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PIECES TUBULAIRES EN METAL MOULE ET LEUR.PROCEDE DE FABRICATION.
La présente invention est relative d'une manière générale aux pro- cédés de moulage centrifuge et aux pièces moulées en métal creux obtenues par ces -procédés. Elle a principalement pour objets des pièces tubulaires de mé- tal moulées par voie centrifuge, y compris les rouleaux en métaux mixtes qui présentent une structure cristalline très perfectionnée et radicalement dif- férente de celle des pièces tubulaires moulées telles quelles ont été fabri- quées jusqu'à présent par les procédés de moulage centrifuge ou statique.
Dans les procédés qui ont été adoptés habituellement jusqu'à pré- sent, qu'ils soient centrifuges ou statiques?) des soins particuliers ont été pris pour que le métal fondu ne soit pas agité pendant la solidification réel- le, mais., plutôt?) pour qu'il repose aussi tranquillement que possible à l'in- térieur du moule pendant toute la période de solidification.. Dans tous ces buts?) cette condition est presque étroitement remplie, sinon complètement réa- lisée dans les procédés de moulage statiques et dans la coulée centrifuge classique,
on prend soin de répartir et de maintenir uniformément le métal fondu contre le moule dans l'opération de la coulée réelle? afin de limiter le mouvement entre le moule et le métal fondu pendant que ce dernier se fige par refroidissement.
On sait parfaitement que lorsqu'on laisse refroidir ou se solidi- fier du métal fondu à l'état calme,, la formation primaire de cristaux s'ef- fectus dans le sens dans lequel la chaleur s'échappe du métal fondu.\) c'est- à-dire perpendiculairement à la paroi du moule,, ce qui a pour résultat de pro- duire une structure cristalline en forme de colonne. Cette tendance qu'ont les cristaux primaires à se former en sens unique s'accentue lorsque on fait usage d'un moule froide attendu que l'effet en question est favorisé en augmen- tant le degré de température à travers la masse de métal fondu, à mesure que celle-ci refroidit.
En raison de ce que ces conditions existent presque tou- jours dans une certaine mesure dans les procédés de moulage antérieur les
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produits fabriqués à l'aide de ces procédés sont habituellement caractérisés
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par cette structure en colonne de cristaux primaires. Il est inutile d9ajonm ter qu'une structure cristalline de ce genre exerce une influence défavora- ble sur certaines propriétés mécaniques des corps moulés particulièrement lorsqu'il s'agit de métaux cassants., car il se produit des plans de faiblesse
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le long desquels la fonte est susceptible de se briser lorsqu'elle est soumi- se à de sérieux efforts locaux.
Le procédé de moulage selon la présente invention se distingue es-
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sentiellement des procédés employés antérieurement par ce fait qu'aucune oc- casion n'est offerte à la croissance non dérangée de cristaux primaires pen- dant une période de temps appréciable ce qu'on obtient en laissant se former au début un bain ou nappe de métal fondu au fond d'un moule horizontal rota- tif et en réglant ensuite la vitesse de rotation de ce moule de manière à pro-
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duire9 à l'intérieur dudit moule, une pluie de métal fondu pendant sensiblement tout le temps que le métal fondu se refroidit.
On verra diaprés la descripti-
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on qui suit que les termes "pluie" et "pleuvoir" tels qu'ils sont employés ici? indiquent un état qui règne à 1'intérieur du moule et en vertu duquel une certaine partie du métal fondu qui a été entraîné de baa en haut par sui- te du mouvement de rotation du moule peut retomber librement dans l'espace jus-
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qu?au fond du moule.
Jusque présenta en matière de moulage centrifuges on a soigneuse-
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ment évité d9avou une pluie à l'intérieur du moule parce qu'on pensait que des produits moulés de qualité Inférieure, sinon complètement inacceptables? en seraient le résultat. Toutef'ois9 il a été constaté que lorsque 19'état de pluie était entretenu concuresment avec le refroidissement du métal fondu., confor- mément à la présente invention on obtenait des pièces moulées qui, à plu- sieurs points de vue, étaient supérieures à celles que l'on pouvait obtenir
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par les procédés de moulage classiques.
En conséquence., la présente invention a, entre autres., pour objets-0 - d'offrir un nouveau procédé de moulage centrifuge; d'obtenir des pièces tubulaires en métal coulées ou moulées par voie centrifuge qui,, en tant que fontes se caractérisent par la formation de
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fine cristaux prhaires, orientés au hasard,- - de permettre do.btenir une fonte de fer tubulaire rsf raidie prié- sentanti} à l'état fondu., une masrostmcture constituée par de fins cristal disposés au hasard,, qui se distingue de la structure macrocl'istallins,9 relati- vement grossière en forme de colonne., caractéristique des pièces tubulaires
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en fonte de fer i id9 obtenues par les anciens procédés;
- de peNM'tts'e dGbteniro9 en outre des rouleaux de métal mixte, com- portant deux ou un plus grand nombre de couches concentriques faisant corps les unes avec les autres 9 dont une des couches au moins poeésente la structure de cristaux primaires perfectionnée qui caractérise la présente invention - d'offrir un rouleau de métal mixte comportant une couche extérieu- re de fer refroidi et présentant la structure cristalline perfectionnée décri- te ci-dessus et une couche intérieure ou noyau de fer gris faisant corps avec la première.
Elle a encore pour objet un procédé pour couler ou mouler les --ou- leaux mixtes selon l'invention.
Ladite invention va maintenant être décrite ,Puna façon détaillée en regard des dessins annexés dans lesquels :
La figure 1 est une coupe longitudinales, quelque peu schématique
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d'une forme d'appares que 1?on peut employer pour la mise en pratiqua des procédés de moulage selon la présente invention.
Les figures 2 3, 4 et 5 sont des coupes transversales schématiques du moule qui est représenté à la figure 1 montrant la manière dont le métal est cueilli par le moule et amassé progressivement pour fermer les pièces tu-
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bolaires moulées de la présente invention.
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La figure 6 est une vue pootographiqu6s en grandeur réelle d9mie f':JJ:'a@t'Wi."6 Sm'lren1UL9 en travers de la paroi (Puna pièce tubulaire moulée en òn-
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te trempée de la. présente invention.
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La figure 7 est une vue photographique, en grandeur réelle d9une fracture survende en travers de la paroi d'une pièce tubulaire moulée en fon- te trempée de la mène composition que celle qui a été employée dans la pièce
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de -la figure 6 mais coulée par un procédé de moulage centrifuge classique.
Les figures 8 et 9 sont des vues photographiques, en grandeur réel- le, gravées de sections prises par les parois de pièces tubulaires moulées en
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enivre? fabriquées, respeotivementp par le procède selon la présente invention
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et par un procédé de soûlée ou de moulage centrifuge classique.
La figure 10 est une photomicrographie (agrandissement de 15 dia-
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mètres) gravée9 du fragment de paroi d'une pièce tubulaire moulée en fonte trempée du type qui est représenté à la figure 6e La figure Il est une vue analogue du fragment de parai à?une pièce tumulaire moulée en fonte trempée classique du type qui est représenté à la figure 7.
La figure 12 est une vue photographique, en grandeur réelle, d,9un rl!;)11Û.eau de fente mixte selon la présente invention.
En se référant plias particulièrement à la figure 1. on verra que 19appareil adopté de préférence pour la mise en pratique du présent procédé de moulage comprend un moule cylindrique 1 supporté par un "spinneru classi- que comportant un sertain nombre de rouleaux commandés 2p occupant la posi- tion voulue pour faire tourner le moule horizontalement autour de son axe lon- gîtudînal. On empis'ie de préférence deux séries de rouleaux, dont une seule a été représentéep ?est-à-dire une série de chaque c8té dpun plan vertîoal
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passant par l'axe du moule, de manière à offrir au moule un support stable.
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Les arbres de commande 3 des rouleaux sont mis en rotation par des organes con- veRables quelcorquas (non représentés) et le mouvement des roa1\JJX est trans-
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mis par tellement au moule supporté.
Un certain nombre de gorges annulaires
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4s prévues dans la paroi extérieure du moule, servent à recevoir les row.ea1JJ!X et ompêshent tsnt mouvement longitudinal du moule par rapport aux rom6a1JJ!X9 et ré@ipr@quel1!to Le moule est P;)9 à ses extrémités, d.9évid#mlsnts eoneentriques
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5 destinés à loger des plaques 6 qui ferment les extrémités du moule.
Les
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plaques extrêmes comportent des ouvertures centrales 7. à travers lesquelles du métal fondu 8 peut être introduit dans le moule,, par exemple par un chenal de coulée 9. lesdites ouvertures servant également à maintenir la pression at- mosphérique des gaz à'1 intérieur dia. moule pendant toute 1?±mtion de mou- lage Les êvMeseats 5 sont de préférence d9une profondeur supérieurs à 1?épais- seur des plaques de manière à former des 'épaulements annulaires 10
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qui se prolongent au delà de ces plaques.
Les 'épaulements 10 présentent un car-
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tain nombre d-9ompertureB 11 qui y sont disposées radialement et qui regoivent des goupilles 22 au moyen desquelles les plaques sont maintenues fermement con- tre les extrémités du moule dei la. manière connue Dans la dezeîptîon du processus selon la présente invention, on se référera. pa.rti'aùLièrement aux figures 2 à 5. 9 in@l#iwent" qui montrent graphiqueilent les phases successives du présent procédé de moulage. Il est bien évident que 1?expnsé suivant qui traite du mécanisme de la @3Missa.n@@ progressive du moulage, et autres aspects théoriques du procëdê de moulage ne doit pas êt# @nsidé# coma étant limitatif de l'invention, mais n9set donné que pour aider à voir et se rendre compte de ce qui se pasoe au cours du moulage.
Toute la charge de métal fondu est introduite de prédi:'en@ dans le moule pendant que @elu;lb@i tourne à une vitesse insuffisante pour répartir le métal autour de sa circonféreneeo Dans ces oonditionsp le métal fondu fer-
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me une sorte de nappe ou bain au fond du moule, le frottement engendré entre
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le moule en mouvement par rapport au bain et le métal fondu, à 1gendr((!)it de
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leurs surfaces de contact, déterminant un brassage du métal fondu, comme le
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montrent les flèches de bain de la fîg. 2.. Habituellement, le métal fondu est
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également entraîné sur une très courte distance en montant le long du côté as-
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cendant du moule et descend légèrement du côté de la descente de celuî-cî.
Dans ces conditions, le bain de métal fondu refroidit plutôt rapidement et u n ifo rmment.9 p d'où augmentation de la viscosité de sorte que, au moment vou- lu, une mince couche de métal fondu est entraînée de bas en haut par le coté ascendant du moule jusqu'en un point adjacent à la partie supérieure.. comme
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le montre la figure po Lorsqu'on en est arrivé lâ8 on accélère de préférence la vitesse de rotation du moule de manière à produire et entretenir la pluie copieuse de métal fondu qui caractérise le présent procédé de moulage.
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A mesure que la coulée pmgrpsse, et que la viscosité du métal fondu continue à augmenter., alors que sa température baisse? le moment est bientôt venu où une partie du métal fondu reste contre le moule décrivant alors
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la partie supérieure de 15'are de rotation et produit une mince couche solide ou semî-solide de métal coulés) en un point adjacent au moule Une pluie vi- goureuse continue évidemment pendant cette période, attendu que les effets com- binés de la rotation du moule et de la viscosité du métal fondu ne sont pas suffisants pour vaincre la traction par gravitation exercée sur la plus gran-
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de partie du métal fondu entraîné vers le sommet du moulée C9eet ainsi que,
à l'exception d'une mince couche de métal fondu qui est en contact direct avec le moule (ou,, après que le refroidissement a commencé, avec une couche préalablement déposée de métal coulé solidifié) le métal fondu transporté
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jusqu'au sommet du moule, continue à tomber sous forme de pluie sous 1 in- fluence de la pesanteur et retombe dans le bain qui se trouve au fond du moule. On voit clairement d'après ce qui précède que, après que le refroidissement a commencéeune mince couche de métal fondu est maintenue contre le moule et figée dans cette position pendant chaque révolution du moule.
La figure 4 montre cette formation croissante ou progressive de l' enveloppe de fonte à l'intérieur du moule9 et on verra diaprés cette figure qu'une pluie abondante de métal fondu continue à se produire pendant la pé- riode de la coulée alors que l'enveloppe cylindrique est en cours de moulage et se forme réellement Après qu'une mince pellicule de métal coulé solide
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s.'1est formée sur le moule,
la traction qui s'exerce entre la couche nouvelle- ment solidifiée et la nappe ou bain de métal liquide qui se trouve au fond est diminuée de telle sorte que seule une très mince couche de métal liquide peut être maintenue en position pour se solidifier contre la paroi Intérieurs du moulage déjà, formé.
A la figure 5. qui montre la dernière phase de la cueillette et de la solidification du métal couléetout le métal versé s'est pratiquement réparti et solidifié contre le moules comme il est dit ci-dessus$, et le bain liquide a disparu du fond du moules la mince pellicule de métal liquide qui reste étant répartie uniformément (à part quelques dernières gouttes) sur la paroi intérieure de la pièce moulée.
Bien que, comme on l'a fait remarquer ci-dessus, le présent précédé de moulage commence de préférence par le versement du métal fondu dans un mou-
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le animé d-lun mouvement de rotation lent, dans une variante de procédé qui fait partie de l'invention, le versement du métal fondu commence alors que
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le moule est stable et se poursuit jusque a ce qu'un bain se soit formé au fond du moule et s'étende sur toute la longueur de ce dernier Le moule est ensui- te amené rapidement à la vitesse de coulée correcte (sans le mouvement de ro- tation préliminaire qui a été décrit ci-dessus) pendant que le versement s'a-
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Chèveo Dans cette variante de procédé la pluie de métal fondu commence norma- lamant avant que le versement soit achevé.
Toutefois., le zésulkat définitif des deux procédés est le même puisque les effets combinés de la rotation du moule et de la viscosité du métal fondu, qui déterminent le taux: de dépôt de métal fondu pour chaque tour du moule,\) est le mène dans les deux cas, à éga- les vitesses de rotation du moule.
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On verra diaprés la description qui précède des deux varia-ntos du procédé de moulage selon l'invention, que leur but principal consiste dans le réglage de la vitesse de rotation du moule pendant la période de formation de
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la pièce moulées dans le but de produire une pluie de métal fondu à 1-lîntérîeur
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du moule pendant sensiblement tout le temps que dure le refroidissement ou so-
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nidification du métal fondu. La chute de la pluie ou son interruption peut évi- dément être déterminée par inspection visuelle et l'achèvement de la solidi-
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fiction peut être déterminé au moyen d'un pyromètre optique en jetant un coup d'oeil sur la surface intérieure.
Ainsi donc!) il suffit simplement de
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a9assurer du moment où les conditions pour la mise en pratique du présent pro- cédé de moulage sont remplieso
On a insisté sur la nécessité de la présence d'un bain de métal fondu au fond du moule pendant la période de formation du moulage car!) en 1'
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absence de ce bains il serait extrêmement dif'ficile51 sinon impossibles de main- tenir l'état de pluie pendant tout le temps que le métal fondu se solidifiée Cependant., il est évident que l'invention ne saurait être limitée aux procédés de moulage qui ne sont donnés ici qu'à titre illustratif!)
mais quelle s'étend à tous les procédés de coulée dans lesquels la pluie de métal fondu a lieu pendant tout le temps que dure le refroidissement ou la solidification!) quelle que soit la manière dont les différents procédés de moulage peuvent avoir été réglés pour pemettre la formation du bain au fond du moule.
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Avant Saborder les exemples illustratifs spécif'iq#s du présent procédé de moulage, on a pensé qu'il convenait d'exposer sommairement le moment où se produit la pluie de métal fondu et l'intervalle de temps que prend la sa
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nidification!) afin que cette limitation soit bien comprise de tous ceux qui désirent mettre en pratique le présent procédé de moulage*Il a été dit que la pluie de métal fondu à l'intérieur du moule devait être entretenue pendant "sensiblement" tout le temps pendant lequel le métal fondu se solidifiait.
Par conséquente il est clair que toute pluie de ce genre qui se produit avant que la solidification commence sera superflue pour ce qui concerne le présent procédé de moulage!) bien que cette pluie préalable se produise habituellement et soit avantageuse en ce sens qu'elle accélère le refroidissement du métal
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fondu jusqu'au point où celui-ci commence à se figer ou se solidifier. A par- tir du moment où la solidification commence l'état de pluie doit être main= tenu pendant., en principeg tout le temps que dure cette solidification.
Bien entendutout à fait à la fin de la phase de moulage réelles la pluie cesse- ra au moment ou les dernières traces de métal fondu sont ramassées par le mou-
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le et, par conséquent, dans la mise en pratique de la présente inventîong la solidification de la dernière trace de métal fondu a lieu pendant une très courte période après que la pluie a cessé.Pour cette raison!) on a jugé néces-
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sairep pour plus de pzécisiong d'ajouter dans la définition de ce procédé de moulage,que l'état de pluie devait être maintenu pendant sensiblement tout le temps que durait la solidification du métal fondu.
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Il est évident que quiconque met en pratique le présent prooédé de moulage peut, s9 il le désires maintenir eoncurcemuent l'état de pluie et de solidifisation voulu pendant une partie seulement de la durée totale de la solidifieationo Par exemple, au lieu de maintenir ces conditions pendant toute l'opération de moulage (somme dans les exemples lg 2 .et 3 ei'=desso'ns)g on peut ne suivre les enseignements donnés que pendant la première partie
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de cette opération et te miner celle-ci à des vitesses plus grandes de rotati- on du moule qui auraient pour effet de répartir plus rapidement le reste du métal fondu sur la circonférence du moules, comme l'a enseigné la pratique sui-
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vie préeédenoaento En conséquence,
il est à remarquer que la présente inven- tion entend englober le procédé de moulage de corps métalliques cylindriques au moyen d'une quantité donnée de métal fondu (qui peut être inférieure à la
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quantité totale de métal coulé)g dans lequel la vitesse de rotation du moule est réglée de façon à produire, à l'intérieur du moule,, une pluie d9une quant- tité de métal donnée, pendant sensiblement tout le temps pendant lequel cette quantité de métal donnée se solidifie.
EXEMPLE 19=
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Le moule employé était en acier de Om9342 de diamètre intérieur et îàmQ5/6 de diamètre extérieurs, sur lm!)016 de long, pesant environ 1067 kgsg et était pourvu d'un revêtement réfractaire intérieur de farine de sUi@s et de bentonite9 comme décrit dans le brevet Nas912o565 du.......
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Le revêtement réfraetaire était employé surtout pour prolonger la durée du mou- le et n'était pas efficace pour retarder d'une manière appréciable les pertes de chaleur è travers les parois du moule. Le moule ainsi revêtu était placé sur le tourniquet (Fig..1) lequel était actionné de manière à faire tourner le moule horizontalement autour de son axe longitudinal à raison de 53m.p3.G a la minute par rapport à sa circonférence intérieure.
Pendant la rotation à cette vitesses 233 kgs s8 de fonte à la température d'environ 13710C étaient versés dans le moule pendant une période de 30 secondes environ. La fonte contenait le pourcentage de matières suivant g 3975 de gg 3975 de Mne 6,30 de Sig 0920 de Pg 0908 de SI) 1900 de S9 le reste étant en principe du fer.
Dans ces conditions le métal fondu formait un bain ou nappe au fond du moulep comme représenté à la figo Après que le ramassage eut été a- moreé (Fàgo3) , ou 2 minutes environ après Inachèvement du -versage, dans le présent exemple., le moule a été amené â, une vitesse de 334a 4 mètres linéaires à la minute et maintenu à cette vitesse jusqu'à ce que tout le métal fondu ait été réparti autour de la circonférence du moule et se soit cristallisé dans
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cette positions 3 minutes environ ont été nécessaires pour répartir uniforme" ment le métal fendu contre le moule à 334,4 mètres linéaires par minute pé- riode au bout de laquelle la cristallisation fut achevée.
Durant la période pendant laquelle le moule a tourné à cette vitesse 9Uy a eu une pluie conti- nuelle de métal fendu à l'intérieur du moule jusqu'à ce'qu'il restât un bain de métal fondu au fond du moule. A l'aide d'un pyromètre optique, S s'est confirmé que la pluie persistait sensiblement pendant toute la période de so- lidificationp en ne s'arrêtant qu'après que la dernière trace de métal fondu ait été ramassée et maintenue contre le moule
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Il y a lieu de faire remarquer que bien qu'il soit préférable l'sm ployer des moules métalliques pourvus d'un mince revêtement intérieur réfrae- tapira ,, comme déorit eî-dessw,, le présent procédé de moulage peut être appli- qué d'une façon satisfaisantes avec des moules en métal nu ni avec de vrais moules réfractaires,
si on le désire.
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EXEMPLE 2=
Les données relatives au moule employé et au métal coulé ont été les mêmes que dans l'exemple 1. On a introduit dans le moule environ 40 % de la charge de métal fondu, alors que ce moule était immobile, pour une durée de 5 à 8 secondesaprès quoi on a manoeuvré l'interrupteur de mise en mar-
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che du fileur pour amener directement la vitesse de rotation du moule à 334m.p40 par minute par rapport à la circonférence intérieure, l'accélération deman- dant environ 30 secondes. Le reste de la charge de métal fondu a continué à être versé jusqu'iL épuisement de la dite charge au fur et à mesure que le mou- le arrivait à la vitesse désirée.
De même que dans l'exemple 1, la vitesse de coulée de 334m,40 a été maintenue jusqu'à ce que tout le métal fondu ait été distribué et se soit solidifié en un point adjacent à la paroi du moule et la pluie de métal fondu a été continue pendant la rotation à cette vitesses aussi longtemps qu'un bain de métal liquide est resté au fond du moule.
Les pièces moulées préparées de la manière décrite aux exemples 1 et 2 sont entièrement trempées et sont identiques pour tous les bots aux- quels elles sont destinées. Une pièce moulée typique ainsi préparée est re- présentée à la Fig. 6 dans laquelle on verra que la structure identifiée avec les présentes pièces perfectionnées se caractérisent par des cristaux primai-
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res? d'une finesse exeptionnelles disposés au hasard. Dans la pièce moulée qui est représentée à la Figure 6, la structure perfectionnée s'étend en prin- cipe sur toute l'épaisseur de sa paroi.
Eventuellement une étroite bande de cristaux: primaires, en forme
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de colonne,, se femme tout à fait à la surface extérieure de corps tubulaires fabriqués conformément au présent procédé de moulage. Lorsqu'elle se présen-- te, une telle zone extérieure en colonne n'a habituellement pas plus de
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3mm9l75 d'épaisseur9 ou bien, dans tous les cas, ne constitue qu'une partie minime de l'épaisseur de la paroi et on pense qu'elle résulte d'une couche comparativement épaisse de métal fondu cueillie originellement par le revête-
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ment rode du meule et solidifiée.\) sans être dérangée, contre le mouleo Toute- f is!)
l{étroite bande en foame de colonne ne nuit pas à la qualité des piè- ces moulées 9 sar elle est enlevée par l'opération de gs'Ianhantg9 par tour- nage grossier et meulage avant que les pièces moulées soient prêtes à être utilisées ou vendues. Dans les pièces moulées tubulaires!) trempées!) décrites dans les exemples 1 et 2, la grosseur du grain de fracture pour la structu- re de cristaux perfectionnés comprenant la majeure partie de l'épaisseur de
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la parois, se situe entre 3 et +3 sur l'échelle A.S.TeM.,
comme il est dit dans le 'Uetals HandbJok" de l'àwerican Socioty for Mêlais 9 Edition 1948 page 4050
Il est évident que les pièces tubulaires métalliques en fer tram-' pé présentant la structure perfectionnée décrite ci-dessus peuvent être fabri- quées par le présent procédé de moulage en employant une composition de fonte différente de la composition spécifique employée dans les exemples 1 et 2.
On a constatéepar exemple!) que des fontes entrant dans les limites de la com- position suivante
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C Si In P S Cr 3930-49 010-10 o 5 O.?5 Max 0 Max bzz êi3
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lorsqu'eBes sont coulées en coquille en employant le présent précède de mou- lage se cristallisent comme du fer trempé et possèdent la structure perfect- onnée décrite précédemment.
Il est évident aussi que la spécification ci-des- sus doit être interprétée ecnlae englobant les;alliages qui renferment5> en plus des éléments spécifiés des éléments d'alliage incorporés dans la composition dja:Uiage pour lui ccsmuniquer des propriétés physiques ou chimiques supplémen- taires Les personnes expérimentées dans le moulage des rouleaux trempés com- prendront que la marge de composition comparativement grande qui est indiqués ci-dessus doit être employée judicieusement et pour des buts spécifiques.
La plus forte teneur en carbone (par exemple lorsqu'on désire avoir des rouleaux très durs) sera employée avec une faible quantité de silicium et de chrome alors que le minimum. de pourcentage de carbone (lorsqu'on désire avoir des
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rouleaux d-une dureté moindre) permettra d'employer plus de silicium et moins de chrome. Ces différentes combinaisons ont pour but d'éviter la graphitisati=. on primaire pendant le refroidissement ou la solidification et sont basées sur des stabilisations de carbure reconnues d'une manière générale ou des caracté- ristiques de graphitisation des éléments.
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On se référera maintenant â la Figo 7 dans laquelle on a représen- té la microstructure d'une pièce coulée tubulaire en fer trempé obtenue par un procédé de moulage centrifuge classique. Le moule employée une composition métallique1) la température de versage et d'autres facteurs ont été maintenus sensiblement les mêmes que dans les exemples 1 et 2 la seule différence con-
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sistant en ce que, dans le présent cas, le moule tournait à raison de 516m1)80 à la minute!) pendant la coulée du métal, en sorte que le métal était ramassé par le moule à une vitesse suffisante pour empêcher la pluie.
Par conséquentp au moment de Inachèvement du versage, toute 1-'épaisseur de la paroi de la
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pièce moulée était virtuellement à l'état liquide? la solidification c#nmen= gant juste à la surface extérieure voisine du moule. Des dendrites primaires eroissèrent juste intérieurement et perpendiculairement à la paroi du moules, le liquide riche en carbure à faible point de fusion étant concentré dans les interstices dendritiques. La structure grossière en colonne résultant de ce procédé de moulage classique-est clairement représentée à la Fige 7.
Un examen microscopique des pièces moulées représentées aux Figs.
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6 et 7 confirme les indications de leurs macrostmctures (voir aux Figes 10 et 11). Ses photomierophotographies qui couvrent environ 5rna9 d'épaisseur
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de paroi, en commençant à la surface extérieure grossièrement usinée (en-
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viron Éoen,3 en dedans du diamètre extérieur, tel qu'il est coulé) montrent - elairement que les éléments constitutifs en cémentite (surfaces blanches) des présentes pièces de moulage tubulaires en fer trempé sont courts et orien- tés au hasard (Fàgo10) , par opposition à la structure relativement longue;
, parfaitement bien dirigée., d-lune pièce de moulage tubulaire classique en fer trempé (FJ.go1.l)" EKEMPLE 3,,- Le moule employé était en acier de On.327mm environ de diamètre intérieur sur On454 environ de diamètre extérieur? et Qm?343 environ de long? et était pourvu d'une mince couche intérieure réfractaire de silice à diatomées et de bentonite pour empêcher le contact direct entre le métal fondu et le mou- leo Le moule a été mis en rotation horizontalement autour de son axe longitu-
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dinal à raison d'environ 54m?CS par rapport à sa circonférence intérieure.
Pen- dant qu-lïl tournait à cette vitesse., environ 99kgs?880 de cuivre contenant une cuiller de désoxydant de 0?015 % de phosphore, sous forme de cuivre phospho- reux, à la température d'environ 1376009 a été versée dans le moule, dans le espace d'environ 9 secondes.
14 secondes environ, après l'achèvement du ver- sage.\) on a observé que des doigts de métal fondu étaient ramassés par le côté montant du moule et la vitesse du moule a alors été portée à environ 304 mè-
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tres? 24 secondes environ s'étant écoulées avant que cette vitesse soit at- teinteo La pluie de métal fondu a commencé pendant cette période deaccélérati- on et a continué jusque à ce qu'on ait assisté au ramassage complet du métal fondu par le moule au bout d'environ 8 minutes et 20 secondes après que le versage eut commencé La vitesse du moule a été portée alors à 608 mètres li- néaires environ et maintenue à cette vitesse jusqu'à ce que la pièce moulée se soit refroidie suffisamment pour pouvoir
supporter son propre poids?) après quoi on a arrêté le "fileur" dont on a retiré le moule qu'on a laissé se re- froidir à l'airo La pièce moulée tubulaire en cuivre obtenue comme résultat est représentée polie et gravée, à la Figo 8.
A la Fig.9, on a représenté une pièce moulée tubulaire en cuivre? également polie et gravée? fabriquées d'après un procédé de moulage centrifuge classique, dans lequel le moule employé et l'état du cuivre fondu ont été maintenus à peu près les mêmes que dans l'exemple 3; 9 toutefois dans le pré- sent casle moule a tourné à une telle vitesse pendant la coulée que le cui- vre fonds, s'est réparti rapidement contre la paroi du moule et qu'on l'a lais- sé se refroidir ou se solidifier dans cette position sans qu'il y ait de pluie de métal fondu.
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Une cOOlpara1scm entre les Figs. 8 et 9 démontre clairement la struc- ture de cristaux perfectionnée qu'on peut obtenir avec le présent procédé de moulage par rapport à celle que l'on obtient avec les procédés de moulage clas- siques Spécifiquement,, les pièces moulées fabriquées par le présent procédé de moulage montrent une structure cristalline plus fine, plus uniforme, arien- tée au hasard, alors que les procédés de moulage employés jusqu'à présent don-
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nent des produits généralement non-uniformes9 relativement grossiers,
à cris- taux nettement orientés
On pense que la structure perfectionnée des pièces obtenues à l' aide du présent procédé est due en partie à ce fait que les effets combinés de la rotation du moule et de la viscosité du métal fondu empêchent tout mé- tal fondu de se placer en un point adjacent au moule avant que le métal ait presque atteint son point de solidification?) ce qui ne peziuet que le passage
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d'une légère quantité de chaleur thermique en travers de 1-lépaisseur légère du métal fondu qui est définitivement maintenu à tout moment donné contre le moule et permet seulement aux cristaux de croître au hasard. En outre?) came la cristallisation sur le moule du métal fondu est continuellement interrom-
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puefl on obtient des cristaux do longueurs bien plus courtes.
D,j1autre part, dans le moulage centrifuge classique, le métal fondu est réparti plus rapi- dament autour du moule et est maintenu dans cette positiono Dans ces condi- tions, la pente abrupte de température à travers la masse de métal :
fondu.9 en plus de l'état relativement tranquille du métal fondu par rapport au moule
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offrent une occasion à la formation des cristaux grossiers et en colonne qu' on obtient effectivement avec ces procédés de moulage connus
On verra diaprés ce qui précède, qu'un réglage minutieux de la tem- pérature de coulée n'est pas indispensable dans le présent procédé.d'autant plus que les effets de la viscosité et de la rotation du moule empêchent auto- matiquement tout métal fondu de rester en contact avec le moule jusqu'à ce que la plus grande partie de la chaleur excessive émanant de la charge entière de métal fondu se soit dissipée et que sa température soit très voisine de son point de solidification.
Dans ces conditions,pour tout métal de moulage don- née la température de coulée peut varier dans de très vastes limites, mais les produits moulés, s9étendant sur toute une série d'opérations de moulage., auront sensiblement la même structure aussi longtemps que les vitesses de ro-
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tation du moule seront réglées de façon à assurer la pluie concurpaMognb avec la solidification.\) comme décrit précédemment.
Pour parler maintenant des rouleaux composés ou mixtes qui font spécifiquement partie de la présente inventions, on se référera à nouveau, à
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titre illustratîf, aux exemples 1 et 2 dans lesquels le moulage d'une chape ou anneau extérieur en fer trempé a déjà été décrit, Après que la charge intitiale de métal fondu a été répartie circonférentiellement autour du moule (Exemples 1 et 2) on laisse s'écou1.er une période de temps prédéterminée (deux minutes environ dans le présent cas) avant de verser le métal du noyau, afin de réduire au minimum la refusion de la couche refroidie sous Inaction du contact avec le jet de métal de noyau.
Cette période d'attente peut évi- demment ne pas être définie en unités de temps ordinaires, car elle variera naturellement avec le coefficient de chaleur du moule,, la nature et la quanti- té de métal versé pour constituer la couche extérieure, la température et la quantité du métal de noyau versé, et d'autres facteurs. On a jugé qu'il était suffisant de dire que la surface intérieure de la souche extérieure doit s'ê- tre solidifiée, mais quelle doit encore être à une température lui, permettant de se sonder rapidement au métal du noyau lorsque celui-ci est versé.Cette détermination apparaît comme étant bien à la portée de toute personne expéri- mentée.
Avant que le métal du noyau soit versé dans le moule contenant l' anneau qui a été formé précédemment, la vitesse de rotation du moule est por- tée de préférence à environ 516m,80 ou davantage pour assurer la formation d'un noyau danse. 11 est préférable ici d'augmenter la vitesse de rotation du moule dès que toute la charge initiale de métal a été répartie autour de la circonférence du moule;
mais si on le désirée cette augmentation de la rotation du moule peut s'effectuer à tout moment après que la charge initia- le de métal fondu a été répartie entièrement à l'intérieur du moule,9 mais il y a avantage à augmenter la vitesse du moule avant que la coulée ou versage
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du métal du noyau CoomJ.enC6o
Le métal du noyau employé de préférence pour les présents Bouleaux composés ou mixtes perfectionnés dont il est question ici, c'est la fonte qui se cristallisera sous la forme de fonte grise à l'allure de la solidification déterminée par le moule et de la pièce tubulaire moulée que celui=ci renfer-
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mue comme décrit ri-dessus.
Il se forme ainsi un rouleau mixte comportant une couche extérieure de fer trempé possédant d,9aInts.s qualités de résis- tance à 1-*usure et un noyau intérieur en fonte grise usinable et résistant aux chocs Un rouleau de ce genre convient admirablement bien pour le meu- lage et pour d'autres usages. Dans ce but, il a été trouvé qu'un métal de noy- au dont la composition est à peu près la suivante convient bien :
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<tb> C <SEP> Si <SEP> Mn <SEP> P <SEP> S <SEP> Cr
<tb>
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a9 399 125-3 ,Ql% 9Qfl 1,OC% Max 0915% Max 0-3900% Mo Ni.
0--O.,5C% 0-2eOO%
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Il est évidente toutefois, qu'on peutsi on le désire, faire varier la com- position de ce métal de noyau, par exemple en ajoutant d'autres éléments ou en supprimant un ou plusieurs de ceux qui sont indiqués ci-dessus.!) afin d'ob- tenir les propriétés mécaniques désirées pour une application donnée. De même la quantité de métal de noyau peut varier suivant les dimensions et les proprié- tés physiques que l'on désire donner au rouleau mixte ou composé fini.
Quant aux dimensions de la pièce de moulage qui est décrite aux exemples 1 et 2, on a employé environ 2678 kgs de métal de noyau dont la com- position avait le pourcentage suivant : 3,60 de C, 0,60 de Mn, 1,70 de Si.!) 0950 de P, 0,07 de S, le reste étant en principe du fer. La température de coulée de ce métal a été d'environ 1315,5 C et les premiers 68 legs environ du métal ont été introduits dans le moule aussi rapidement que les conditions de la coulée et les considérations de sécurité le permettaient, afin de recouvrir rapidement toute la surface intérieure de l'anneau ¯de métal trempé préalable- ment moulé. L'allure de la coulée a été alors notablement diminuée afin de ré- duire au minimum la refusion et la solution de l'anneau solidifié.
Après que le métal de noyau s'est complètement refroidi ou solidifié,on a extrait le rouleau et on l'a enterré dans le sable jusqu'à ce qu'il se soit refroidi à une température au moins aussi basse que 204,4 C environ.,
Dans les rouleaux composés ou mixtes,fabriqués comme décrit ci- dessus.\) le métal du noyau est lié d'une façon parfaite à l'enveloppe extérieu- re refroidie ou trempée la face intermédiaire entre les deux couches étant brusque et clairement définie, comme représenté à la Fig.12. On verra que dans le présent procédé de moulage des rouleaux de fer trempé il est facile de ré- gler très exactement la profondeur de la trempe en réglant simplement la quan- tité de fer versée.
Cette profondeur de trempe contrôlées, qui permet de prédi- re exactement la durée de service du rouleau,, et la structure cristalline per- fectionnée de la couche trempée avec le perfectionnement qu'elles permettent de réaliser dans la performance comparativement aux rouleaux trempés qui sont moulés de la manière classique, font que les rouleaux fabriqués selon la pré- sente invention devront de beaucoup être préférés à ces rouleaux pour toutes les applications auxquelles eeux-ci sont destinés.
REVENDICATIONS
1.- Un procédé de moulage de métal dans un moule relatif sensible- ment horizontal, dans lequel la vitesse de rotation du moule est réglée de ma- nière à produire une pluie de métal fondu à l'intérieur du moule pendant tout le temps que le métal fondu met à se solidifier.
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TUBULAR PARTS IN MOLDED METAL AND THEIR MANUFACTURING PROCESS.
The present invention relates generally to centrifugal molding processes and to hollow metal castings obtained by these processes. Its main objects are centrifugally molded tubular parts of metal, including mixed metal rollers which have a very sophisticated crystalline structure and radically different from that of tubular molded parts as they have been manufactured until now. now by centrifugal or static molding processes.
In the processes which have been habitually adopted heretofore, whether centrifugal or static?) Special care has been taken that the molten metal is not agitated during actual solidification, but., Rather ?) so that it rests as quietly as possible inside the mold during the whole period of solidification. For all these purposes?) this condition is almost closely fulfilled, if not fully realized in the molding processes static and in conventional centrifugal casting,
care is taken to evenly distribute and maintain the molten metal against the mold in the actual casting operation? to limit movement between the mold and the molten metal as the latter freezes by cooling.
It is well known that when molten metal is allowed to cool or solidify in a still state, the primary formation of crystals occurs in the direction in which heat escapes from the molten metal. that is, perpendicular to the wall of the mold, which results in the production of a columnar crystal structure. This tendency of the primary crystals to form in one direction is accentuated when a cold mold is used as the effect in question is promoted by increasing the degree of temperature through the mass of molten metal. , as it cools.
Due to the fact that these conditions almost always exist to some extent in the earlier molding processes the
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products made using these processes are usually characterized
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by this columnar structure of primary crystals. There is no need to admit that such a crystalline structure exerts an unfavorable influence on certain mechanical properties of the castings, particularly in the case of brittle metals, since weak planes occur.
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along which cast iron is liable to break when subjected to serious local stresses.
The molding process according to the present invention differs es-
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essentially from previously employed processes in that no opportunity is afforded for the undisturbed growth of primary crystals for an appreciable period of time which is achieved by initially allowing a bath or sheet to form. molten metal at the bottom of a rotating horizontal mold and then adjusting the speed of rotation of this mold so as to
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duire9 inside said mold, a rain of molten metal during substantially all the time that the molten metal cools.
We will see the description
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one which follows that the terms "rain" and "to rain" as they are used here? indicate a state which prevails inside the mold and whereby a certain part of the molten metal which has been entrained from baa upwards as a result of the rotational movement of the mold can freely fall back into the space up to.
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only at the bottom of the mold.
So far in centrifugal molding we have been careful
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Have you obviously avoided a rain inside the mold because it was thought that molded products of inferior quality, if not completely unacceptable? would be the result. However, it has been found that when the rain condition is maintained concurrently with the cooling of the molten metal., In accordance with the present invention, castings were obtained which in several respects were superior to. the ones we could get
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by conventional molding methods.
Accordingly, the present invention has, inter alia, the objects of providing a new method of centrifugal molding; to obtain tubular metal parts cast or molded by centrifugal means which, as cast iron, are characterized by the formation of
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fine prhaires crystals, oriented at random, - - to allow to obtain a cast iron tubular rsf stiffened praying to the molten state., a masrostmcture made up of fine crystals arranged at random ,, which differs from the macrocl'istalline structure, 9 relatively coarse column-shaped., characteristic of tubular parts
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in cast iron i id9 obtained by old processes;
- small additional rolls of mixed metal, comprising two or a greater number of concentric layers integral with each other 9, at least one of the layers of which has the improved primary crystal structure which It is characterized by the present invention to provide a mixed metal roll comprising an outer layer of cooled iron and exhibiting the improved crystal structure described above and an inner layer or core of gray iron integral with the former.
It also relates to a process for casting or molding the mixed rolls according to the invention.
Said invention will now be described in detail with reference to the accompanying drawings in which:
Figure 1 is a longitudinal section, somewhat schematic
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of a form of apparatus which can be employed in carrying out molding processes according to the present invention.
Figures 2, 3, 4 and 5 are schematic cross sections of the mold which is shown in Figure 1 showing how the metal is picked up by the mold and gradually amassed to close the pieces.
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molded bolaries of the present invention.
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Figure 6 is a full-size pootographiqu6s view d9mie f ': JJ:' a @ t'Wi. "6 Sm'lren1UL9 across the wall (Puna tubular piece molded in òn-
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you soaked in the. present invention.
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Figure 7 is a photographic view, at full size, of an oversized fracture across the wall of a tubular part soaked in cast iron of the same composition as that which was employed in the part.
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of FIG. 6 but cast by a conventional centrifugal molding process.
Figures 8 and 9 are photographic views, in actual size, engraved of sections taken by the walls of tubular molded parts.
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intoxicated? manufactured, respectively by the process according to the present invention
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and by a conventional solder or centrifugal molding process.
Figure 10 is a photomicrograph (magnification of 15 dia-
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meters) engraved9 of the wall fragment of a tubular part cast in tempered cast iron of the type which is shown in figure 6e shown in figure 7.
Figure 12 is a full-size photographic view of the mixed slit water according to the present invention.
Referring particularly to Figure 1, it will be seen that the apparatus preferably adopted for the practice of the present molding process comprises a cylindrical mold 1 supported by a conventional spinneru comprising a number of controlled rollers 2p occupying the center. desired position to rotate the mold horizontally about its longitudinal axis. Preferably two sets of rollers are used, only one of which has been shown, that is to say a series on each side of a vertical plane.
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passing through the axis of the mold, so as to provide the mold with a stable support.
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The control shafts 3 of the rollers are set in rotation by some suitable members (not shown) and the movement of the roa1 \ JJX is trans-
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put therefore to the supported mold.
A number of annular grooves
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4s provided in the outer wall of the mold, are used to receive the row.ea1JJ! X and ompêshent tsnt longitudinal movement of the mold relative to the rom6a1JJ! X9 and ré @ ipr @ quel1! To The mold is P;) 9 at its ends, d.9évid # eoneentric mlsnts
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5 intended to house plates 6 which close the ends of the mold.
The
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end plates have central openings 7. through which molten metal 8 can be introduced into the mold, for example by a pouring channel 9. said openings also serving to maintain the atmospheric pressure of the gases inside the mold. . The molds throughout the molding process. The molds 5 are preferably of a depth greater than the thickness of the plates so as to form annular shoulders 10.
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which extend beyond these plates.
The shoulders 10 have a car-
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a number of holes 11 which are disposed therein and which receive pins 22 by means of which the plates are held firmly against the ends of the mold therein. Known manner In the dezeption of the process according to the present invention, reference will be made to. Partly in Figures 2 to 5. 9 in @ l # iwent "which graphically show the successive phases of the present molding process. It is obvious that the following expnsé which deals with the mechanism of the @ 3Missa.n @ @ progressive molding, and other theoretical aspects of the molding process should not be # @ nside # coma being limiting of the invention, but only given to help see and realize what happens during molding .
All the molten metal charge is introduced by predi: 'at @ into the mold while @elu; lb @ i rotates at a speed insufficient to distribute the metal around its circumference. In these conditions, the molten metal will iron
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a kind of tablecloth or bath at the bottom of the mold, the friction generated between
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the mold moving in relation to the bath and the molten metal, at 1gendr ((!) it of
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their contact surfaces, determining a stirring of the molten metal, such as
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show the bath arrows in fig. 2 .. Usually the molten metal is
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also driven for a very short distance while climbing along the as-
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descending from the mold and descends slightly on the side of the descent of the mold.
Under these conditions, the bath of molten metal cools rather quickly and an ifo rmment. 9 p whereby the viscosity increases so that, at the desired moment, a thin layer of molten metal is entrained from the bottom up by the ascending side of the mold to a point adjacent to the upper part .. as
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This is shown in the figure. When this has been reached, the rotational speed of the mold is preferably accelerated so as to produce and maintain the copious shower of molten metal which characterizes the present molding process.
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As the casting progresses, and the viscosity of the molten metal continues to increase., As its temperature decreases? the time has soon come when some of the molten metal remains against the mold outlining then
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the upper part of the 15'are of rotation and produces a thin solid or semi-solid layer of cast metal) at a point adjacent to the mold. A heavy rain evidently continues during this period, as the combined effects of the rotation of the mold and the viscosity of the molten metal are not sufficient to overcome the pull by gravity exerted on the larger
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part of the molten metal entrained towards the top of the casting C9eet as well as,
with the exception of a thin layer of molten metal which is in direct contact with the mold (or, after cooling has started, with a previously deposited layer of solidified cast metal) the molten metal transported
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to the top of the mold, continues to fall as rain under the influence of gravity and falls back into the bath at the bottom of the mold. It is clearly seen from the above that after cooling has started a thin layer of molten metal is held against the mold and fixed in this position during each revolution of the mold.
Figure 4 shows this increasing or progressive formation of the cast iron casing inside the mold9 and it will be seen from this figure that an abundant rain of molten metal continues to occur during the period of the casting as the The cylindrical shell is being molded and actually forms after a thin film of solid cast metal
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s.'1 is formed on the mold,
the traction exerted between the newly solidified layer and the sheet or bath of liquid metal which is at the bottom is reduced so that only a very thin layer of liquid metal can be held in position to solidify against the Interior wall of the molding already, formed.
In figure 5 which shows the last phase of the picking up and solidification of the poured metal all the poured metal has practically distributed and solidified against the mold as it is said above $, and the liquid bath has disappeared from the bottom of the molds the thin film of liquid metal which remains being distributed evenly (apart from a few last drops) on the inner wall of the molded part.
Although, as noted above, the present molding precursor preferably begins with the pouring of the molten metal into a mold.
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animated by a slow rotational movement, in an alternative method which forms part of the invention, the pouring of the molten metal begins while
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the mold is stable and continues until a bath has formed at the bottom of the mold and extends over the entire length of the latter The mold is then rapidly brought to the correct casting speed (without the movement preliminary rotation which has been described above) while the payment is
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Chèveo In this variant of the process the rain of molten metal normally begins before the pouring is completed.
However, the final zesulkate of the two processes is the same since the combined effects of mold rotation and molten metal viscosity, which determine the rate of molten metal deposition for each revolution of the mold, \) is the result. in both cases, at the same rotational speeds of the mold.
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It will be seen from the above description of the two variations of the molding process according to the invention, that their main purpose consists in the adjustment of the rotational speed of the mold during the period of formation of the mold.
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the part molded with the aim of producing a rain of molten metal inside
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of the mold during substantially the entire time that the cooling or so-
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nesting molten metal. Rainfall or its interruption can of course be determined by visual inspection and the completion of solidification.
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fiction can be determined by means of an optical pyrometer by looking at the interior surface.
So then!) It suffices to simply
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a9ensure when the conditions for the practice of the present molding process are met.
We stressed the need for the presence of a molten metal bath at the bottom of the mold during the mold formation period because!) In 1 '
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In the absence of this bath it would be extremely difficult, if not impossible, to maintain the state of rain throughout the time that the molten metal solidified. However, it is obvious that the invention cannot be limited to the molding processes which are given here for illustrative purposes only!)
but what extends to all the casting processes in which the rain of molten metal takes place during the whole time that the cooling or solidification lasts!) however the different molding processes may have been adjusted to allow the formation of the bath at the bottom of the mold.
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Before scrapping the specific illustrative examples of the present molding process, it was felt that it would be appropriate to briefly set out the timing of the rain of molten metal and the interval of time that it takes.
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nesting!) so that this limitation will be well understood by all who wish to practice the present molding process * It has been said that the rain of molten metal inside the mold must be sustained for "substantially" all the time during which the molten metal solidified.
Hence it is clear that any such rain which occurs before solidification begins will be superfluous for the purposes of the present molding process!) Although such prior rain usually occurs and is advantageous in that it accelerates metal cooling
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melted to the point where it begins to set or solidify. From the moment when the solidification begins the state of rain must be main = held during., In principle all the time that this solidification lasts.
Of course completely at the end of the actual casting phase the rain will stop when the last traces of molten metal are picked up by the mold.
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The and, therefore, in the practice of the present invention the solidification of the last trace of molten metal takes place for a very short period after the rain has ceased. For this reason!) it has been deemed necessary-
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Sairep for more pzécisiong to add in the definition of this molding process, that the state of rain had to be maintained during substantially all the time that the solidification of the molten metal lasted.
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It is obvious that anyone who practices the present molding process can, if they so desire, maintain the desired state of rain and solidification for only part of the total duration of solidification. For example, instead of maintaining these conditions. during the entire molding operation (sum in examples lg 2. and 3 ei '= desso'ns) g one can only follow the teachings given during the first part
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of this operation and undermine it at higher mold rotation speeds which would have the effect of more rapidly distributing the remainder of the molten metal over the circumference of the molds, as the following practice has taught.
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préeédenoaento life Accordingly,
It should be noted that the present invention is intended to encompass the process of molding cylindrical metal bodies by means of a given quantity of molten metal (which may be less than the
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total amount of metal cast) g wherein the rotational speed of the mold is controlled so as to produce, inside the mold, a rain of a given amount of metal, during substantially all the time during which that amount of metal. given metal solidifies.
EXAMPLE 19 =
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The mold employed was of steel Om9342 inside diameter and etmQ5 / 6 in outside diameter, about 1m!) 016 long, weighing about 1067 kgsg and had an inner refractory lining of sUi @ s flour and bentonite9 as described in patent Nas912o565 of .......
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The refractory coating was employed primarily to extend mold life and was not effective in appreciably retarding heat loss through the walls of the mold. The mold thus coated was placed on the turnstile (Fig..1) which was actuated so as to rotate the mold horizontally around its longitudinal axis at a rate of 53m.p3.G per minute with respect to its inner circumference.
During rotation at this speed 233 kgs s8 of cast iron at the temperature of about 13710C was poured into the mold for a period of about 30 seconds. The cast iron contained the percentage of material according to g 3975 of g 3975 of Mne 6.30 of Sig 0920 of Pg 0908 of SI) 1900 of S9 the remainder being in principle iron.
Under these conditions the molten metal formed a bath or sheet at the bottom of the mold as shown in Fig. After the pickup had been added (Fàgo3), or about 2 minutes after the completion of the pouring, in the present example. mold was brought to a speed of 334a 4 linear meters per minute and held at that speed until all the molten metal had been distributed around the circumference of the mold and had crystallized in the mold.
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This position took approximately 3 minutes to evenly distribute the split metal against the mold at 334.4 linear meters per minute after which crystallization was complete.
During the time that the mold was rotating at this speed there was a continual rain of split metal inside the mold until a bath of molten metal remained at the bottom of the mold. Using an optical pyrometer, S was confirmed that the rain persisted appreciably throughout the solidification period, stopping only after the last trace of molten metal had been picked up and held against the mold
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It should be noted that although it is preferable to use metal molds provided with a thin refrae- tapira interior coating, as deorit et desw ,, the present molding process can be applied. satisfactorily with bare metal molds or with real refractory molds,
if desired.
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EXAMPLE 2 =
The data relating to the mold used and the cast metal were the same as in Example 1. About 40% of the molten metal charge was introduced into the mold, while this mold was stationary, for a period of 5 to 8 seconds after which the power switch was operated.
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spinner cheek to bring the rotational speed of the mold directly to 334m.p40 per minute with respect to the inner circumference, the acceleration requiring about 30 seconds. The remainder of the charge of molten metal continued to be poured until said charge was exhausted as the moulder reached the desired speed.
As in Example 1, the casting speed of 334m, 40 was maintained until all the molten metal had been distributed and had solidified at a point adjacent to the wall of the mold and the metal shower. melt was continuous during rotation at this speed as long as a bath of liquid metal remained at the bottom of the mold.
Castings prepared as described in Examples 1 and 2 are fully dipped and are identical for all bots for which they are intended. A typical molded part thus prepared is shown in FIG. 6 in which it will be seen that the structure identified with the present improved parts are characterized by primary crystals.
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res? of exceptional finesse arranged at random. In the molded part shown in Figure 6, the improved structure extends in principle over the entire thickness of its wall.
Possibly a narrow band of crystals: primary, shaped
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of column, is very much the outer surface of tubular bodies manufactured in accordance with the present molding process. When present, such an outer columnar zone usually has no more than
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3mm9l75 thick9 or, in any case, is only a small part of the wall thickness and is believed to result from a comparatively thick layer of molten metal originally picked up by the coating.
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rode of the grinding wheel and solidified. \) undisturbed, against the moldo Anyway!)
The narrow strip of columnar foame does not adversely affect the quality of the castings 9 if it is removed by the operation of gs'Ianhantg9 by coarse turning and grinding before the castings are ready for use or sold. In the tubular castings!) Quenched!) Described in Examples 1 and 2, the size of the fracture grain for the sophisticated crystal structure comprising the major part of the thickness of
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the wall is between 3 and +3 on the A.S.TeM scale,
as it says in the 'Uetals HandbJok' of the Awerican Socioty for Mêlais 9 Edition 1948 page 4050
Obviously, metal tubular fabricated iron parts having the improved structure described above can be made by the present molding process employing a different cast iron composition from the specific composition employed in Examples 1 and 1. 2.
It has been observed, for example!) That fonts falling within the limits of the following composition
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C Si In P S Cr 3930-49 010-10 o 5 O.?5 Max 0 Max bzz êi3
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when they are shell cast using the present casting above crystallize like hardened iron and possess the improved structure described above.
It is also evident that the above specification must be interpreted as encompassing the alloys which contain, in addition to the specified elements, alloying elements incorporated in the composition already: The alloy to give it additional physical or chemical properties. Those skilled in the molding of hardened rolls will understand that the comparatively large composition margin which is indicated above must be employed judiciously and for specific purposes.
The highest carbon content (for example when we want to have very hard rollers) will be used with a low amount of silicon and chromium while the minimum. percentage of carbon (when you want to have
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lower hardness rollers) will use more silicon and less chromium. The aim of these different combinations is to avoid the graphitisati =. primary during cooling or solidification and are based on generally recognized carbide stabilizations or graphitization characteristics of the elements.
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Reference will now be made to FIG. 7, in which the microstructure of a tubular hardened iron casting obtained by a conventional centrifugal molding process has been shown. The mold employed a metallic composition1) the pouring temperature and other factors were kept substantially the same as in Examples 1 and 2 with the only difference con-
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Resistant in that, in this case, the mold was rotating at a rate of 516m1) 80 per minute!) during the pouring of the metal, so that the metal was picked up by the mold at a speed sufficient to prevent rain.
Therefore, at the time of the completion of the pouring, the entire thickness of the wall of the
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molded part was virtually in a liquid state? solidification c # nmen = glove just on the neighboring outer surface of the mold. Primary dendrites erupted just inside and perpendicular to the mussel wall, with the low melting carbide-rich liquid concentrated in the dendritic interstices. The coarse columnar structure resulting from this conventional molding process is clearly shown in Fig. 7.
A microscopic examination of the castings shown in Figs.
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6 and 7 confirm the indications of their macrostmctures (see in Figs 10 and 11). His photomierophotographs which cover about 5rna9 in thickness
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of wall, starting at the roughly machined outer surface (in-
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viron Éoen, 3 inside the outside diameter, as it is cast) show - clearly that the cementite constituent elements (white surfaces) of the present tubular castings in hardened iron are short and randomly oriented (Fàgo10) , as opposed to the relatively long structure;
, perfectly well directed., of a classic tubular molding part in hardened iron (FJ.go1.l) "EKEMPLE 3 ,, - The mold used was made of steel of about On.327mm internal diameter on approximately On454 external diameter ? and Qm? 343 approximately long? and was provided with a thin refractory inner layer of diatomaceous silica and bentonite to prevent direct contact between the molten metal and the mold. The mold was rotated horizontally around its longitudinal axis
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dinal at a rate of approximately 54m? CS from its inner circumference.
While it was running at this speed, about 99kgs-880 copper containing a spoonful of 0-015% phosphorus deoxidizer, as phosphorous copper, at a temperature of about 1376009 was poured into mold, within about 9 seconds.
About 14 seconds after completion of the pouring. \) Fingers of molten metal were observed to be picked up by the upright side of the mold and the mold speed was then increased to about 304 m.
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very? Approximately 24 seconds before this speed was reached o The rain of molten metal began during this period of acceleration and continued until the complete pickup of the molten metal by the mold at the end was observed. approximately 8 minutes and 20 seconds after pouring had started The mold speed was then increased to approximately 608 linear meters and held at that speed until the molded part cooled sufficiently to be able to
support its own weight?) after which we stopped the "spinner" from which the mold was removed and allowed to cool in air. The tubular copper casting obtained as a result is shown polished and engraved, with Figo 8.
In Fig.9, there is shown a tubular molded copper part? also polished and engraved? made by a conventional centrifugal casting process, in which the mold employed and the condition of the molten copper were kept approximately the same as in Example 3; 9 however in the present case the mold rotated at such a speed during the pouring that the copper was distributed rapidly against the wall of the mold and was allowed to cool or solidify. in this position without there being any rain of molten metal.
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A cOOlpara1scm between Figs. 8 and 9 clearly demonstrates the improved crystal structure obtainable with the present molding process over that obtained with conventional molding processes. Specifically, the moldings made by the present invention. The molding process shows a finer, more uniform, randomly aromatic crystal structure, whereas the molding processes employed heretofore give
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produce relatively coarse non-uniform9 products,
with clearly oriented crystals
It is believed that the improved structure of the parts obtained by the present process is due in part to the fact that the combined effects of the rotation of the mold and the viscosity of the molten metal prevent any molten metal from settling into one. point adjacent to the mold before the metal has almost reached its solidification point?) which only peziuet the passage
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of a slight amount of thermal heat across the slight 1-thickness of the molten metal which is permanently held against the mold at all times and only allows crystals to grow randomly. Moreover?) The crystallization on the mold of the molten metal is continuously interrupted.
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more often crystals of much shorter length are obtained.
On the other hand, in conventional centrifugal casting, the molten metal is distributed more rapidly around the mold and is maintained in this position. Under these conditions, the steep temperature slope across the mass of metal:
molten. 9 in addition to the relatively quiet state of the molten metal compared to the mold
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provide an opportunity for the formation of coarse and columnar crystals which are actually obtained with these known molding methods
It will be seen from the foregoing that careful control of the casting temperature is not essential in the present process, especially since the effects of viscosity and of the rotation of the mold automatically prevent any molten metal to remain in contact with the mold until most of the excess heat emanating from the entire charge of molten metal has dissipated and its temperature is very close to its solidification point.
Under these conditions, for any given casting metal the casting temperature can vary within very wide limits, but the molded products, extending over a whole series of molding operations, will have substantially the same structure as long as the moldings. ro speeds
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tation of the mold will be adjusted to ensure the rain concurpaMognb with the solidification. \) as previously described.
To speak now of the compound or mixed rolls which are specifically part of the present inventions, reference will again be made to
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As an illustration, in Examples 1 and 2 in which the molding of a screed or outer ring of hardened iron has already been described, After the initial load of molten metal has been distributed circumferentially around the mold (Examples 1 and 2), Allow a predetermined period of time (about two minutes in this case) before pouring the core metal, in order to minimize reflow of the cooled layer under contact with the jet of core metal.
This waiting period can obviously not be defined in ordinary time units, because it will naturally vary with the heat coefficient of the mold, the nature and the quantity of metal poured to constitute the outer layer, the temperature. and the amount of the core metal poured, and other factors. It was considered sufficient to say that the inner surface of the outer stump must have solidified, but that it must still be at a temperature allowing it to probe rapidly to the core metal when the latter is This determination appears to be well within the reach of any experienced person.
Before the core metal is poured into the mold containing the ring which has been previously formed, the rotational speed of the mold is preferably increased to about 516m, 80 or more to ensure the formation of a dancing core. It is preferable here to increase the rotational speed of the mold as soon as all the initial metal load has been distributed around the circumference of the mold;
but if desired this increase in mold rotation can take place at any time after the initial charge of molten metal has been fully distributed within the mold, 9 but there is an advantage in increasing the speed. of the mold before pouring or pouring
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of the core metal CoomJ.enC6o
The preferred core metal for the present advanced composite or mixed Birch trees referred to here is the cast iron which will crystallize as gray cast iron at the rate of solidification determined by the mold and the part. molded tubular that it contains
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moult as described above.
A mixed roller is thus formed, comprising an outer layer of hardened iron possessing some qualities of wear resistance and an inner core of machinable and impact resistant gray cast iron. A roller of this kind is admirably suited. for grinding and other uses. For this purpose, it has been found that a core metal whose composition is approximately as follows is suitable:
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<tb> C <SEP> If <SEP> Mn <SEP> P <SEP> S <SEP> Cr
<tb>
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a9 399 125-3, Ql% 9Qfl 1, OC% Max 0915% Max 0-3900% Mo Ni.
0 - O., 5C% 0-2eOO%
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It is obvious, however, that one can, if desired, vary the composition of this core metal, for example by adding other elements or by removing one or more of those indicated above.!) in order to obtain the desired mechanical properties for a given application. Likewise, the amount of core metal can vary depending on the size and physical properties desired for the mixed or finished compound roll.
As for the dimensions of the molding part which is described in Examples 1 and 2, approximately 2678 kgs of core metal were used, the composition of which had the following percentage: 3.60 C, 0.60 Mn, 1 , 70 of Si.!) 0950 of P, 0.07 of S, the remainder being in principle iron. The casting temperature of this metal was approximately 1315.5 C and the first approximately 68 legs of the metal were introduced into the mold as quickly as casting conditions and safety considerations permitted, in order to recoat quickly. the entire inner surface of the pre-cast hardened metal ring. The flow rate was then significantly reduced in order to minimize reflow and solution of the solidified ring.
After the core metal completely cooled or solidified, the roll was extracted and buried in sand until it cooled to a temperature at least as low as 204.4 C about.,
In compound or mixed rolls, manufactured as described above. \) The core metal is perfectly bonded to the cooled or tempered outer casing, the intermediate face between the two layers being sharp and clearly defined, as shown in Fig. 12. It will be seen that in the present process of molding the hardened iron rolls it is easy to control the depth of the hardening very exactly by simply adjusting the amount of iron poured.
This controlled quench depth, which allows exact prediction of the service life of the roll, and the improved crystal structure of the quenched layer with the improvement they achieve in performance compared to hardened rollers which are Molded in the conventional manner, the rollers made according to the present invention will be much preferred over such rolls for all the applications for which they are intended.
CLAIMS
1.- A process of casting metal in a relatively horizontal mold, in which the rotational speed of the mold is controlled so as to produce a rain of molten metal inside the mold during the time that the molten metal begins to solidify.