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PERFECTIONNEMENTS RELATIFS A LA FONTE NODULAIREo
La présente invention se rapporte de manière générale à des alliages composés de métaux ferreux et plus particulièrement à des allia- ges bruts de coulée'composés de fer et de carbone contenant des grains sphé- rulaires de graphite.
On appelle communément "fonte" un alliage métallique ferreux quicontient essentiellement du fer, du silicium et du carbone, ce dernier élément ayant une teneur dépassant 1,7%.
La fonte dans laquelle le carbure de fer (cémentite) se trouve dissocié à un degré important en graphite et fer exempt de carbone (la ferrite) est appe- lée communément "fonte grise" en raison de l'aspect gris de sa cassure.
Dans les fontes grises, le carbone libre est généralement présent sous la forme de paillettes de graphite incluses dans une matrice métallique. Etant donné que le graphite est une matière de structure ten- dre, sa présence dans la matrice sous la forme de pailettes de longueurs variables, distribuées au hasard est souvent sensiblement en contact mutuel dans le métal comme une succession de vides ou de points faibles qui inter- rompent la continuité de la matrice.Il en résulte que la dimension, la dis- tribution et le groupement des paillettes de graphite déterminent, en une large mesure, les propriétés physiques de la fonte.
Ces propriétés, en par- ticulier la résistance à la traction, la limite élastique et l'allongement en pour cent peuvent être améliorées (1) si on réduit les dimensions des paillettes, (2) si on les distribue uniformément et (3) si on les dispose selon des figures particulières dans tout l'ensemble de la matrice. Cepen- dant,les opérations de fonderie utilisées pour obtenir des pailettes ayant les qualités ci-dessus sont nécessairement compliquées. Dans la fabrication de la fonte grise très résistante, par exemple, on ne peut obtenir les ca-
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ractéristiques désirables des paillettes qu'en réglant avec soin la com- position et le refroidissement du métal en fusion.
Même avec un tel réglage, il existe une limite déterminée pour l'amélio- ration des propriétés physiques de la fonte tant que sensiblement tout le graphite conserve la forme de paillettes.
Cependant, si l'on réussit à donner à une quantité suffisan- te de graphite présente dans la fonte une forme compacte (forme que l'on à décrite sous différentes dénominations comme arrondie, nodulaire, sphéru- litique, sphéroïdale ou sphérulaire) au lieu de la forme en paillettes, les propriétés physiques de la fonte et en particulier sa ductibilité s'amélio- rent considérablement. Cette quantité suffisante de graphite sous forme compacte peut dépasser considérablement la quantité minimum essentielle pour obtenir cette amélioration marquée.
On la définira et la désignera ci-après sous le nom de quantité "efficace".
En outre, si on peut faire apparaître cette quantité "efficace" de graphi- te sphérulaire dans une fonte brute de coulée, les opérations de fonferie se trouvent fortement simplifiées. Dans la présente description, on entend par."fonte brute de coulée ou de fonderie" l'état d'une masse métallique que l'on a portée d'un état liquide au-dessus de son point de fusion à un état solide à froid par refroidissement à la vitesse particulière utilisée dans la pratique habituelle de la fonderie.
On a déterminé par expérience la quantité "efficace" de gra- phite sphérulaire comme étant comprise approximativement entre 20 et 100% (par contrôle ou examen) du carbone libre présent, mais une quantité effica- ce peut, dans certains cas, être légèrement inférieure à 20%.
Lorsque le graphite se trouve sous forme compacte, il se présente à l'état d'ilôts essentiellement sphérordaux entourés par des pla- ges de ferrite (fer exempt de carbone) ou de perlite (plaques alternées de cémentite et de ferrite).
Ainsi, une matrice métallique contenant une quantité efficace de son graphi- te sous forme compacte se rapproche plus étroitement de la continuité et avoisine de plus près l'absence de solutions de discontinuité affaiblissan- tes que présente une matrice dans laquelle la presque totalité des inclusions de graphite se trouve sous forme de paillettes ou d'assemblages analogues à des paillettes.
Les propriétés physiques supérieures que l'on reconnaît à la fonte malléable obtenue à partir de la fonte blanche (qui est une fonte dont la totalité du carbone se trouve sous forme combinée) peuvent être attribuées directement à la forme compacte des inclusions de graphite,bien gue de telles inclusions (appelées "carbone de recuit") ne soient pas stric- tement nodulaires ou sphérulaires, dans le sens que l'on donne ici à ces expressions.
Un métal ferreux brut de coulée qui présente une microstruc- ture caractérisée par la présence d'une quantité efficace d'inclusions com- pactes de graphite, inclusions nodulaires ou sphérulaires, est connu sous des appellations diverses telles que "fonte malléable", fer malléable", "fonte graphitique nodulaire", ou simplement "fonte nodulaire". En raison de ses propriétés physiques supérieures qui ressemblent sous bien des rap- ports à celles de l'acier, la fonte nodulaire telle qu'on va la décrire ci- après est considérée comme un produit hautement désirable pour de nombreu- ses utilisations dans la construction.
L'avantage de la fonte nodulaire ne réside pas seulement dans le fait qu'on peut la travailler aisément et qu'elle présente des propriétés améliorées, mais aussi dans le fait qu'on peut la couler en grandes sections directement à partir du métal en fusion sans traitement
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thermique ultérieur; comme d'ailleurs un équipement important n'est pas nécessaire, on peut la produire à un prix comparable à celui de la fonte grise ordinaire. Au contraire, une fonte malléable, qui présente des propriétés supérieures à celles de la fonte grise, mais en général infé- rieures à celles de la fonte nodulaire, ne peut être obtenue qu'à partir de la fonte blanche que l'on soumet à un traitement thermique onéreux, long et relativement compliqué.
Il est bien entendu que la fonte nodulaire a déjà attiré antérieurement l'attention des chercheurs avec, comme conséquence, le fait qu'on a proposé plusieurs compositions de fonte nodulaires parmi lesquel- les figurent des fontes nodulaires brutes de coulée contenant des substan- ces donnant la structure nodulaire et non utilisées jusqu'à présent dans les fontes grises ordinaires telles qu'elles viennent à l'état brut de fon- derie.
On a préparé ces compositions de fonte nodulaire à l'aide de différents procédés. Parmi ces procédés, beaucoup possèdent une phase commune. Ils ont recours à l'alliage, avec un métal ferreux donnant du graphite et pendant que ce métal se trouve en fusion, d'une ou plusieurs substances; habituellement sous la forme métallique, susceptibles de pro- voquer l'apparition de sphérules de graphite dans le métal brut de coulée.
Parmi les substances choisies antérieurement pour leur alliage avec le mé- tal ferreux, on peut citer le magnésium, le cérium, le calcium, le stron- tium, le baryum, le tellure et le zirconium. Parmi ces métaux, le cérium et le magnésium se sont révélés les plus intéressants en fonderie.
La technique antérieure, lorsqu'elle enseigne l'utilisation de ces substances pour la fabrication de la fonte nodulaire, préconise dans certains cas la rétention de quantités réglées de ces substances dans le métal brut de fonderie lorsque ce métal doit contenir du graphite sphéru- laire et présenter des caractéristiques physiques désirables. Dans le cas des fontes nodulaires contenant du cérium, la technique antérieure connue enseigne que la teneur en sérium retenue dans le métal ferreux brut de cou- lée doit être comprise entre 0,015 et 5%.
Dans le cas des fontes nodulaires contenant du magnésium et où le magnésium constitue la substance essentiel- le pour provoquer la formation de graphite sphérulaire, la technique anté- rieure connue enseigne que la teneur en magnésium retenue dans le métal fer- reux brut de coulée doit être comprise entre 0,030 et 0,5%.
Si la teneur en magnésium retenue descend en dessous de 0,030%, la technique antérieure déclare que le métal ferreux brut de cou- lée n'est plus nodulaire, mais contient en remplacement des inclusions de graphite en paillettes.
Si la teneur en magnésium retenue dépasse 0,5%, le métal ferreux brut de coulée contient des carbures libres. Ainsi, la production de fontes nodu- laires conformes à la technique antérieure exige une précision de procé- dé de contrôle indésirable dans la pratique courante de la fonderie.
En outre, le cérium aussi bien que le magnésium sous for= me métallique sont des produits relativement coûteux comparés au métal fer- reux auquel on les incorpore. Le cérium présente encore l'inconvénient supplémentaire de n'agit efficacement que sur des métaux ferreux hypereu- tectiques (à teneur élevée en carbone) et à faible teneur en phosphore.
De plus, le magnésium métallique qui, d'après la techni- que antérieure, est un producteur satisfaisant du graphite sphérulaire, est -généralement allié au nickel ou au cuivre pour son introduction dans le métal ferreux en fusion, de sorte que la nodularisation avec du magnésium métallique demande l'utilisation non pas d'un, mais de deux métaux qui sont relativement coûteux.
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Le nickel et le cuivre introduits dans le métal ferreux en fusion sont retenus dans la pièce coulée lorsque celle-ci se refroi- dit. Cette rétention est indésirable lorsque se présente l'éventuali- té que le métal coulé puisse être mis au rebut ultérieurement, étant don- né que le nickel et le cuivre ne peuvent être retirés économiquement des riblons ou déchets métalliques. En outre, des métaux tels que le nickel) le cuivre, le cérium et le magnésium sont des matières d'intérêt. stratégi- que nécessaires à la défense nationale. En temps de guerre ou pour des nécessités nationales, ces métaux peuvent être attribués avec une telle parcimonie qu'ils sont virtuellement inaccessibles.
On peut trouver une ou plusieurs substances qui, mises en contact avec des métaux ferreux en fusion donnant du graphite, donnent naissance à un produit approprié susceptible de provoquer l'apparition de graphite sphérulaire dans un métal ferreux brut de coulée, sans qu'il @ soit nécessaire que cette substance ou ce produit restent retenus en des quantités déterminées dans la pièce coulée finale, et la production de fonte nodulaire peut se trouver simplifiée.
Si les substances qui donnent naissance à l'agent de no- dularisation se rencontrent très largement dans la natùre sous une forme utilisable et à un prix inférieur aux substances utilisées dans la techni- que antérieure et n'ont pas besoin d'être sous forme métallique, la fonte nodulaire peut être rendue moins coûteuse qu'auparavant.
Si les substances qui donnent naissance à l'agent de nodula- risation ont tendance à disparaître, la fonte nodulaire sera plus pure par- ce qu'elle ne retiendra sensiblement aucun résidu de cet agent sous forme d'impuretés dans la pièce coulée finale.
Si, en outre, la substance qui donne naissance à l'agent de nodularisation peut être utilisée efficacement vers un produit de la tech- nique antérieure tel que le magnésium dans un procédé analogue à celui fai-- sant l'objet de la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique N 262.957, déposée le 22 décembre 1951, pour la production d'une fonte nodulaire brute de coulée conservant une teneur en magnésium inférieure au minimum que né- cessitait la technique antérieure, on pourra rendre moins coûteuse qu'aupa- ravant et simplifier les fontes nodulaires contenant du magnésium tout en économisant davantage de magnésium métallique pour d'autres utilisations.
Une substance qui présente toutes les caractéristiques pré- citées, mais qui auparavant n'a pas été reconnue comme étant une source de produit favorisant la naissance du graphite sphérulaire, est un halogé- nure, le chlorure de sodium.
Cet halogénure, mis en contact avec le métal ferreux en fusion donnant du graphite et un produit réducteur approprié, introduit dans la masse en fu- sion un agent de nodularisation puissant, à savoir le sodium. On n'a pas reconnu dans la technique antérieure le sodium comme étant un agent volatil donnant naissance au graphite nodulaire et son utilisation dans ce but est l'une des caractéristiques de la présente invention.
La fonte nodulaire obtenue en utilisant le chlorure de sodium comme source de sodium présente les propriétés physiques désira- bles inhérentes à la fonte nodulaire obtenue en utilisant d'autres agents donnant naissance à des nodules tels que le cérium ou le magnésium métal- liques, encore qu'elle soit sensiblement exempte de sodium retenu dans le métal à l'état de fonte brute.
La fonte nodulaire obtenue en utilisant le chlorure de sodium comme source de sodium est moins'coûteuse que la fonte nodulaire obtenue avec le cérium ou le magnésium métallique parce que l'on peut en-
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gendrer le sodium nécessaire à partir du chlorure sans opérer une réduc- tion préalable du sodium, ou sans allier du sodium métallique avec n' importe quel autre métal en vue d'éviter les risques qui accompagnent l'addition de sodium élémentaire au métal ferreux en fusion.
La fonte nodulaire obtenue en utilisant à la fois le chlo- rure de sodium et le chlorure de magnésium comme source des agents respec- tifs produisant du graphite nodulaire et tels que le sodium et le magnésium, possède les propriétés physiques désirées que présente la fonte nodulaire en utilisant d'autres produits nodularisants tels que le cérium ou le magnésium métalliques. La fonte nodulaire obtenue avec du chlorure de so- dium et du chlorure de magnésium,-à l'état brut de coulée, est sensiblement dépourvue de sodium retenu et elle contient une quantité de magnésium re- tenu inférieure au minimum indiqué par la technique antérieure.
D'autres substances qui, lorsqu'on les met en contact avec le métal ferreux en fusion donnant du graphite, se révèlent des sources sa- tisfaisantes de sodium se comportant comme agent de nodularisation, sont cons- tituées par les autres halogénures, tels que le fluorure de sodium, le bromu- re de sodium et l'iodure de sodium.
La fonte nodulaire obtenue avec du fluorure de sodium comme source de sodium présente les propriétés physiques désirables que possède la fonte nodulaire obtenue en utilisant d'autres produits nodularisants tels que le cérium ou le magnésium métalliques, tout en étant, à l'état brut de coulée, sensiblement exempte de sodium retenu.
Les fontes nodulaires obtenués avec du bromure de sodium ou de l'iodure de sodium sont également, à l'état brut de coulée, sensible- ment exemptes de sodium retenu.
Ainsi, les halogénures de sodium constituent une source satisfaisante du sodium comme agent donnant naissance au graphite sphéru- laire, et les fontes préparées à l'aide des halogénures de sodium sont, à l'état brut de coulée, sensiblement exemptes de sodium retenu.
En conséquence, la présente invention a pour principal ob- jet non seulement d'éviter les inconvénients mentionnés ci-dessus, mais aus- si de réaliser les avantages que l'on a indiqués ci-dessus, grâce à l'ob- tention d'une composition nouvelle plus pure de métal ferreux brut de cou- lée contenant du graphite sphérulaire.
L'invention a encore pour objet : - une composition métallique nouvelle à l'état brut de cou- lée contenant du graphite sphérûlàire qui est sensiblement exempte de la substance qui provoque l'apparition de sphérules de graphite dans le métal brut de coulée; - une composition nouvelle de métal ferreux à l'état brut de coulée contenant du graphite nodulaire mais ne contenant pas de nickel, de cuivre ou cérium à l'état brut de coulée; - une composition de métal ferreux à l'état brut de coulée qui contient du graphite nodulaire et dont les propriétés physiques sont supérieures à celles de la fonte grise ordinaire à l'état brut de coulée, mais qui ne contient sensiblement pas d'autres éléments que ceux habituelle- ment présents dans la fonte normale;
, - une composition nouvelle de métal ferreux brut de cou- lée, contenant du graphite nodulaire et ayant une résistance à la trac= tion, une limite élastique et une ductilité' analogues à celles de l'
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acier ; - une composition nouvelle de métal ferreux brut de coulée contenant du graphite nodulaire et ayant un nodule d'élasticité sensible- ment égal ou supérieur à celui de la fonte malléable; - une composition nouvelle de métal ferreux brut de coulée contenant du graphite nodulaire, composition moins chère et plus simple à fabriquer que les fontes nodulaires que l'on produisait jusqu'à présent;
- une composition nouvelle de fonte nodulaire brute de cou- lée contenant du magnésium, la teneur en magnésium retenu à titre de seul élément restant de nodularisation à l'état brut de coulée étant inférieure à celle des fontes nodulaires antérieures brutes de coulée contenant du ma- gnésium ; - une composition nouvelle de métal ferreux brut de coulée et contenant du graphite nodulaire, préparée en utilisant deux substances différentes donnant du graphite nodulaire et dont une seulement est retenue dans la fonte brute ;
- un nouveau métal ferreux brut de coulée et contenant du graphite nodulaire obtenu à partir de métal ferreux en fusion donnant du gra- phite, métal qui est préparé à partir d'une masse ferreuse en fusion donnant du graphite et qui, lorsqu'il subit un commencement de refroidissement pour prendre l'état solide et qu'il précipite le graphite sous forme sphérulaire, cède sensiblement toute la substance qui donne le graphite nodulaire et qui est antérieurement dans le métal en fusion; - une composition nouvelle de métal ferreux brut de cou- lée et contenant du graphite nodulaire, métal formé par la réaction entre un agent réducteur et un sel nodularisant contenant un agent nodularisant volatil en présence du métal ferreux en fusion qui cède du graphite.
D'autres caractéristiques et avantagés de l'invention appa- raîtront encore au cours de la description qui va suivre et qui sera fai- te en se référant au dessin annexé, sur lequel :
La fig. 1 est une microphotographie (grossissement 100) de la section d'un échantillon d'une composition nouvelle de métal ferreux brut de coulée à graphite nodulaire, composition sensiblement exempte de l'élé- ment sodium qui provoque la formation du graphite nodulaire;
La fig. 2 est une microphotographie (grossissement 100) d' une section d'un échantillon de métal ferreux brut de coulée contenant du graphite nodulaire et préparé avec le chlorure de sodium comme source de l' élément sodium engendrant le graphite nodulaire, le métal brut de fonderie étant sensiblement exempt de sodium.
Cette microphotographie montre plus en détail la structure.du graphite sphérulaire qui se forme dans le métal brut de coulée;
La fig. 3 est une microphotographie (grossissement 100) d' une section d'un échantillon de métal ferreux brut de coulée contenant du graphite nodulaire et obtenu avec le chlorure de sodium et le chlorure de magnésium comme sources donnant respectivement les éléments sodium et ma- gnésium qui engendrent le graphite nodulaire, le métal ferreux brut de coulée étant sensiblement exempt de sodium, mais contenant de faibles quantités de magnésium.
La fig. 4 est une microphotographie (grossissement 100) d'une section d'un échantillon de métal ferreux brut de coulée contenant
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du graphite nodulaire et préparé avec le bromure de sodium comme source de l'élément sodium produisant le graphite nodulaire, le métal ferreux à l' état brut de coulée étant sensiblement exempt de sodium;
La fig. 5 est une microphotographie (grossissement 100) d'une section d'un échantillon de métal ferreux brut de coulée, contenant du graphite nodulaire, le métal ferreux à l'état brut de coulée étant sen- siblement exempt de sodium;
La fig. 6 est une microphotographie (grossissement 100) d' une section d'un échantillon de métal ferreux brut de coulée, contenant du graphite nodulaire et préparé avec l'iodure de sodium comme source de l' élément sodium produisant le graphite nodulaire, le métal ferreux à l' état brut de coulée étant sensiblement exempt de sodium;
La fig. 7 est un tableau montrant la composition chimique (en pour cent en poids) d'échantillon types du nouveau métal ferreux brut de coulée contenant du graphite nodulaire (les éléments de la composition étant représentés par leurs symboles chimiques); et
La fig. 8 est un tableau montrant les propriétés physiques des nouveaux métaux ferreux bruts de coulée contenant du graphite nodulai- re et mentionnés sur le tableau de la fig. 7.
La présente invention a pour but d'atteindre les objets énu- mérés ci-dessus en utilisant une fonte nodulaire nouvelle brute de coulée obtenue en mettant en oeuvre un procédé analogue à celui décrit dans la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique No. 262. 957, déposée le 22 dé- cembre 1951 par la demanderesse.
Le procédé de préparation de la nouvelle fonte nodulaire brute de coulée conforme à l'invention comporte les pha- ses suivantes:
On met en contact du métal ferreux en fusion contenant du carbone donnant du graphite, une quantité suffisante d'une substance pro- voquant la formation de graphite nodulaire, substance constituée par un halogénure de sodium pris seul ou conjointement avec une quantité suffi- sante d'un halogénure de magnésium (selon que l'on désire obtenir un type de fonte nodulaire brute de coulée contenant du magnésium ou exempt de ma- gnésium), ainsi qu'un agent réducteur approprié tel que le siliciure de cal- cium ou un produit équivalent susceptible de réduire l'halogénure de sodium et l'halogénure de magnésium (si celui-ci est présent),
puis on solidifie le métal en fusion pendant que la substance engendrant le graphite nodulaire agit de manière à provoquer dans le métal brut de coulée l'apparition de sphé- rules de graphite.
Bien que l'on préfère utiliser les chlorures de sodium et de magnésium pour la préparation de la fonte nodulaire nouvelle conforme à l'invention, les iodures, fluorures et bromures de sodium sont'par eux- mêmes également appropriés comme sources de sodium.
Cependant, le procédé préféré, en raison de son faible prix de revient, de sa simplicité et de sa sécurité, consiste à utiliser le chlorure de sodium comme produit de nodular,isation.
La fonte nodulaire obtenue avec le chlorure de sodium est caractérisée à l'état brut de coulée par une composition chimique sensible- ment exempte de sodium. En d'autres termes, la quantité de sodium que l' on peut déceler dans la fonte nodulaire ne dépasse jamais celle que l'on décèle dans la fonte de base et, en aucun cas, n'est supérieure à 0,001%.
La fonte nodulaire obtenue avec du chlorure de sodium est, en outre, carac- térisée par ses propriétés physiques, telles qu'une résistance élevée à
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la traction, sa limite élastique et son allongement, ainsi que par un modu- le d'élasticité voisin de 18.980 kg/mm2.
Par exemple, une fonte de base en fusion (dont l'analyse en pour cent en poids est la suivante : carbone, 4,20; silicium 0,75; phospho- re 0,035; soufre 0,039 ; manganèse 0,10; sodium moins de 0,0005, le reste étant essentiellement du fer), tout d'abord traitée avec 0,69% de siliciure de sodium et ensuite mise en contact avec 4,41% de chlorure de sodium et 6,63% de siliciure de calcium (ces pourcentages se rapportant à la charge totale du four) donne, après refroidissement depuis 1538 C, un métal ferreux brut de coulée dont la microstructure (voir fig. 1 et 2) est caractérisée à un degré important par la présence d'inclusions de graphite compact cons- tituées essentiellement par du graphite nodulaire ou sphérulaire.
Le métal ferreux brut de coulée est caractérisé en outre par une résistance à la traction dé 63 kg/mm2, une limite élastique de 59,5 kg/mm2,, un allongement de 3% et une dureté "Brinell" de 207. Le métal brut de coulée a la composi- tion chimique suivante (en pour cent en poids, correspondant à l'analyse d'un échantillon): carbone total 3,15; silicium 4,84; phosphore 0,030 ; sou- fre 0,002; manganèse 0,13; calcium 0,004; sodium moins de 0,0005; magnésium moins de 0,001, le reste étant essentiellement du fer.
La présence dans la pièce coulée finale de moins de 0,001% de magnésium peut s'expliquer par la présence des faibles quantités de car- bonate de magnésium contenues dans le chlorure de sodium industriel pour éviter que le sel sodique ne forme un gâteau quand il est exposé à l'humi- dité.
La fonte initiale dont provient la composition de fonte nodulaire brute de coulée a une résistance à la traction d'environ 8,40 kg/cm2, une limite élastique d'environ 5,25 kg/mm2 et un pourcentage d'al- longement sensiblement nul.
La microstructure de l'échantillon de la fonte nodulaire brute de coulée révèle la présence d'une teneur efficace à savoir envi- ron 90% de graphite sous forme essentiellement nodulaire et environ 10% de graphite compact. La matrice est presque entièrement constituée par de la ferrite.
La fonte nodulaire que l'on obtient en utilisant à la fois de chlorure de sodium et le chlorure de magnésium est caractérisée à l' état brut de coulée par l'absence presque complète de sodium, celui-ci étant présent d'après la technique antérieure en une quantité sensiblement inférieu- re à la quantité de magnésium nécessaire subsistant dans la composition fi- nale .
Par exemple, une fonte initiale en fusion (qui correspond en pour cent en poids à l'analyse suivante : carbone 3,61; silicium 0,49; phosphore 0,020; soufre 0,029; manganèse 0,08; sodium moins de 0,08; so- dium moins de 0,0005, le reste étant essentiellement du fer) traitée tout d'abord avec 0,70% de siliciure de calcium, puis mise en contact avec 5,40% de chlorure de sodium, 0,54% de chlorure de magnésium, 0,19% de ferro- sillicium et 6,05% de siliciure de calcium (ces pourcentages se rapportant à la charge totale du four) donne, après ùn refroidissement depuis 1482 C, un métal ferreux brut de coulée ayant une microstructure (voir fig.3) carac- térisée à un degré important par la présence d'inclusions de graphite com- pact qui sont essentiellement nodulaires ou sphérulaires.
Ce métal brut de coulée est encore caractérisé par une résistance à la traction de 50,96 kg/mm2, une limite élastique de 4,2 kg/mm2, un allongement de 11%, une dureté "Brinell" de 179, et possède la composition chimique suivante (analyse en pour cent en poids du métal brut de coulée)'; carbone totale 2,93 ; silicium 3,48; phosphore 0,045; soufre 0,011; manganèse 0,10;
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magnésium 0,019; calcium 0,010; sodium moins de 0,0005, le reste étant essentiellement du fer.
On doit noter que dans ce dernier exemple, le magnésium retenu à raison de 0,019% de la coulée finale constitue environ deux tiers . du pourcentage, soit 0,030%, que la technique antérieure enseignant comme-. minimum absolu en dessous duquel le métal brut de coulée n'était plus nodu- laire .
Des exemples de fonte nodulaire brute de coulée obtenus respectivement en utilisant le bromure de sodium, le fluorure de sodium et l'iodure de sodium sont les suivants:
Une fonte initiale en fusion (dont l'analyse en pour cent en poids est la suivante : carbone3,97; silicium 0,58; phosphore 0,036, soufre 0,026; manganèse 0,07 ;
moins de 0,001, le reste étant essentiel- lement du fer) traitée tout d'abord avec 0;67% de siliciure de calcium, puis mise en contact avec 7,62% de bromure de sodium, 6,10% de siliciure de cal- cium et 0,18% de ferrosilicium (ces pourcentages se rapportant à la charge totale du four) donne, après un refroidissement depuis 1520 C, un métal fer- reux brut de coulée ayant une microstructure (voir fig.4) caractérisée à un degré important par la présence d'inclusions de graphite compact qui sont essentiellement nodulaires ou sphérulaires.
Le métal brut de coulée est en outre caractérisé par une résistance à la traction de 52,50 kg/mm2, une limite élastique de 4,9 kg/mm2, un allongement de 2,5%, une dureté "Bri- nell" de 207, et possède la composition chimique suivante (analyse en pour cent en poids du métal brut de coulée): carbone total 3,01; silicium 4,46; phosphore 0,032 ; soufre0,011; manganèse 0,07; magnésium moins de 0,0001; calcium 0,007, sodium moins de 0.001:le reste étant essentiellement dufer.
Une fonte initiale en fusion (dont l'analyse en pour cent en poids est la suivante ; carbone 3,36; silicium 0,35; phosphore 0,04 ; soufre 0,02 ; manganèse 0,03; sodium moins de 0,001, le reste étant essen- tiellement du fer) traitée tout d'abord avec 0,70%de siliciure de calcium, puis mise en contact avec 3,32% de fluorure de sodium, 6,38% de siliciure de calcium et 0,19% de ferrosilicium (tous ces pourcentages se rapportant à la charge totale du four) donc, après un refroidissement depuis 1504 C, un métal ferreux brut de coulée ayant une microstructure (voir fig.5) ca- ractérisée à un degré important par la présence d'inclusions de graphite com- pact qui sont essentiellement nodulaires ou sphérulaires.
Le métal'brut de coulée est en outre caractérisé par une résistance à la traction de 49,56 kg/mm2, une limite élastique de 39,20 kg/mm2, un allongement de 6%, une du- reté "Brinell" de 187, et possède la composition chimique suivante '(analyse en pour cent en poids du métal brut de coulée): carbone total 3,06; silicium 4,11 ; phosphore 0,048; soufre 0,007, manganèse 0,03; magnésium moins de 0,001, calcium 0,004, sodium moins de 0,001, le reste étant èssentiellement du fer.
Une fonte initiale en fusion (dont l'analyse en pour 'cent en poids est la suivante : carbone total 3,97; silicium 0,58; phosphore 0,036 soufre 0,026; manganèse 0,07 ; moins de 0,001, le reste étant essentiellement du fer) traitée tout d'abord avec 0,63% de siliciure de calcium et 0,09% de manganèse, puis mise en contact avec 10,51% d'iodure de sodium et 8,58% de siliciure de calcium (tous ces pourcentages .se rap- portant à la charge totale du four) donne, après un refroidissement depuis 1560 C, un métal ferreux brut de coulée ayant une microstructure (voir fig.
6) caractérisée à un degré-important.par la présence d'inclusions de graphite compact' qui sont essentiellement .'nodulaires ou sphérulaires Le métal brut de coulée est en outre caractérisé par une résistance à la traction de 49,80 kg/mm2, une dureté "Brinell" de 255, et possède la composition chimi- que suivante (analyse en pour cent en poids du métal brut de coulée) ; car- bone total 2,46 ; silicium 5,22 ; phosphore0,04; soufre 0,014; manganèse 0,22; magnésium moins de 0,001, calcium 0,002, sodium moins de 0,001, le reste .
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étant essentiellement du fer.
Sur le tableau de la fig. 7, on a représenté des exemples supplémentaires de compositions de fonte nodulaire brute de coulée, con- formes à l'invention, obtenus en utilisant les différents halogénures de . sodium ainsi que des exemples dans lesquels on utilise une autre substance nodularisante, le chlorure de magnésium.
Les propriétés physiques des compositions de fonte nodulai- re brute de coulée de la fig. 7 sont représentées sur le tableau de la fig.
8 avec indication des mesures réelles.
Chaque exemple de fonte sur les tableaux correspond à une composition nouvelle de fonte nodulaire brute de coulée obtenue à partir de matières premières qui, à l'origine, présentent une résistance à la traction voisine de 8,40 kg/mm2, une limite élastique voisine de 5,25 kg/ mm2 et un allongement compris entre 0 et 1,0%.
La gamme des teneurs en carbone total dans les compositions de métal ferreux nodulaire brut de coulée dépend de la teneur en carbone du métal ferreux initial à partir duquel on produit le métal ferreux nodulai- re. La présente invention se rapporte à des compositions de métal ferreux nodulaire brut de coulée ayant une teneur totale en carbone comprise appro- ximativement entre 0,8 et 6,7% de carbone, ces limites étant indiquées pour plus de commodité en ce qui concerne la fusion et l'utilité du produit obte- nu, bien que la teneur préférée en carbone soit comprise entre 2,5 et 4,0%.
La teneur en manganèse de la composition de métal ferreux brut de coulée peut varier depuis environ 0,03 à environ 1,0 sans affecter d'une manière sensible la structure de la matrice,bien que la gamme pré- férée de la teneur en manganèse soit d'environ 0,03 à environ 0,50%, en vue de conserver une ductilité raisonnablement élevée.
La teneur en silicium des compositions de métal ferreux no- dulaire brut de coulée peut être comprise entre environ 1,5 jusqu'à un taux dépassant légèrement 5%.
Le silicium constitue un élément graphitisant qui décompose le carbure de fer (cémentite) en fer exempt de carbone (ferrite) et en carbone libre(gra- phite). Plus que n'importe quel autre élément dans le métal ferreux, il dé- termine les proportions relatives de cémentite et de ferrite contenues dans la coulée finale. La technique antérieure enseignait qu'à une teneur quelque peu supérieure à 3%, le silicium déplace entièrement le carbure de fer, et que l'on obtient un produit constitué par du graphite dans une matrice ayant une teneur si élevée en silicium dissous, qu'elle devient dure, peu résis- tante et non ductile.
Bien qu'une teneur en silicium comprise entre 3 et 5% ait tendance à donner une fonte nodulaire brute de coulée moins ductile que celle obtenue avec une teneur plus faible en silicium, la technique antérieure enseignait que la fonte peu résistante ne soutient pas la comparaison avec les compositions de métal ferreux nodulaire brut de coulée conformes à la présente descrip- tion possèdent des propriétés physiques excellentes pour des teneurs, en si- licium dont la gamme va d'environ 1,5 jusqu'à un peu plus de 5%.
La teneur en phosphore* des compositions de métal ferreux nodulaires brut de coulée conformes à l'invention peut être comprise en- tre 0,015 et 0,10% sans que la résistance de la coulée finale s'en trouve notablement affectée. Cependant, pour éviter tout effet possible de la te- neur en phosphore pouvant réduire la résistance de la coulée finale, on maintient cette teneur de préférence entre.0,015 et 0,060%.
La teneur en soufre des compositions de métal ferreux nodu-
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laire brut de coulée conformes à l'invention peut être comprise entre une trace et 0,016%, sans avoir un effet perceptible sur les caractéristiques physiques de la coulée finale.
La teneur en calcium est généralement de l'ordre d'une tra- ce et peut atteindre 0,007%, bien qu'elle puisse être plus élevée si la composition de métal ferreux nodulaire est obtenue à partir d'une fonte riche en soufre que l'on désulfurise d'abord par l'addition d'oxyde de cal- cium au métal en fusion.
Le calcium présent en des quantités allant d'une trace jusqu'à 0,021% parait ne pas affecter de façon nuisible les propriétés physiques et nodulaires de la coulée finale. Le calcium seul ne constitue pas un élément de nodulari- sant, sauf lorsqu'une quantité de nickel dépassant 50% est présente. Etant donné que les compositions de métal ferreux nodulaires conformes à l'inven- tion ne contiennent pas de nickel, la faible quantité de calcium retenue n'exerce pas d'effet nodularisant.
La teneur en sodium de la composition de métal ferreux brut de coulée conforme à l'invention ne doit jamais dépasser 0,001% et est sou- vent inférieure à 0,0005%. En conséquence, le métal brut de coulée est sen- siblement exempt de sodium, même si l'on met en contact le sodium, sous la forme d'un halogénure de sodium, avec le métal en fusion pour provoquer 1' apparition du graphite nodulaire dans la coulée finale.
Il est évident que la gamme de la teneur en magnésium de la composition de métal ferreux brut de coulée dépend aussi bien du fait que l'on utilise du chlorure de magnésium comme substance nodularisante, que de la quantité de carbonate de magnésium utilisée comme agent s'oppo- sant à l'agglomération du chlorure de sodium. Cependant, la présente in- . vention se rapporte à une teneur en magnésium allant d'une quantité inférieu- re à une trace jusqu'en dessous de 0,030% dans un métal ferreux contenant du graphite nodulaire à l'état brut de coulée.
Le complément de la composition chimique constituant le métal ferreux nodulaire conforme à la présente invention est essentielle- ment le fer.
Une quantité efficace du graphite contenu dans la matrice des métaux ferreux nodulaire à l'état brut de coulée conformes à l'inven- tion se trouve sous forme compacte et est essentiellement nodulaire ou sphé- rulaire, selon l'expression utilisée dans la description. Comme on l'a déjà souligné, une quantité "efficace" du graphite est celle qui doit son effi- cacité à sa forme sphéroïdale améliorant les propriétés physiques telles que: la résistance à la traction, la limite élastique et le pourcentage d' allongement du métal brut de coulée.
Les résistances à la traction des compositions de métal ferreux nodulaire brut de coulée conformes à l'invention sont comprises en- tre environ 4,2 kg/mm2 et plus de 6,3 kg/mm2, la moyenne étant d'environ 52,50 kg/mm2.
Les limites élastiques vont approximativement de 2,8 à 59,50 kg/mm2, la moyenne étant d'environ 40 kg/mm2.
L'allongement sur une largeur de 50 mm8 va approximativement de 2,5 à 21%, la moyenne étant d'environ 10,0%.
La dureté "Brinell" va approximativement de 155 à 220, la moyenne étant d'environ 190.
L'expression "métal ferreux contenant du carbone donnant du
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graphite", utilisée au cours de la présente description, désigne un allia- ge ferreux contenant une quantité de carbone suffisante pour donner, par solidification du métal ferreux à partir de l'état liquide, et par refroi- dissement, une microstructure de la matrice caractérisée par la présence d' inclusions compactes de carbone libre dans le métal refroidi.
Un métal ferreux contenant du carbone donnant du graphite est le métal dé- crit comme fonte initiale dans les exemples mentionnés ci-dessus et cons- titue aussi le métal à partir duquel on a réalisé tous les exemples de fonte nodulaire brute de coulée.
Etant donné que les exemples ci-dessus ne sont donnés qu'à titre indicatif, la présente invention ne se trouve pas limitée à ces exemples, mais on peut y apporter diverses modifications sans sortir de son cadre.
REVENDICATIONS.
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1. Un produit de fabrication, comprenant un métal ferreux brut de coulée ne contenant pas d'autre élément chimique que ceux que l'on trouve dans la fonte grise courante, ledit métal ferreux brut de coulée pré- sentant, à l'état brut de coulée, une microstructure de matrice métallique contenant une quantité efficace d'inclusions de graphite compact sous for- me sphérulaire, suffisantes pour donner au métal ferreux brut de coulée des propriétés physiques supérieures à celles de la fonte grise ordinaire.
2. Un produit de fabrication, comprenant une coulée de fon- te brute contenant une quantité de magnésium comprise entre environ 0,001 et moins de 0,030%, le reste étant constitué essentiellement par une com- position de fonte caractérisée, à l'état brut de coulée, par une micros- tructure de matrice métallique contenant des inclusions de graphite compact sous forme sphérulaire et par une composition chimique sensiblement dépour- vue de sodium, de cérium, de cuivre et de nickel.
3. Un alliage en métal ferreux brut de coulée ayant une matrice métallique contenant des inclusions de graphite sphérulaire qui proviennent de l'action d'au moins une substance volatile donnant du graphi- te spérulaire, mise en contact avec un métal ferreux en fusion donnant du graphite et déterminant (lorsque ce métal en fusion est coulé pour donner naissance à l'alliage) l'apparition, dans la matrice, des inclusions graphi- tiques sphérulaires, ledit alliage à l'état brut de coulée ayant en outre une composition chimique sensiblement dépourvue de la substance volatile précitée.