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IROCEDE DE TRAITEMENT DE FONTE A HAUTE TENACITE.
La littérature technique signale que les fontes malléables, c'est-à-dire les fontes coulées blanches (structure à cémentite), recuites à l' état solide pour obtenir la graphitisation du carbone, peuvent présenter une répartition du graphite plus fine, c'est-à-dire en grains plus petits et plus nombreux, quand le traitement thermique effectué sur le moulage blanc comporte soit une trempe martensitique précédent le recuit, soit un réchauffage plus progressif pour le recuit, soit une trempe préalable suivie de réchauffage progressif.
Toutefois, jusqu'à ce jour, ces résultats ne pouvaient guère être exploités en dehors du Laboratoire parce qu'on ne savait pas obtenir cette structure fine de manière régulière, ni l'appliquer aux fontes impures élaborées dans les conditions industrielles, ni l'appliquer à des moulages industriels., d' épaisseur variable et parfois considérable.
En effet, tous les essais rapportés sont relatifs à l'emploi de fonte présentant des teneurs en manganèse très basses ou des teneurs en carbono ou en silicium élevées; les rapports pondéraux sont :Mn inférieur à 0,14 et Mn inférieur à 0,27, de telle sorte que ces fontes ont une très grande aptitude à la graphitisation des la coulée et que si la vitesse de solidification et de refroidis- sement est suffisante pour obtenir une structure blanche, elles sont très faciles à graphitiser par recuit. Pour obtenir cette structure blanche, les éprouvettes coulées ont des diamètres très faibles, inférieurs à 7 mm., ce qui,, en raison de la rapidité de la solidification, entraîne une retassure centrale, ne permettant pas l'obtention de propriétés mécaniques élevées.
De plus, si avec ces compositions on coulait en sable des pièces usuelles, telles qu'on les trouve dans la construction mécanique, c'est-à-dire des pièces ayant un ou plusieurs centimètres d'épaisseur, la coulée serait irrémédiablement truitée ou même complètement grise et impropre à l'obtention de pièces de ténacité ou de malléabilité élevées.
'
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De plus, ces résultats n'ont pu être obtenus que sur des fontes élaborées au four électrique à arc, ou au four haute fréquence, à partir de matières premières très pures, pour avoir des teneurs en soufre et phosphore très basses, inférieures à 0,05% pour chacun de ces éléments, ce qui est incompatible avec l'emploi des matières premières usuelles de fonderie et avec le procédé usuel de refusion au cubilot, en raison du soufre apporté par le coke
La trempe préalable martensitique n'a pu être faite de manière satisfaisante, dans les expériences entreprises jusqu'à ce jour, qu'en raison des petites dimensions des éprouvettes et de leur forme régulière, et encore des microcriques se produisent-elles souvent,
au point que Dackichi Saito et Hiroshi Sawamura prétendaient que ces criques étaient la cause de la multiplication des germes de graphite observés au cours de leurs essais. Il est manifestement impossible de chauffer des pièces de fonte blanche aux températures de 870 à 950 indiquées par ces auteurs et de les tremper à l'huile sans risque élevé de tapùre, ce qui rend le procédé inutilisable à l'échelle industrielle.
La Société demanderesse a découvert qu'une répartition très fine du graphite nodulaire de recuit peut être obtenue avec une très grande régularité sur des moulages industriels coulés en sable, contenant des teneurs en soufre et en phosphore comprises entre 0,05 et 0,15% pour chacun de ces éléments, de sorte que la refusion des fontes de qualité courante peut se faire au cubilot et la mise au point de la composition au four à réverbère, ce qui constitue le procédé industriel le plus recommandé pour l'élaboration des fontes pour malléable.
Ces fontés présentent des rapports:
Mn supérieur à 0,17
C ' et Mn supérieur à 0,36
Si de telle sorte que la coulée en sable de pièces mécaniques d'épaisseur de 1' ordre de 1,5 à 3 cm. conduit à une structure parfaitement blanche ; est le cas de la fonte de composition: C = 2,35 Si = 1,15 Mn = 0,40 S = 0,12 P = 0,10 du type couramment utilisé en fonderie de malléable. Le'procédé s'applique aussi bien aux fontes malléables ordinaires qu'aux fontes spéciales.
Pour obtenir sur des moulages de fonte blanche et d'épaisseur usuelle comprise entre 0,5 et 3 cm. une fine répartition du graphite par traitement thermique et par cela même réduire la durée et la température de la graphitisation de la cémentite primaire, la demanderesse a reconnu que des conditions précises nouvelles de traitement, constituant l'objet principal de la présente invention, doivent être observées.
Ce traitement comporte essentiellement trois phases successives: 1 ) trempe préalable martensitique ; 2 ) revenu de germination du graphite; 3 ) recuit de graphitisation de la cémentite primaire; mais selon l'invention, ces opérations doivent être effectuées dans les conditions suivantes:
Alors qu'il est recommandé dans la littérature d'effectuer la trempe à partir de la température la plus élevée possible, et avec le refroidissement le plus rapide possible, la demanderesse a reconnu que des résultats industriels très constants sont obtenus, et ceci sans risque de tapure ni de déformation, et à un prix modique, quand l'austénisation avant trempe est faite juste au-dessus du point de fin de transformation perlitique à l'échauffement ; on peut, en pratique, se donner une marge de 20 à 50 ;
la température de 810 est convenable dans l'exemple cité. Le temps de maintien est celui qu'on observe habituellement, pour la trempe,' c'est-à-dire que le temps total
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de chauffage peut être de l'ordre d'une demi-heure. Au lieu d'effectuer la trempe vive à l'eau ou à l'huile, la trempé est selon l'invention faite de manière étagée dans un liquide approprié, tel qu'un bain de sel et sans risque de tapure. La température et la durée d'immersion sont telles, qu'au- cune transformation ne se produise au cours de l'immersion; cette températu- re est donc très peu supérieure à Ar''', température de début de transforma- tion martensitique; elle est généralement comprise entre 150 et 250 .
Le temps de maintien est tel qu'aucun début de transformation bainitique n'appa- rait; on peut par exemple, selon les cas, observer un temps compris entre 30 secondes et 3 minutes à 225 , ou entre 1 minute et 6 minutes à 175 . Dans - l'exemple choisi, de bons résultats sont obtenus par 1 minute d'immersion au bain de sel à 180 . Cette trempe est suivie de refroidissement à la températu- ré ambiante, de préférence à l'air calme.
Le revenu pour décomposition de la martensite et germination du graphite est effectué ensuite. On a reconnu que pour les fontes malléables ordinaires coulées en sable, des conditions très précises doivent être respectées, qui ne sont pas nécessaires dans les essais de laboratoire portant sur de peti- tes éprouvettes solidifiées très rapidement et dont la composition permet une graphitisation facile par recuit. Par contre, dans les fontes ordinaires cou- lées blanches malgré l'épaisseur des pièces, il importe de procéder à un revenu qui soit en même temps un traitement de germination du graphite,car c'est de lui essentiellement que dépend le nombre des nodules de graphite qui se forment par la suite; on peut ainsi, du nombre de nodules formés dans la graphiti- sation consécutive, déduire le nombre de germes ayant pris'naissance au cours de ce revenu.
Les courbes des diagrammes I et II donnent ce nombre de nodules par mm2 de section, en fonction de la température du traitement de germination de durée constante égale à 48 h. ou 96 h. On voit qu'une température précise doit être observée, qui est-fonction de la composition : 510 pour une fonte sans éléments d'addition. Le diagramme III donne l'influence de la durée de ce traitement de germination.On voit aussi que cette durée est fonction de la température. Si la température est convenable, le nombre de germes croit en fonction du temps de manièreasymptotique vers une limite. Comme les frais de traitement augmentent proportionnellement au temps, il existe un compromis et l' efficacité optima soit se trouver entre 24h. et 48h.
Il résulte de là que pour la fonte blanche de composition ordinaire, ce traitement optimum doit être de 48h. environ à la température de 5100; la température doit être observée avec une précision de ¯ 20 . La méconnaissance de cette règle précise à été l'une des causes d'insuccès industriel jusqu'à ce jour. Pour d'autres fontes, différant par la composition ou l'élaboration, cette température précise peut être abaissée à 450 .
On peut encore, selon l'invention, effectuer la germination en deux temps, le premier à température plus basse, de l'ordre de 280 à 350 , dont la durée peut varier de 10 à 100 h., et qui est suivi d'une seconde phase analogue au'traitement ci-dessus. A titre d'exemple, la fonte blanche pour malléable,, prétrempée puis traitée 100 h. à 330 , puis 48 h. à 510 donne 2.200 germes de graphite par mm2 de section (les nodules de graphite ont des dimensions tram versales de l'ordre de 6 microns) alors que dans la germination en une seule phase de 48 h. à 510 le nombre de germes est de 1.000 par mm2. De ce fait on peut déduire que le cycle unique à 510 peut être obtenu avantageusement 'par réchauffage progressif et palier.
A titre de comparaison, la même fonte, n'ayant pas subi de trempe préalable et soumise à la germination 48 h. à 500 , donnerait 110 germes par mm2 et la même fonte, soumise u même.traitement de graphitisation mais n'ayant subi ni trempe préalable, ni traitement de germination, ne subirait pratiquement aucune graphitisation; le nombre de germes serait nul ; traités dans les conditions usuelles de recuit de la malléable, les nodules auraient 100 microns de diamètre moyen et seraient en nombre très réduit, 30 à 60 par mm2.
Le traitement complet comprend ensuite un cycle de recuit à température élevée, au-dessus de la zone de transformation pour effectuer la
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graphitisation de la cémentite primaire. Ce traitement peut être effectué à température constante et demande un temps d'autant plus court que la température est plus élevée et que le nombre de germes est plus grand. La vitesse de graphitisation peut se mettre sousla forme 2 Ae - Q, N étant
N3 RT le nombre de germes de graphite préalablement formés par unité de volume et T étant la température absolue, A et Q des constantes variant peut avec la composition.
La qualité est supérieure quand le traitement est limité au temps juste nécessaire, car on constate ensuite une coalescence des nodules de graphite formés, ce qui nuit à la qualité; il convient donc de limiter le traitement en temps et en température. De plus, le prix du traitement qui, toutes choses égales d'ailleurs, croît avec le temps et avec la température, dépendrait peu du compromis choisi, s'il n'y avait lieu de tenir compte de l'amortissement du matériel et de l'outillage de traitement. Comme l'élévation de température est plus particulièrement pernicieuse pour celui-ci, elle doit être limitée. Le procédé de germination dirigé qui vient d'être exposé permet en -.particulier d'effectuer ce recuit dans des conditions qui ne donneraient aucune graphitisation qu'il n'y avait pas eu de double traitement préalable de trempe et de germination.
C'est ce que montrent les essais suivants se rapportant à une fonte de composition C = 2,36 Si = 1,15 Mn = 0,36 S = 0,12 P = 0,10%, la trempe préalable comporte l'austénisation 30 min. à 810 et l'immersion 1 min. dans un bain de sel à 1800, le traitement de germination a lien 48 h. à 450 (ce qui conduit à un nombre de germes très inférieur à ce que donnerait la température de 500 ); la graphitisation finale est effectuée 10 h. à 875 (ce qui est insuffisant pour faire disparaître la totalité de la cémentite primaire). Malgré cela, le tableau suivant montre la nécessité du triple traitement.
EMI4.1
<tb>
<tb>
Gamme <SEP> de <SEP> traitement
<tb> @ <SEP> @ <SEP> Cémentite <SEP> Nombre <SEP> de
<tb> Trempe <SEP> Réchauffage <SEP> Recuit <SEP> Résiduelle <SEP> nodules
<tb> Préala- <SEP> à <SEP> 4500 <SEP> 8750 <SEP> par <SEP> mm2 <SEP>
<tb> ble <SEP> 48h. <SEP> 10 <SEP> h.
<tb>
Néant <SEP> oui <SEP> oui <SEP> 18 <SEP> 0
<tb> Oui <SEP> Néant <SEP> oui <SEP> 15 <SEP> 110
<tb> Oui <SEP> oui <SEP> oui <SEP> 5 <SEP> 200
<tb>
Avec trempe préalable au sel 1 min. à 180 . germination de 48 h. à 500 , on peut obtenir la graphitisation complète de la cémentite primaire en 12 heures à 895 centigrades ou en 3 heures à 900 .
Si on ne vise généralement pas l'obtention se structure à ferrite comme dans la fonte malléable ordinaire, mais au contraire une structure de perlite lamellaire en vue d'obtenir une fonte à haute résistance., ce traitement peut se terminer par un refroidissement à l'air calme.
Dans ces conditions, on obtient facilement les caractéristiques de traction suivantes sur éprouvettes usinées.
- limite élastique > 45 kg/ mm2 - charge de rupture > 65 kg/ mm2 - allongement > 3%
Eventuellement les moulages ainsi graphitisés peuvent être trempés et revenus.
Eventuellement, la fonte contient des éléments tels que : aluminium, titans, zirconium, qui facilitent la germination dans les conditions
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de traitement précitées ou qui, comme le nickel et le molybdène, facilitent, après la graphitisation ci-dessus, l'effet des traitements de trempe et de revenu en vue de modifier les propriétés d'usage et plus particulièrement les propriétés mécaniques.
L'action des éléments aluminium, titane, zirconium, employés seuls ou mélangés, est particulièrement efficace dans les traitements à germination contrôlée faisant l'objet de l'invention; l'exemple se rapporte à des fontes coulées en sable à structure blanche ; moulages ont été réchauf- fés à 810 , trempés au sel à 180 1 minute, refroidis à l'air calme, réchauffés à 450 48h., refroidis puis réchauffés à 895 14 heures, (le refroidissement à l'air calme); le tableau suivant donne le nombre N de fins nodules par mm2 de section.
EMI5.1
<tb>
<tb>
Coulée <SEP> N <SEP> C <SEP> Si <SEP> Mn <SEP> S <SEP> P <SEP> Ti <SEP> Al <SEP> N/mm2
<tb> 2203 <SEP> 2.49 <SEP> 1.19 <SEP> 0.65 <SEP> 0.07 <SEP> 0.08 <SEP> 1.200
<tb> 2204 <SEP> 2.35 <SEP> 1.21 <SEP> 0,59 <SEP> 0.07 <SEP> 0.08 <SEP> 0.1 <SEP> 0.05 <SEP> 3.200 <SEP>
<tb>
Les principes du traitement thermique peuvent être étendus aux moulages de structure blanche obtenus en coquille métallique, que le procédé est alors d'application industrielle plus facile qu'avec les moulages en sable et qu'il permet l'obtention de propriétés mécaniques plus élevées.
Si, pour une composition de fonte, des pièces sont obtenues blanches par coulée en sable, les mêmes pièces ou des pièces de même épaisseur le seront plus certainement encore par coulée en coquille. On pourra, dans ce dernier mode de moulage, régler le rapport des teneurs en manganèse et silicium et éventuellement le rapport des tenuers en manganèse et carbone à une valeur plus basse que celle qui est nécessaire à l'obtention d'une fonte blanche par coulée en sable, toutes choses étant égales par ailleurs. La structure blanche de coulée peut être conservée sans modification de composition pour des pièces plus massives en coquille qu'en sable..
On a découvert que le plus souvent la structure des moulages en coquille est plus fine que celle des moulages en sable et qu'après le traitement de germination prévu à l'invention les nodules de graphite sont beaucoup plus fins et en beaucoup plus grand nombre et ceci pour une durée nettement moindre des opérations de germinatibn et de graphitisation.
La valeur des nouveaux progrès réalisés sera mieux comprise par la comparaison citée en exemple de traitement effectués d'une part sur des moulages en sable et d'autre part sur des moulages en coquille.
Dans une fonte de composition :
EMI5.2
<tb>
<tb> C <SEP> Si <SEP> Mn <SEP> S <SEP> P
<tb> 2.36% <SEP> 1.15% <SEP> 0.36% <SEP> 0,12% <SEP> 0,10%
<tb>
on observe après coulée en sable, trempe martensitique et traitement de germination de 48 heures à 450 , 200 modules de graphite par mm2. Si le traitement est effectue sur la même fonte également pendant 48 heures mais à 500 , le nombre des nodules observés dévient 3. 000 par mm2. Par le traitement à 500 appliqué pendant 12 heures seulement à une fonte de même composition coulée en coquille métallique et trempée on obtient 15.000 germes par mm2. On peut, dans certains cas, atteindre un résultat du même ordre en des temps beaucoup plus courts par exemple 3 ou 6 heures.
L'achèvement de la graphitisation dans la troisième phase du traitement est également beaucoup plus rapide, 2 à 3 heures à 8750 suffisent
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alors que 10 heures à la même température sont nécessaires pour les moulages en sable.
Les avantages qu'on tire de la coulée en moule métallique au point de vue des propriétés mecaniques après le traitement de l'invention sont montrés par les résultats d'essais de traction sur éprouvettes usinées, produits dans le tableau ci-dessous.
EMI6.1
<tb>
<tb>
Coulée <SEP> en <SEP> sable <SEP> Coulée <SEP> en <SEP> coquille
<tb> Limite <SEP> élastique <SEP> 45 <SEP> à <SEP> 55 <SEP> kg/mm2 <SEP> 65 <SEP> à <SEP> 75 <SEP> kg/mm2
<tb> Charge <SEP> de <SEP> rupture <SEP> 65 <SEP> à <SEP> 75 <SEP> " <SEP> 80 <SEP> à <SEP> 90 <SEP> "
<tb> Allongement <SEP> 3 <SEP> à <SEP> 4% <SEP> 4 <SEP> à <SEP> 6 <SEP> %
<tb>
La plus grande généralité d'application est un autre avantage qui résulte de ce que des structures blanches homogènes peuvent être obtenues par coulée en coquille sur des pièces massives qui resteraient partiellement grises dans des moules en sable.
Ces avantages, liés à l'application du procédé de traitement s'ajoutent aux bénéfices que l'on tire, indépendamment de tout traitement, de l'usage des moules permanents: simplification du travail de fonderie, réduction des frais d'usinage rendue possible par la plus grande précision des moulages, etc...
Les moulages redevables du procédé de traitement qui a été découvert peuvent être obtenus en coquille d'acier ordinaire ou de fonte gri-. se ou encore d'acier réfractaire spécial. Les coquilles, selon les conditions particulières de fabrication, peuvent être laissées nues ou enduites avant coulée, au pinceau ou au pistolet, d'une mince couche réfractaire à base par exemple de fleur de silice. La coulée peut être faite en coquille froide ou encore en coquilles chauffées pour éviter les criques et le retrait excessif qui résulterait d'un refroidissement trop brusque. Des noyaux en sable cuit des évents, des masselottes multiples en sable à noyaux peuvent être assemblés aux coquilles métalliques.
Des moulages blancs, redevables du procédé peuvent également être produit dans des moules dont l'empreinte est constituée d'éléments d' épaisseur relativement faible obtenus par agglomération de sable au moyen d'une matière plastique organique, thermodurcissable par exemple.
REVENDICATIONS.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
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HIGH TENACITY CAST IRON TREATMENT IROCEDE.
The technical literature indicates that malleable cast irons, that is to say white cast irons (cementite structure), annealed in the solid state to obtain graphitization of the carbon, may have a finer distribution of graphite, i.e. that is to say in smaller and more numerous grains, when the heat treatment carried out on the white molding comprises either a martensitic quenching preceding the annealing, or a more gradual reheating for the annealing, or a preliminary quenching followed by gradual reheating.
However, until now, these results could hardly be exploited outside the Laboratory because it was not known how to obtain this fine structure on a regular basis, nor to apply it to impure cast iron produced in industrial conditions, nor to apply to industrial moldings., of varying and sometimes considerable thickness.
Indeed, all the reported tests relate to the use of cast iron exhibiting very low manganese contents or high carbon or silicon contents; the weight ratios are: Mn less than 0.14 and Mn less than 0.27, so that these cast irons have a very high aptitude for graphitization of the casting and if the rate of solidification and cooling is sufficient to obtain a white structure, they are very easy to graphitize by annealing. To obtain this white structure, the cast specimens have very small diameters, less than 7 mm., Which, due to the rapidity of solidification, causes a central shrinkage, which does not allow obtaining high mechanical properties.
In addition, if with these compositions we cast in sand usual parts, such as one finds them in mechanical construction, that is to say parts having one or more centimeters in thickness, the casting would be irremediably truit or even completely gray and unsuitable for obtaining parts of high toughness or malleability.
'
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In addition, these results could only be obtained on cast irons produced in an electric arc furnace, or in a high frequency furnace, from very pure raw materials, to have very low sulfur and phosphorus contents, less than 0 , 05% for each of these elements, which is incompatible with the use of usual foundry raw materials and with the usual cupola reflow process, because of the sulfur provided by the coke
The martensitic pre-quenching could not be carried out satisfactorily, in the experiments undertaken to date, only because of the small dimensions of the test pieces and their regular shape, and even microcracks often occur,
to the point that Dackichi Saito and Hiroshi Sawamura claimed that these cracks were the cause of the multiplication of graphite seeds observed during their tests. It is obviously impossible to heat pieces of white cast iron to the temperatures of 870 to 950 indicated by these authors and to quench them in oil without a high risk of tapùre, which makes the process unusable on an industrial scale.
The Applicant Company has discovered that a very fine distribution of the nodular annealing graphite can be obtained with very great regularity on industrial castings cast in sand, containing sulfur and phosphorus contents of between 0.05 and 0.15%. for each of these elements, so that the remelting of standard quality cast irons can be done in the cupola and the development of the composition in a reverberation oven, which is the most recommended industrial process for the production of cast irons for malleable.
These fonts have relationships:
Mn greater than 0.17
C 'and Mn greater than 0.36
If so that the sand casting of mechanical parts with a thickness of the order of 1.5 to 3 cm. leads to a perfectly white structure; is the case of the cast iron composition: C = 2.35 Si = 1.15 Mn = 0.40 S = 0.12 P = 0.10 of the type commonly used in malleable foundry. The process applies to both ordinary malleable cast irons and special cast irons.
To obtain on castings of white cast iron with a usual thickness of between 0.5 and 3 cm. a fine distribution of the graphite by heat treatment and thereby reduce the duration and temperature of the graphitization of the primary cementite, the applicant has recognized that new precise processing conditions, constituting the main object of the present invention, must be observed.
This treatment essentially comprises three successive phases: 1) martensitic pre-quenching; 2) germination income of graphite; 3) graphitization annealing of the primary cementite; but according to the invention, these operations must be carried out under the following conditions:
While it is recommended in the literature to perform the quenching from the highest possible temperature, and with the fastest possible cooling, the Applicant has recognized that very constant industrial results are obtained, and this without risk. of feathering or deformation, and at a moderate cost, when the austenization before quenching is done just above the end point of pearlitic transformation on heating; we can, in practice, give ourselves a margin of 20 to 50;
the temperature of 810 is suitable in the example cited. The holding time is that which is usually observed for the quenching, that is to say that the total time
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heating can be of the order of half an hour. Instead of carrying out the quick quenching with water or oil, the quenching is according to the invention carried out in a staged manner in a suitable liquid, such as a salt bath and without risk of tapure. The temperature and duration of immersion are such that no transformation occurs during immersion; this temperature is therefore very little higher than Ar '' ', temperature at the start of martensitic transformation; it is generally between 150 and 250.
The holding time is such that no onset of bainitic transformation occurs; one can for example, depending on the case, observe a time between 30 seconds and 3 minutes at 225, or between 1 minute and 6 minutes at 175. In the example chosen, good results are obtained by 1 minute immersion in a salt bath at 180. This quenching is followed by cooling to room temperature, preferably in still air.
Tempering for decomposition of the martensite and germination of the graphite is then carried out. It has been recognized that for ordinary malleable sand cast irons, very precise conditions must be observed, which are not necessary in laboratory tests involving small specimens which solidify very quickly and whose composition allows easy graphitization by. annealed. On the other hand, in ordinary white cast iron despite the thickness of the parts, it is important to proceed with a tempering which is at the same time a treatment of germination of the graphite, because it is essentially on this that the number of nodules depends. of graphite which are subsequently formed; it is thus possible, from the number of nodules formed in the consecutive graphitization, to deduce the number of seeds which have taken birth during this tempering.
The curves in diagrams I and II give this number of nodules per mm 2 of section, as a function of the temperature of the germination treatment of constant duration equal to 48 h. or 96 h. It can be seen that a precise temperature must be observed, which depends on the composition: 510 for a cast iron without addition elements. Diagram III gives the influence of the duration of this germination treatment. It can also be seen that this duration is a function of the temperature. If the temperature is suitable, the number of germs increases as a function of time asymptotically towards a limit. As the processing costs increase in proportion to time, there is a trade-off and the optimum efficiency can be found within 24 hours. and 48h.
It follows from this that for white cast iron of ordinary composition, this optimum treatment must be 48 hours. at about a temperature of 5100; the temperature must be observed with an accuracy of ¯ 20. Ignorance of this precise rule has been one of the causes of industrial failure to date. For other cast irons, differing in composition or elaboration, this precise temperature may be lowered to 450.
It is also possible, according to the invention, to carry out the germination in two stages, the first at a lower temperature, of the order of 280 to 350, the duration of which can vary from 10 to 100 h., And which is followed by a second phase similar to the above treatment. For example, white cast iron for malleable, pre-soaked then treated 100 h. at 330, then 48 h. at 510 gives 2,200 seeds of graphite per mm2 of section (the graphite nodules have versal dimensions of the order of 6 microns) while in germination in a single phase of 48 h. at 510 the number of germs is 1,000 per mm2. From this it can be deduced that the single cycle at 510 can be obtained advantageously by progressive heating and leveling.
By way of comparison, the same cast iron, not having undergone prior quenching and subjected to germination for 48 hours. at 500, would give 110 seeds per mm2 and the same cast iron, subjected to the same graphitization treatment but having undergone neither preliminary quenching nor germination treatment, would hardly undergo any graphitization; the number of germs would be zero; treated under the usual malleable annealing conditions, the nodules would have 100 microns in average diameter and would be very small in number, 30 to 60 per mm 2.
The complete treatment then includes an annealing cycle at high temperature, above the transformation zone to effect the
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graphitization of primary cementite. This treatment can be carried out at constant temperature and requires a shorter time as the temperature is higher and the number of germs is greater. The graphitization rate can be in the form 2 Ae - Q, N being
N3 RT the number of graphite seeds previously formed per unit of volume and T being the absolute temperature, A and Q constants which may vary with the composition.
The quality is superior when the treatment is limited to the time just necessary, because there is then a coalescence of the graphite nodules formed, which affects the quality; it is therefore advisable to limit the treatment in time and in temperature. In addition, the price of the treatment which, all other things being equal, increases with time and with temperature, would depend little on the compromise chosen, if it were not necessary to take into account the depreciation of the equipment and processing tools. As the rise in temperature is more particularly pernicious for the latter, it must be limited. The directed germination process which has just been described makes it possible in particular to carry out this annealing under conditions which would not give any graphitization if there had been no double preliminary treatment of quenching and germination.
This is shown by the following tests relating to a cast iron of composition C = 2.36 Si = 1.15 Mn = 0.36 S = 0.12 P = 0.10%, the pre-quenching includes austenization 30 min. to 810 and immersion 1 min. in a salt bath at 1800, the germination treatment takes 48 hours. at 450 (which leads to a number of germs much lower than the temperature of 500); the final graphitization is carried out for 10 h. at 875 (which is insufficient to remove all of the primary cementite). Despite this, the following table shows the need for the triple treatment.
EMI4.1
<tb>
<tb>
<SEP> range of <SEP> treatment
<tb> @ <SEP> @ <SEP> Cementite <SEP> Number <SEP> of
<tb> Quenching <SEP> Reheating <SEP> Annealing <SEP> Residual <SEP> nodules
<tb> Préala- <SEP> to <SEP> 4500 <SEP> 8750 <SEP> by <SEP> mm2 <SEP>
<tb> ble <SEP> 48h. <SEP> 10 <SEP> h.
<tb>
None <SEP> yes <SEP> yes <SEP> 18 <SEP> 0
<tb> Yes <SEP> None <SEP> yes <SEP> 15 <SEP> 110
<tb> Yes <SEP> yes <SEP> yes <SEP> 5 <SEP> 200
<tb>
With pre-quenching in salt 1 min. to 180. germination of 48 hours. at 500, complete graphitization of the primary cementite can be obtained in 12 hours at 895 centigrade or in 3 hours at 900.
If the aim is not generally to obtain a ferrite structure as in ordinary malleable iron, but on the contrary a lamellar perlite structure in order to obtain a high-strength cast iron., This treatment can end in cooling with l look calm.
Under these conditions, the following tensile characteristics are easily obtained on machined specimens.
- elastic limit> 45 kg / mm2 - breaking load> 65 kg / mm2 - elongation> 3%
Optionally, the moldings thus graphitized can be quenched and tempered.
Optionally, the cast iron contains elements such as: aluminum, titans, zirconium, which facilitate germination under the conditions
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the aforementioned treatment or which, like nickel and molybdenum, facilitate, after the above graphitization, the effect of the quenching and tempering treatments with a view to modifying the properties of use and more particularly the mechanical properties.
The action of the elements aluminum, titanium, zirconium, used alone or mixed, is particularly effective in the controlled germination treatments which are the subject of the invention; the example relates to cast iron sand with a white structure; castings were reheated to 810, salt soaked at 180 1 minute, cooled in still air, reheated to 450 48h., cooled then reheated to 895 14 hours, (cooling in still air); the following table gives the number N of fine nodules per mm2 of section.
EMI5.1
<tb>
<tb>
Casting <SEP> N <SEP> C <SEP> Si <SEP> Mn <SEP> S <SEP> P <SEP> Ti <SEP> Al <SEP> N / mm2
<tb> 2203 <SEP> 2.49 <SEP> 1.19 <SEP> 0.65 <SEP> 0.07 <SEP> 0.08 <SEP> 1.200
<tb> 2204 <SEP> 2.35 <SEP> 1.21 <SEP> 0.59 <SEP> 0.07 <SEP> 0.08 <SEP> 0.1 <SEP> 0.05 <SEP> 3.200 <SEP>
<tb>
The principles of heat treatment can be extended to castings of white structure obtained in metallic shell, which the process is then easier to apply industrially than with sand castings and that it allows obtaining higher mechanical properties.
If, for a cast iron composition, parts are obtained white by sand casting, the same parts or parts of the same thickness will more certainly still be white by shell casting. In this last molding mode, it is possible to adjust the ratio of the manganese and silicon contents and possibly the ratio of the manganese and carbon holdings to a value lower than that which is necessary to obtain a white cast iron by casting. in sand, all other things being equal. The white casting structure can be kept without modification of the composition for more massive pieces in shell than in sand.
It has been found that most often the structure of shell castings is finer than that of sand castings and that after the germination treatment provided for in the invention the graphite nodules are much thinner and in much greater number and this for a significantly shorter duration of the germination and graphitization operations.
The value of the new progress made will be better understood by the comparison cited as an example of treatment carried out on the one hand on sand castings and on the other hand on shell castings.
In a composition font:
EMI5.2
<tb>
<tb> C <SEP> If <SEP> Mn <SEP> S <SEP> P
<tb> 2.36% <SEP> 1.15% <SEP> 0.36% <SEP> 0.12% <SEP> 0.10%
<tb>
it is observed after sand casting, martensitic quenching and germination treatment of 48 hours at 450, 200 graphite moduli per mm 2. If the treatment is carried out on the same cast iron also for 48 hours but at 500, the number of nodules observed deviates from 3,000 per mm2. By the treatment at 500 applied for 12 hours only to a cast iron of the same composition cast in a metal shell and quenched, 15,000 seeds per mm 2 are obtained. In certain cases, it is possible to achieve a result of the same order in much shorter times, for example 3 or 6 hours.
Completion of graphitization in the third phase of processing is also much faster, 2-3 hours at 8750 is sufficient
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while 10 hours at the same temperature are required for sand castings.
The advantages which can be obtained from the casting in a metal mold from the point of view of the mechanical properties after the treatment of the invention are shown by the results of tensile tests on machined specimens, produced in the table below.
EMI6.1
<tb>
<tb>
Casting <SEP> in <SEP> sand <SEP> Casting <SEP> in <SEP> shell
<tb> Elastic limit <SEP> <SEP> 45 <SEP> to <SEP> 55 <SEP> kg / mm2 <SEP> 65 <SEP> to <SEP> 75 <SEP> kg / mm2
<tb> Load <SEP> from <SEP> break <SEP> 65 <SEP> to <SEP> 75 <SEP> "<SEP> 80 <SEP> to <SEP> 90 <SEP>"
<tb> Elongation <SEP> 3 <SEP> to <SEP> 4% <SEP> 4 <SEP> to <SEP> 6 <SEP>%
<tb>
The greater generality of application is another advantage which results from the fact that homogeneous white structures can be obtained by shell casting on massive pieces which would remain partially gray in sand molds.
These advantages, linked to the application of the treatment process, are added to the benefits that one derives, independently of any treatment, from the use of permanent molds: simplification of foundry work, reduction of machining costs made possible. by the greatest precision of the castings, etc ...
The castings indebted to the treatment process that has been discovered can be obtained from ordinary steel shell or from gray cast iron. se or special refractory steel. The shells, depending on the particular manufacturing conditions, can be left bare or coated before casting, with a brush or a spray gun, with a thin refractory layer based, for example, on silica flower. The casting can be done in cold shell or in heated shells to avoid cracks and excessive shrinkage which would result from too sudden cooling. Baked sand cores vents, multiple core sand weights can be joined to the metal shells.
White moldings, indebted to the process can also be produced in molds the impression of which consists of elements of relatively small thickness obtained by agglomeration of sand by means of an organic plastic material, thermosetting for example.
CLAIMS.
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