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PERFECTIONNEMENTS AU TRAITEMENT DES METAUX FERREUXo
Cette invention est relative au traitement des métaux ferreux ayant des teneurs en carbone croissantes depuis 1,0 % et elle a pour but d'apporter une amélioration aux propriétés physiques et mécaniques de ces métaux.
Ce procédé peut aussi être adapté à des matières à plus fai- ble teneur en carbone comprise entre 0,05 et 1,0 % de carbone total.
Il est connu depuis longtemps d'utiliser l'air atmosphérique pour l'affinage et le traitement des métaux ferreux et un nouveau pas a été réalisé par l'emploi d'un mélange d'air enrichi en oxygène, grâce au- quel les impuretés se trouvant dans le métal sont éliminées par oxydation, le métal étant fondu et l'air et l'oxygène étant amenés en contact avec les impuretés de manière à les éliminer soit sous forme de gaz, soit sous forme de scorie.
Dans les dernières années, on a aussi mis en pratique le pro- cédé consistant à souffler de l'oxygène sous pression dans les bains d'acier liquide non seulement pour éliminer rapidement les impuretés oxydables mais aussi pour obtenir une élévation rapide de la température.
Ces procédés connus ont jusqu'à présent eu pourbut uniquement d'éliminer les impuretés oxydables et on a admis de façon générale que la présence dans les métaux ferreux d'oxygène et d'oxydes occlus, même la plus petite quantité, est nuisible à la fois à. la résistance et à la quali- téo Pour cette raison, on s'arrange habituellement pour éliminer l'oxygène du métal liquide.
Or, on a trouvé que le métal ainsi désoxydé se solidifie grossièrement etinégalement, particulièrement dans-les pièces coulées mas- sives. Dans la zone centrale, ces pièces, coulées montrent souvent des
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cristaux si grossiers qu'ils provoquent des tensions internes suffisantes pour amener la rupture, soit interne, révélée par sectionnement de la pièce coulée, soit externe provoquant des fissures externes de la pièce coulée, soit au cours de la fabrication, soit au début de son existence.
Par exemple, dans certains rouleaux et cylindres fabriqués par des procédés utilisés jusqu'à présent, des ruptures se produisent souvent dans le fûr du rouleau, l'endroit précis dépendant du contour du rouleau et dans presque tous les cas, ces ruptures révèlent la présence de décollement et de retrait au centre du rouleau, les ruptures elles-mêmes étant du type à plan de clivage et montrant un métal à cristaux grossiers. En outre, dans chaque cas, l'examen du rouleau brisé a révélé une rupture interne qui, si elle n'a pas atteint la surface de coulée du rouleau, a progressé jusqu'à trois ou quatre pouces (75 à 100 mm) de cette surface.
Dans d'autres rouleaux, l'usinage a aussi révélé des défauts sous forme de assures internes qui ont provoqué la rupture du rouleau au cours de l'usinage ou, si elles n'ont pas été révélées à ce moment, ont provoqué une rupe prématurée dans le laminoir.
Suivant un procédé de traitement des métaux ferreux conforme à l'invention, on fournit au métal liquide une quantité d'oxygène qui déclenche une action grâce à laquelle l'oxygène fourni, en même temps que l'oxygène tiré de l'atmosphère ambiante, est absorbé en quantité propre à satisfaire aux exigences des éléments oxydables présents, et un excès d'oxygène dépassant ces exigences provoque un abaissement de température du métal liquide avant sa solidification et, par conséquent, la formation de cristaux considérablement plus fins (c'est-à-dire plus petits) que ceux qui se forment dans le métal de même composition traité de la manière normale.
Il n'est pas possible d'obtenirnun étalon de comparaison absolu pour définir le sens des mots "considérablement plus fins" employés ci-dessus, car la grosseur de ces cristaux varie suivant la dimension de la pièce coulée ainsi que d'après d'autres facteurs. Cependant, la caractéristique des cristaux dans le métal traité suivant l'invention est que le rapport de la longueur à la largeur ne dépasse pas 2 : 1 et qu'il est souvent de 1 : 1d'où il résulte une structure cellulaire équiaxee tandis que les cristaux des pièces coulées ordinaires ont invariablement un rapport de trois ou plus à un.
Ce procédé permet d'obtenir des cristaux fins équiaxés et il réduit la croissance directionnelle et dendritique au cours de la solidification.
L'oxygène peut être fourni au métal de différentes façons.
On peut l'injecter dans le métal liquide sous forme de jet de gaz à haute pression. Ce jet peut être constitué par de l'oxygène p ou il peut être pbntenu dans de l'air comprimé qui peut être enric à tout degré youlu. exenple de la vapeur sèche sous pression ou de l'anhydride carbonique. La pression du jet, le degré d'enrichissement et la pression partielle de l'oxygène lui-même n'ont pas d'influence appréciable sur la réceptivité de l'oxygène par le métal liquide, pas plus que ces facteurs n'exercent d'influence particulière sur la quantité d'oxygène requis pour obtenir les résultats désirés, bien qu'ils puissent affecter la période d'injection ou la vitesse de la fourniture de l'oxygène dans le bain liquide. L'oxyde peut aussi être fourni sous forme d'oxyde de fer ajouté au métal liquide.
Des essais métallurgiques ont établi que les propriétés physiques et métallurgiques requises peuvent être obtenues indépendamment de la teneur en soufle du métal et bien que le procédé de traitement conforme à l'invention puisse être secondé par n'importe quel procédé normalement employé pour éduire la teneur en soufre si on le désire, ce n'est pas un préliminaire essentiel à aucun stade de la fabrication.
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La fourniture d'oxygène suivant la présente invention peut être faite soit dans le four de fusion, soit ultérieurement dans une poche après la coulée du métal du four. On peut utiliser n'importe quel four dans le- quel l'affinage peut être effectué dans le bain liquide. Le fer fondu dans un cubilot ou un four similaire, peut être traité dans une poche après coulée.
On a trouvé dans les métaux ferreux traités suivant cette in- vention que la gamme de températures entre l'état complètement fluide et l'état complètement solide (c'est-à-dire, l'intervalle de température entre le liquidus et le solidus) est à la fois modifiée et réduite, avec une ré- duction correspondante de la durée nécessaire à la solidification du métal.
Ce refroidissement qui se produit dans les métaux traités par le procédé décrit réduit considérablement la grosseur des cristaux et la cavitation lorsqu'elle se produit, malgré les meilleures propriétés de coulée des mé- taux ainsi traités, n'est pas aussi dangereuse au point de vue des tensiens internes que dans les métaux non soumis au traitement. Les métaux traités conformément à l'invention sont plus résistants que les métaux non traités tandis que leur dureté n'est pas fâcheusement affectée.
La résistance tant à l'effrittement superficiel qu'à l'usure est sensiblement augmentée par suite de l'élimination de la croissance dendritique, des défauts connus sous le nom de plans de clivage, coins fantômes et défauts analogues dans les lingpts et les pièces coulées sont entièrement éliminés. Un autre effet de l'abondance d'oxygène est l'éli- mination des impuretés non métalliques indésirables qui normalement peu-- vent se trouver en pellicules continues ou semi contenues. L'expérience de la demanderesse lui a montré qu'avec un métal de composition appropriée, la profondeur de refroidissement obtenue à la coulée est augmentée pour une composition donnée.
Au point de vue métallurgique, l'oxygène a une influence pré- cise sur chaque phase du système métallique. Le carbure libre, en excès sur la normale dans l'eutectoïde, est rendu à la fois plus doux et plus résistant et présente une tendance marquée à l'absorption partielle dans l'eutectoïde, tout surplus étant distribué en un fin réseau cellulaire de particules séparées équiaxées au lieu des grandes plaquettes fragiles qu'on trouve habituellement.
L'effet de l'oxygène sur le réseau métallique (qui dans le cas général est constitué par de la perlite ou un mélange de perlite et de ferrite ou de cémentite) présente une analogie partielle marquée avec les effets du molybdène et du nickel. C'est un fait bien connu que lorsque le fer ou l'acier se refroidit, soit initialement après la solidification ou ultérieurement après réchauffage, un changement de phase consistant en un réarrangement de la structure atomique, se produit à environ 730 C. C'est la température Ar3. Ce changement atomique ou de phase est réversible et peut être répété indéfiniment.
L'effet du nickel dissous et/ou du molyb- dène dissous est d'abaisser progressivement la température à laquelle le changement Ar3 se produit jusqu'à ce que finalement cette température soit en dessous de la température ambiante normale d'environ 20 C. Le produit final est d'autant plus dur que la température à laquelle ce changement se produit est plus basse. Ce phénomène est utilisé au cours du traite- ment thermique et de la trempe de l'acier.
On a observé dans tous les métaux ferreux traités par l'oxy- gène suivant le présent procédé, un pareil retard à la transforma.tion avec à l'occasion la conservation de la structure que le métal possède à haute température jusqu'à la température atmosphérique; ainsi tandis qu'on peut obtenir un durcissement marqué grâce à cet abaissement du point de trans- formation, tout carbure libre tend à être absorbé, avec une augmentation de la ductilité. Ceci permet de réduire la proportion des coûteux éléments d'alliage.
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L'effet de l'addition d'oxygène sur le graphite de la micro- structure est très marqué. Le graphite qui se présente normalement dans les métaux ferreux sous forme de flocons affaiblit ces métaux de fagon mar- quante. L'effet de quantités successivement croissantes d'oxygène est d'abord d'affiner la structure du graphite jusqu'à ce qu'elle devienne com- parable à celle qui est normalement associée avec les fontes dites "inocu- lées".
L'augmentation de la quantité d'oxygène a pour effet de modifier encore davantage cette structure, de sorte qu'elle devient successivem,ent vermiculaire et approche finalement de la structure nodulaire normalement obtenue seulement par l'addition de certains des métaux du groupe alcalino- terreux de la classification périodique, tels que le magnésium, le cérium. etc, Dans quatre échantillons du même métal dans lequel 3on a introduit de l'oxygène jusqu'à la teneur de 100 pieds cubes (2,83 m ) par tonne, 250 pieds cubes (7,1 m3) par tonne, 400 pieds cubes-(11,3 m3) et 900 pieds cubes (25,5 par tonne respectivement, on a constaté: a) une influence progressive sur la distribution et la structure du graphite; b) une diffusion progressive du carbure libre ;
une absorption progres- sive du carbure libre ainsi diffusé dans le réseau et le plus important: d) une matière progressivement plus homogène et plus résistante.
Actuellement, l'effet fondamental de l'oxygène n'est pas en- core complètement élucidé. Il n'est certainement pas occlus sous forme de bulles. Il y a certaines raisons de croire qu'il peut s'associer-avec la phase carbure de la structure, laquelle phase appardt (dans les conditions de cette invention) principalement comme un eutectoïde riche en cémentite, tout excès prenant une forme cellulaire, de résistance supérieure aux pla- quettes fragiles souvent observées dans les métaux non traités.
L'excès d'oxygène qui n'est pas pris en solution dans le mé- tal peut être éliminé par la technique reconnue de désoxydation en utili- sant du ferro-silicium, du ferro-manganèse ou d'autres agents appropriés.
On donnera ci-dessous en détails quelques exemples d'applica- tion de)ce procédé : EXEMPLE 1.-
Pour faire une fonte d'alliage pour la fabrication de cylin- dres de laminoir:
On fond 16 tonnes de métal dans un four à réverbère à air.
On soufle "à la lance" 100 pieds cubes (2,83 m3) d'oxygène ga- zeux par tonne de métal liquide sous une pression de 80/120 libres par pou- ce carré (5,6/8,5 kg/cm2) par un tube d'acier doux de 3/4 pouce (19 mm) d'alésage qui a été enfoncé de 6 pouces (152 mm) dans le bain de métal li- quide en traversant la scorie de couverture.
La durée d'injection est d'environ deux minutes.
Résultats.
Oxydation des éléments en poids.
Carbone Silicium Manganèse Chrome
3 1/2% 12% 10% 32% Elévation de la température du métal liquide: 150 C.
Structure résultante dans le cylindre: affinement marqué du grain, résilience accrue et légère augmentation de la dureté.
La pratique a montré qu'on obtient les meilleurs résultats
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lorsqu'on injecte l'oxygène au point d'effervescence de la scorie.
EXEMPLE 2. -
Scorie effervescente.
Poids du métal liquide traité: 8 tonnes.
Quantité d'oxygène injectée: 200 pieds cubes (5,66 m3) par tonne de métaL Pression 2 d'injection de l'oxygène à la "lance": 100 livres par pouce carré (7 kg/cm ) .
Tuyau, d'injection ("lance") acier doux de 3/4 pouce (19 mm) de diamètre.
Endroit de l'injections 6 pouces (152 mm) en-dessous de la surface du métal dans le four à réverbère à air.
EMI5.1
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Analyse <SEP> du <SEP> métal <SEP> avant <SEP> injection <SEP> Teneur <SEP> en <SEP> oxyde <SEP> de <SEP> fer <SEP> dans <SEP> la
<tb>
<tb> d'oxygène <SEP> scorie <SEP> avant <SEP> traitement <SEP> par <SEP> l'oxy-
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<tb> ¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ <SEP> gène.
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Carbone <SEP> 2,1 <SEP> % <SEP>
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<tb> Silicium <SEP> 0,60
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<tb> Manganèse <SEP> 0,40 <SEP> Oxyde <SEP> de <SEP> fer: <SEP> 17,7 <SEP> % <SEP>
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<tb> Chrome <SEP> 0,90
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<tb> Aanalyse <SEP> du <SEP> métal <SEP> au <SEP> moment <SEP> de <SEP> l'ef- <SEP> Teneur <SEP> en <SEP> oxyde <SEP> de <SEP> fer <SEP> dans <SEP> la <SEP> sco-
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<tb> fervescence <SEP> de <SEP> la <SEP> scorie, <SEP> c'est-à- <SEP> rie <SEP> au <SEP> moment <SEP> de <SEP> l'effervescence.
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<tb> dire <SEP> après <SEP> le <SEP> traitement <SEP> à <SEP> l'oxygène.
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Carbone <SEP> 2,06 <SEP> % <SEP>
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<tb> Silicium <SEP> 0,40 <SEP> Oxyde <SEP> de <SEP> fer: <SEP> 29,0 <SEP> % <SEP>
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<tb>
<tb> Manganèse <SEP> 0,25
<tb>
<tb>
<tb> Chrome <SEP> 0,70
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En se reportant aux analyses du métal données ci-dessus, un calcul de ce qui serait théoriquement nécessaire pour satisfaire les déments oxydables donne un chiffre de 6090 pieds cubes (172 m3) d'oxygène sous une pression et une température normales.
En3 fait, le volume d'oxygène injecté n'a été que de 1600 pieds cubes (45 m ) (sous une pression et à une tem- pérature normales) bien que cette quantité ait été injectée sous une pres- sion de 100 livres par pouce carré (7 kg/cm2). Il est donc clair que l'o- xygène injecté ne peut être tenu pour seul responsable de tous les change- ments subis par le métal, mais qu'il apparalt comme un initiateur et qu'une autre quantité considérable d'oxygène (qui est librement disponible dans l'atmosphère ambiante) est également consommée. On ne sait pas de quelle manière ni en quelle quantité cet oxygène extérieur est absorbé par le mé- tal, et il n'y a pas de doute qu'elle varie suivant la composition du mé- tal.
EXEMPLE 3.-
Scorie non effervescente.
Poids du métal liquide traité: 11. 760 kg.
Quantité d'oxygène injectée: 130 pieds cubes (36,6 m3) par tonne de métal.
Pression à la "lance": 120 livres par pouce carré (8,4 kg/cm2).
Endroit d'injection: 6 pouces (152 mm) en-dessous de la surface du métal liquide dans le four à réverbère à air.
Scorie: tranquille à la fin de l'injection d'oxygène.
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EMI6.1
<tb> Analyse <SEP> du <SEP> métal <SEP> avant <SEP> traitement <SEP> Teneur <SEP> en <SEP> oxyde <SEP> de <SEP> fer <SEP> dans <SEP> la
<tb>
<tb> par <SEP> l'oxygène <SEP> scorie <SEP> avant <SEP> traitement <SEP> par
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EMI6.2
¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ i9 OXY-sene a
EMI6.3
<tb> Carbone <SEP> 2980 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb> Silicium <SEP> 0,89 <SEP> Oxyde <SEP> de <SEP> fer:
<SEP> 12,0 <SEP> % <SEP>
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<tb>
<tb> Manganèse <SEP> 0,38
<tb>
<tb>
<tb> Chrome <SEP> o,61
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<tb>
<tb>
<tb> Analyse <SEP> du <SEP> métal <SEP> après <SEP> traitement <SEP> Teneur <SEP> en <SEP> oxyde <SEP> de <SEP> fer <SEP> dans <SEP> la
<tb>
<tb> par <SEP> l'oxygène <SEP> scorie <SEP> après <SEP> traitement <SEP> par
<tb>
EMI6.4
¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ l'oxygène.
EMI6.5
<tb>
Carbone <SEP> 2,78 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb> Silicium <SEP> 0,78
<tb>
<tb> Manganèse <SEP> 0,30 <SEP> Oxyde <SEP> de <SEP> fer: <SEP> 16,0 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb> Chrome <SEP> 0,54
<tb>
Résumé des effets métallurgiques de cette invention: 1) Les métaux traités se refroidissent considérablement avant de se solidi- fier.
2) Le graphite est par conséquent très affiné et il tend naturellement vers les types vermiculaire et même sphéroïdal.
3) Les carbures libres sont considérablement modifiés: ils deviennent pro- gressivement plus doux et de forme plus fine et plus arrondie que les plaquettes de carbure communes aux métaux non traités et surtout une absorption de cémentite finement divisée dans le réseau diminue la quai- tité se trouvant sur les bords.
4) Un abaissement successif du point de transformation Ar3 est obtenu dans le réseau sans devoir ajouter des éléments d'alliage coûteux.
Résumé des effets physiques et mécaniques de l'invention, le refroidisse- ment préalable à la solidification produit : 1) Une réduction de la croissance directionnelle au cours de la solidifica- tion.
2) Une réduction de la croissance dendritique au cours de la solidification.
3) Une production de fins cristaux équiaxés.
Ces propriétés (possédées par les métaux traités) procurent les avantages suivants a) Réduction marquée du retrait. b) Absence de croissance dendritique grossière habituellement associée à ces zones. c) Absence de tensions internes associées qui produisent la rupture du mé- tal lorsqu'il est coulé en grandes masses. d) Absence de lignes ou de plans internes de faiblesses qui peuvent être causés dans les métaux non traités par des impuretés non métalliques du type en pellicule continue.
Les détails suivants sont typiques de la production d'un cy- lindre de laminoir en fonte suivant le procédé de la présente invention:
EMI6.6
<tb> EXEMPLE <SEP> 4.- <SEP>
<tb>
<tb> Type <SEP> de <SEP> four <SEP> réverbère <SEP> à <SEP> air
<tb>
<tb> Combustible <SEP> charbon <SEP> pulvérisé
<tb>
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EMI7.1
<tb> Poids <SEP> de <SEP> la <SEP> charge <SEP> métallique <SEP> 16 <SEP> tonnes
<tb>
<tb>
<tb> chax
<tb>
<tb>
<tb> Constitution <SEP> de <SEP> la <SEP> charge.- <SEP> matière <SEP> % <SEP> analyse <SEP> calculée
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> mitraille <SEP> de <SEP> fer <SEP> 55 <SEP> T.C.
<SEP> 2,90%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> mitraille <SEP> d'acier <SEP> 8 <SEP> Si <SEP> 1,30%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> mitraille <SEP> d'hzmatite <SEP> 11 <SEP> Mn <SEP> 0,75%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> fonte <SEP> hématite <SEP> 26 <SEP> S <SEP> 0,09%
<tb>
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<tb>
<tb>
<tb> P <SEP> 0,20%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Ni <SEP> néant
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<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Cr <SEP> 0,50%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Mo <SEP> néant
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Apres''fusion, <SEP> l'analyse <SEP> du <SEP> bain <SEP> donnes <SEP> Carbone <SEP> total <SEP> 2,80%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> si <SEP> 1,05
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Mn <SEP> 0,40
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Cr <SEP> 0,56
<tb>
La température du bain après fusion est de 1380 C.
On ajoute à la "lance" 1600 pieds cubes (45 m3) d'oxygène sous une pression de 100 livres par pouce carré (7 kg/cm) par injection d'oxygène gazeux par un tube d'acier doux de 3/4 pouce (19 mm) approximativement 6 pouces (152 mm) en-dessous de la surface du métal liquide. Ceci est équivalent à 100 pieds cubes (2,83 m3) d'oxygène par tonne de métal liquide.
Température aprèsinjection: 1500 C (élévation due à l'injection: 120 C)
EMI7.2
<tb> Analyse <SEP> du <SEP> bain <SEP> après <SEP> injections <SEP> carbone <SEP> total <SEP> 2,70 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb> Si <SEP> 0,92
<tb> Mn <SEP> 0,36
<tb>
<tb> Cr <SEP> 0,38
<tb>
On ajoute au métal liquide dans le bain, sous forme de ferro-alliages:
EMI7.3
<tb> 0,1% <SEP> Si
<tb>
<tb> 0,15 <SEP> Mn
<tb>
<tb> 0,12 <SEP> Cr
<tb>
La coulée est faite 15 minutes plus tard.
Après refroidissement dans la poche jusque 1325 C, le cylin- dre est coulé de la manière habituelle, l'arrivée se faisant normalement mais-plus complètement. On retire le cylindre du moule après la péri ode ordinaire. Sans avoir subi aucun traitement thermi que, ce cylindre a la composition suivante :
EMI7.4
<tb> Carbone <SEP> total <SEP> 2,71 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb> Carbone <SEP> combiné <SEP> 1,46
<tb>
<tb> Graphite <SEP> 1,25
<tb>
<tb> S <SEP> 0,94
<tb>
<tb> S <SEP> 09099
<tb>
<tb> P <SEP> o,176
<tb>
<tb> Mn <SEP> 0,43
<tb>
<Desc/Clms Page number 8>
EMI8.1
<tb> Ni <SEP> 0,27
<tb>
<tb> Cr <SEP> 0,48
<tb>
<tb> Mo <SEP> 0,08
<tb>
La dureté du cylindre est déterminée comme de coutume au moyen du sclérosco- pe Shore et on obtient les résultats suivants :
Dureté maximum 44,5 Shore
Dureté minimum 35,5 Shore
Moyenne du cylindre 40,0 Shore Ceci est environ 2 supérieur à la normale obtenue sur des cylindres non traités de composition et de grandeur analogues.
Résultats de la coulée.
L'atelier d'usinage a signale que ce cylindre avait un grain très fin équivalent presque à celui obtenu par coulée froide.
Microstructure.
Le réseau est presque identique à celui obtenu normalement avec un traitement au magnésium. Le graphite tend vers le type traité au magnésium, c'est-à-dire, partie sphéroïdal, partie vermiculaire, partie flo- conneux.
Le carbure libre est extrêmement fin et bien réparti.
REVENDICATIONS.
1.- Procédé de traitement d'un métal ferreux, caractérisé en ce qu'on fournit, au métal liquide une quantité d'oxygène qui déclenche une action grâce à laquelle l'oxygène fourni , avec l'oxygène pris à l'at- mosphère ambiante est absorbé en quantité propre à satisfaire aux exigen- ces des éléments oxydables présents, et un excès d'oxygène sur cette quan- tité provoque un refroidissement du métal liquide avant la solidification et forme ainsi des cristaux considérablement plus fins (c'est-à-dire plus petits) que ceux formés dans le métal de même composition traité de la manière habituelle.