therefore, that if the liquid melt falls below its true solidification point before crystals appear, and if graphitization occurs during supercooling, it may result in completely new and different shape of graphite
If the supercooling is pushed to such a point that there is no return to graphitization, then the cast iron becomes white, that is to say the critical modification ensuring the deposition of graphite is removed.
However, if this white iron is annealed at around 880 ° C. for a sufficient period of time, the graphite precipitates in a nodular form. What is known as malleable iron is then obtained.
Effect of nucleation seeds
Besides the supercooling phenomenon, there is another factor which influences the shape of graphite in cast irons, namely what can be called the "nucleation seed effect" o
When submicroscopic seeds of silicates, manganese oxides or sulphides, etc ... contaminate the molten metal, it is not possible to ensure controlled supercooling o It is obvious, for example, that contamination by the sulfur is a frequent cause of obtaining graphite in large flakes o In reality, knowledge concerning the effect of foreign nucleation seeds on the formation and structure of graphite is insufficient,
as well as those concerning the effect of dissolved gases and chemical reactions occurring in molten iron during solidification.
Since any solution and deposition of crystals takes some time, the rate of lowering of the temperature will obviously affect the degree of carbon deposition and the degree of supercooling and supersaturation obtained. supersaturation condition is brought about by rapid cooling, this saturation being able to be removed by the fixation of carbon in the form of iron carbide
When nucleation seeds are present in excess, the tendency will be to separate the graphite from the state of solution at an early time during the solidification cycle, thus reducing supercooling.
However, whether the cast iron is in a hypoeutectic or hypereutectic state, whether it is pure or impure,
whether it is subjected to a nucleation treatment (graphitization), whether it is cooled slowly or rapidly, and whether or not it is subjected or not to a treatment ensuring the formation of nodular graphite, it must solidify on a wide temperature range o As a result, the mechanism of graphite formation is always complex, and it is seldom possible to produce a cast iron casting in which the graphite is present only in one of the forms considered above.
<Desc / Clms Page number 6>
The degree of appearance of other forms of graphite is often aggravated by the shape of the molding itself, especially in the case of complex shapes which generate hot zones and in shapes with markedly different cross sections,
It is therefore not in the spirit of the invention to produce a single particular type of graphite, nor to obtain graphite nodules which are entirely spherulitic and formed from an aggregate of radiating graphite crystallites from a common nucleation center or germ.
In fact, a large number of elements called spherulites are really nodules, that is to say that they are aggregates of graphite having a more or less spherical or oval shape. However, this is not of paramount importance, because the researches which have already been mentioned have shown that with regard to the final physical properties and the holding of the molding they generally have the same effect.
The object of the invention is therefore to improve the structure of graphite so as to give it mechanical properties and a technical tenacity which are clearly superior to the same cast iron not treated with lithium or an alloy containing lithium.
LITHIUM.
The metal lithium has a melting point of 186 C and a boiling point of 1336 C. Its high boiling point gives it an advantage over most other stabilizing agents for metacarbon, in that its introduction into the molten metal is healthier, does not give rise to explosions and pyrotechnic effects, and has a more positive control, Lithium can be introduced into the molten iron such as 'it is present but it must be protected from the atmosphere, preferably in hermetic envelopes of copper, iron or nickel, because it reacts with the nitrogen of the airo
Lithium alloys can also be used with even more advantages than metallic lithium.
The most successful methods of producing lithium alloys are
1 - To melt it and mix it with the constituent metals.
2 - To deposit the lithium by electrolysis on or in the other metals of the alloy.
3 - To co-deposit the lithium with the other constituents of the alloy,
Lithium alloys readily when added to molten cadmium, aluminum, lead or zinc, and bismuth, magnesium, silicon, copper or nickel. The melting point of the alloy usually increases with increasing lithium content.
According to a preferred embodiment of the invention, lithium is added in the form of an alloy with one of the following alkali or alkaline earth metals -. calcium, barium, strontium, magnesium, cerium, sodium or potassium in an amount such that the cast iron contains 0, 001 to 0.1% lithium and 0.001 to 0.2% alkali or alkaline earth metals.
To obtain these lithium alloys, it is preferable to deposit by electrolysis the lithium together with the alkali or alkaline earth metal from a molten bath containing lithium and alkali or alkaline earth halides. In the case of some alkaline earth metals (eg calcium) there is only one operation for the production of alloys,
lithium-calcium. Lithium-calcium, lithium barium, lithium-strontium or lithium-magnesium alloys can be easily handled. Lithium alloyed with sodium or potassium reacts violently
<Desc / Clms Page number 7>
with humidity, oxygen and carbon dioxide present in the air.
In actual practice, metallic lithium contained in copper casings is used, as well as lithium alloyed with silicon and manganese, lithium alloyed with calcium and magnesium, lithium alloyed with magnesium and lithium alloyed with nickel. and magnesium
The alloys of lithium and magnesium prove to be of particular importance o It has already been proposed to add magnesium followed by a graphitizing agent to the molten iron, so as to convert the greater part of the graphite into the iron. casting to give it a nodular microstructure.
The pyrotechnic dangers of adding magnesium to molten iron are considerable, because magnesium has a melting point of 6709 C but a boiling point of around 1120 C, and will therefore burn violently if one tries add it to fused cast iron
Lithium has a remarkable calming effect on magnesium, even when incorporated in percentages not exceeding 3% in a magnesium-lithium alloy. The alloy can be used with the opposite extreme values of 97% lithium and 3% magnesium.
One can expect a calming effect, but the remarkable effect of lithium on magnesium sets apart this particular alloy. In addition, the effect of lithium-magnesium alloy on molten iron is surprising. this alloy in small quantities and obtain a much greater effect than one would expect from a much larger addition.
The lithium-magnesium alloy is preferably such that, in the cast iron, the lithium to magnesium weight ratio is between 1/3 and 1/30, and preferably such that the cast iron contains 0.001 to 0, 05% lithium and not more than 0.2% magnesium.
It is desirable that the cast iron contains at least 0.04% magnesiumo
Another apparent advantage is that there is no critical time limit for the casting of the casting after the addition of this new alloy. Research has shown that after inoculation with magnesium alone, the casting should. be sunk in less than three minutes.
This is not the case with a cast iron treated with a lithium-magnesium alloy. A normal casting time can then be used.
Furthermore, because of the calming effect of lithium on magnesium and the reciprocal effect of the two metals, the desired results on physical properties are obtained with a considerably lower total alloy addition.
In practice and prior to the invention, no practical suggestion had been made on how to add a calculated percentage of magnesium and maintain it. Research has shown that most of the magnesium present in the alloy according to the invention is retained in the molten mass, and the percentages can therefore be calculated before the additiono
Three examples of embodiments of the invention will now be described with reference to the accompanying drawings in which;
Figure 1 is a micrograph at a magnification equal to 250 of a section through a cast iron casting as described in Example 1.
Figo 2 is a micrograph of the same cast with magnification. sally equal to 20000
Fig. 3 is a micrograph at a magnification of 250 of a section in a cast iron casting as described in Example 2
<Desc / Clms Page number 8>
Example 1 Test N 1 Gray cast iron containing g T.C. 3.76
Si 2.39 Mn 0.93
S 0.025
P 0.17 the remainder being formed substantially by fero
This cast iron is melted in an electric oven.
We add to the molten melt g 0.5 $ of metallic lithium in copper envelopes, then 0.4% of silicon (in the form of ferro = silicon)
Test results
EMI8.1
<tb> Resistance <SEP> Resistance <SEP> Hardness
<tb>
<tb>
<tb> to <SEP> the <SEP> tension <SEP> transverse <SEP> Deformation <SEP> Brinell
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> kg / cm2 <SEP> in <SEP> kg
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> before <SEP> 1610 <SEP> 950 <SEP> 0.28 <SEP> 187
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> after <SEP> 3570 <SEP> 1440 <SEP> 0.28 <SEP> 255
<tb>
Structure of quasi-lamellar and nodular graphite.
Test N 2
Same melting mass, originally 1% metallic lithium in copper envelopes then 0.3% silicon (in the form of ferro-silicon).
Test results
EMI8.2
<tb> Resistance <SEP> Resistance <SEP> Hardness
<tb> to <SEP> the <SEP> tension <SEP> transverse <SEP> Deformation <SEP> Brinell
<tb>
<tb> kg / cm2 <SEP> in <SEP> kg
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> before <SEP> 1610 <SEP> 950 <SEP> 0, <SEP> 28 <SEP> 187
<tb>
<tb>
<tb> after <SEP> 5110 <SEP> 2310 <SEP> 0.41 <SEP> 255
<tb>
Fully nodular graphite structure. See Figs 1 and 2 of the drawings.
It is noted in each case that the cast iron treated is exceptional as regards its fluidity and its clarity, quite superior and different from that resulting from the treatment with magnesium or cerium. Note the fluidity resulting from this treatment. This metal will fill extremely small sections and cavities that would otherwise not be completely filled by untreated cast iron,
Due to the cost and the difficulties of handling metallic lithium and because of the tests mentioned above, the lithium is introduced into the molten iron in copper envelopes, which results in a delayed action and the introduction. excessive amounts of copper in the final melt. Further tests are carried out using lithium alloys.
Example ¯2: This example shows the straightforward results obtained using an alloy containing 40% lithium and 60% magnesium.
<Desc / Clms Page number 9>
The treated cast iron contains T.C 3.7
If 2.2
Mn 0.8
S 0.064
P 0.08 the remainder being formed substantially by iron. This cast iron is melted in a cupola having a diameter of about 1 meter.
Three pockets are removed. Add to one 1.375% alloy, to the other 0.875% and to the third 0.625%. The alloy is added in the form of pieces (about 5 x 3.7 cm) directly to the surface of each pocket
When the alloy is added, a cover is placed on the ladle and when the action ceases the iron additions are made = silicon (90% silicon). The metal is stirred until Inaction ceases and it is poured bars and castings for testing
The action is different from that of alloys containing magnesium. It is calm and slow enough to control changes. physical aspects.
The amount of slag produced is excessively low and the final metal much more fluid than normal with ordinary nodular cast iron. The test results are shown below:
EMI9.1
<tb> Try <SEP> 1 <SEP> 2 <SEP> 3
<tb>
<tb> Quantity <SEP> of alloy
<tb> added <SEP> 1.375% <SEP> 0.875% <SEP> 0.625%
<tb> Silicon <SEP> added <SEP> 0.5% <SEP> 0.5% <SEP> 0.5%
<tb> Microstructure <SEP> in <SEP> a fully <SEP> <SEP>.
<SEP> nodular
<tb> sample <SEP> of <SEP> 25 <SEP> mm, <SEP> nodular <SEP> with <SEP> traces <SEP> Lamellar
<tb> type <SEP> of <SEP> graphite <SEP> of <SEP> lamellas
<tb> Garnone <SEP> -total <SEP> 3965 <SEP> 3.62 <SEP> 3.55
<tb> Silicon <SEP> 2.2 <SEP> 2.19 <SEP> 2.11
<tb> Manganese <SEP> 0.78 <SEP> 0.72 <SEP> 0.70
<tb> Sulfur <SEP> before <SEP> 0.064 <SEP> 0.075 <SEP> 0.075
<tb> Sulfur <SEP> after <SEP> 0.029 <SEP> 0.047 <SEP> Transverse resistance <SEP> <SEP> 2500 <SEP> kg <SEP> 2220 <SEP> kg <SEP> 1138 <SEP> kg
<tb> Deformation <SEP> 0.42% <SEP> 0.51% <SEP> $ 0.33
<tb> Resistance <SEP> to <SEP> the
<tb> traction <SEP> kg / cm2 <SEP> 5390 <SEP> 5040 <SEP> 1610
<tb> Hardness <SEP> Brinell <SEP> 241 <SEP> 241 <SEP> 187
<tb>
Note that the carbide effect is not obtained with alloy additions less than 0,
625%
Research has also shown through these and other tests that with a sulfur content ranging from 0.06 to 0.08% based on the base metal, at least 0.875% of this alloy is required to cause the nodule formation A striking feature of these tests is that a complete nodule formation can be obtained with less
<Desc / Clms Page number 10>
0.04% residual magnesium and less than 0.15% lithium in the presence of residual sulfur in an amount of 0.047% See Fig. 3 of the drawings.
Example 3 An alloy of 15% lithium and 85% magnesium is used.
We treat a cast containing: T.C 3.7
Si 2.2 Mn. 0.8
S 0.064
P 0.08 the remainder being formed substantially of iron, and it is melted in a cupola of approximately 1 meter in diameter.
Four pockets are removed. 1.33% alloy, the second 0.875%, the third 0.625% and the fourth 0.375% '=. The alloy is added in pieces directly to the surface of each pocket.
When the alloy is added, a cover is placed on the bags and when the action ceases, the ferro-silicon additions (90% Si) are made. The metal is stirred until all action ceases and the test bars and castings are then cast.
The action is different from that of alloys containing magnesium. It is quiet and slow enough to control physical changes. The amount of slag produced is excessively small and the final metal is much more fluid than normal for ordinary nodular cast iron.
The test results are shown below s
EMI10.1
<tb> Test <SEP> N <SEP> 1 <SEP> 2 <SEP> 3 <SEP> 4
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Quantity <SEP> of alloy <SEP> $ 1.33 <SEP> $ 0.875 <SEP> 0.625% <SEP> 0.375%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> added
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Silicon <SEP> added <SEP> 0.5% <SEP> 0.5% <SEP> 0.5% <SEP> 0.5%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Type <SEP> of <SEP> graphite;
<SEP> micro- <SEP> integer- <SEP> nodular <SEP> lamel- <SEP> lamel-
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> structure <SEP> in <SEP> a <SEP> ment <SEP> no- <SEP> with <SEP> traces <SEP> the <SEP> the
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Sample <SEP> of <SEP> 25 <SEP> mm <SEP> dular <SEP> of <SEP> coverslips
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Carbon <SEP> total <SEP> 3.6 <SEP> 3.52 <SEP> 3.5 <SEP> 3.51
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Silicon <SEP> 2.2 <SEP> 2.19 <SEP> 2.19 <SEP> 2.19
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Manganese <SEP> 0.78 <SEP> 0.68 <SEP> 0.68 <SEP> 0.64
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Sulfur <SEP> before <SEP> 0.064 <SEP> 0.075 <SEP> 0.075 <SEP> 0.075
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Sulfur <SEP> after <SEP> 0.034 <SEP> 0.040 <SEP> 0.040 <SEP> -
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Transverse resistance <SEP> <SEP> 2670 <SEP> kg <SEP> 2590 <SEP> kg <SEP> 950 <SEP> kg <SEP> 1100 <SEP> kg
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Deformation <SEP> 0.6% <SEP> 0,
68% <SEP> 0.2% <SEP> 0.28%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Resistance <SEP> to <SEP> the <SEP> trac-
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> tion <SEP> kg / cm2 <SEP> 5460 <SEP> 5880 <SEP> 1680 <SEP> 1470
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Hardness <SEP> Brinell <SEP> 201 <SEP> 228 <SEP> 176 <SEP> 176
<tb>
Research has also shown through these and other tests that with a sulfur content of 0.06-0.08% based on the base metal, at least 0.875% of this alloy is required to cause the formation nodules.
A striking peculiarity of these various essays
<Desc / Clms Page number 11>
lies in the fact that a total formation of nodules is obtained with less than 0.04% of residual magnesium and less than 0.15% of lithium in advance.
EMI11.1
sence of a residual sulfur content of 004% =,
Other lithium-containing alloys indicated below can be chosen by a series of experiments, these experiments being carried out within the framework of the research which led to the invention.
The table below shows the approximate composition of some lithium-containing alloys that can be used as a-
EMI11.2
addition agents to allow the introduction of lithium into the molten bath with the quantities required according to the invention:
EMI11.3
Alloy N% Li% Mn% Or% Mg% '0 a% Ni% Si
EMI11.4
<tb> 1 <SEP> 20 <SEP> 20 <SEP> 60 <SEP> == <SEP> == <SEP> == <SEP> #
<tb>
EMI11.5
2 - 15 35 50 == =,;,; ".
3 10.,: F. # F: =. 80 10 = "" ==: ,,, ""
EMI11.6
<tb> 4 <SEP> 20 <SEP> '==' <SEP> == <SEP> 40 <SEP> 40 <SEP> # <SEP> #
<tb>
<tb> 5 <SEP> 20 <SEP> == <SEP> == <SEP> == <SEP> 80 <SEP> == <SEP> ==
<tb>
<tb> 6 <SEP> 40 <SEP> # <SEP> # <SEP> 60 <SEP> # <SEP> # <SEP> #
<tb>
<tb> 7 <SEP> 40 <SEP> == <SEP> == <SEP> 30 <SEP> '<SEP> 30 <SEP> # <SEP> #
<tb>
EMI11.7
8 20 == == ==: == 80 == $.
EMI11.8
<tb>
9 <SEP> 20 <SEP> == <SEP> == <SEP> 10 <SEP> # <SEP> 70 <SEP> #
<tb>
<tb> 10 <SEP> 20 <SEP> == <SEP> == <SEP> 20 <SEP> 30 <SEP> 30
<tb>
Other combinations are possible and the table above gives a general idea o The alloy can be introduced in pieces or in granular form o
It can be introduced by adding it to the surface of the ladle as indicated above or a mechanical mixer can be used in the metal stream flowing from the furnace or in the ladle.