Alliage inoculant anti microretassure pour traitement des fontes de moulage.
Domaine de l'invention L' invention concerne le traitement à l' état liquide de la fonte destinée à
la fabrication de pièces pour lesquelles on souhaite obtenir une structure exempte de carbures de fer et une absence de micro-retassures.
Etat de la technique La fonte est un alliage fer-carbone-silicium bien connu et largement utilisé
pour la fabrication de pièces mécaniques. On sait que pour obtenir de bonnes propriétés mécaniques de ces pièces, il faut obtenir in fine une structure fer + graphite en évitant le plus possible la formation de carbures de fer de type Fe3C qui durcissent et fragilisent l'alliage.
Ensuite on peût souhaiter que le graphite formé soit sphéroïdal, vermiculaire ou lamellaire, mais la condition préalable essentielle à remplir est d'éviter la formation de carbure de fer. A
cette fin, la fonte liquide subit avant coulée un traitement d'inoculation qui favorise au refroidissement l' apparition de graphite plutôt que celle de carbure de fer.
Le traitement d'inoculation est donc très important . Or il est bien connu que l'inoculation, quels que soient les inoculants utilisés, a sur la fonte liquide une efficacité qui diminue dans le temps et qui, en général, a déjà baissé de 50% au bout d'une dizaine de minutes ; l'homme de l'art désigne ce phénomène sous le nom d'« effet d'évanouissement ». Pour obtenir un maximum d'efficacité, on pratique -en général l'inoculation progressive, consistant en plusieurs ajouts d'inoculants à différents stades de l'élaboration de la fonte. Ainsi il est d'usage courant d'inoculer la fonte liquide, d'une part en poche avec un alliage inoculant par exemple en grains de taille comprise entre 2 et 10 mm ou entre 0,4 et 2 mm, d' autre part « au jet », c'est à dire à la coulée de la poche avec un alliage inoculant en grains de taille comprise entre 0,2 et 0,7 mm, et enfin « dans le moule », en fait dans les canaux d'alimentation des moules, en disposant sur le parcours de la fonte liquide des inserts constitués d'un matériau inoculant.
Ces inserts de forme définie portent le nom de pions. Il existe deux types de pions Inoculating anti-micro-backing alloy for treating cast iron.
Field of the invention The invention relates to the treatment in the liquid state of cast iron intended for the manufacture of parts for which a carbide-free structure is desired of iron and a absence of micro-shrinkage.
State of the art Cast iron is a well-known and widely used iron-carbon-silicon alloy for the manufacture of mechanical parts. We know that to get good mechanical properties of these parts, it is ultimately necessary to obtain an iron + graphite structure, avoiding as much as possible formation of Fe3C type iron carbides which harden and weaken the alloy.
Then we could wish that the graphite formed is spheroidal, vermicular or lamellar, but the essential precondition to be fulfilled is to avoid the formation of iron carbide. AT
To this end, the liquid iron undergoes before pouring an inoculation treatment which favors cooling the appearance of graphite rather than that of iron carbide.
Inoculation treatment is therefore very important. It is well known that inoculation whatever inoculants used, has on liquid iron a decreasing efficiency in the time and which, in general, has already dropped by 50% after ten minutes ; the man of art designates this phenomenon under the name of "fading effect". For obtain a maximum efficiency, we generally practice progressive inoculation, consisting of several additions of inoculants at different stages in the development of the melting. So he is commonly used to inoculate liquid iron, on the one hand in a pocket with a alloy inoculating by example in grains of size between 2 and 10 mm or between 0.4 and 2 mm, of on the other hand jet ”, that is to say when pouring the pocket with an inoculating alloy grain size included between 0.2 and 0.7 mm, and finally "in the mold", in fact in the channels feeding molds, with inserts along the route of liquid cast iron made of material inoculant.
These defined shaped inserts are called pawns. There are two types of pions
2 - les pions « moulés » obtenus par moulage de l'inoculant fondu.
- les pions agglomérés obtenus à partir d'une poudre pressée avec en général très peu de liant, voire même sans liant.
Les pions moulés sont considérés par l'homme de l'art comme le meillew niveau de qualité
toutefois les pions agglomérés lew~ sont souvent préférés pour des raisons de coût. La durée de la coulée d'une pièce étant t~~ès courte, la cinétique de dissolution des pions doit être extrêmement rapide.
Pax ailleurs, l'homme de l'art constate bien souvent dans les pièces la présence de vides de dimensions millimétriques ou micrométriques désignées sous le nom de micro-retassures .
Ces défauts fragilisent les pièces ; en outre, si un usinage ultérieur des pièces est nécessaire, par exemple pour dresser une surface, la fait de tomber sur de tels défauts conduit au rebut inévitable des pièces défectueuses.
Un moyen connu pour éviter l'apparition de micro-retassures dans les pièces en fonte est l'ajout de lanthane dans la fonte liquide. Ce métal du groupe des lanthanides possède en effet la propriété de diminuer la viscosité de la fonte, non seulement celle de la fonte liquide juste avant le début de sa solidification, mais aussi celle de la fonte en cours de solidification, c'est à dire du mélange solide + liquide. Tout se passe comme si, par ajout de lanthane, la fonte en mouvement devenait thixotrope. L'homme de l'art peut alors, en dessinant correctement ses moules, rassembler les retassures dans la masselote d'alimentation et obtenir ainsi des pièces saines.
Ainsi ont été mis successivement sur le marché, d'abord des nodulisants contenant du lanthane, dont l'usage était réservé aux fontes nodulaires dites fontes GS, puis des inoculants de type FeSi à 45% de Si et 2% de La, utilisables aussi bien pour les fontes GS que pour les fontes à graphite lamellaire dites fontes GL.
L'invention a pour but de fournir des alliages inoculants destinés au traitement de la fonte liquide permettant une inoculation efficace, notamment lors du traitement «
dans le moule », tout en évitant la formation de micro-porosités dans les pièces obtenues par moulage.
Objet de l'invention L'invention a pour objet des alliages inoculants destinés au traitement de la fonte de moulage contenant (en poids) de 0,005 à 3% d'un élément du groupe bismuth, plomb et antimoine, de 0,3 à 10% de métaux du groupe des terres raies et éventuellement de l'aluminium jusqu'à 5% 2 - “molded” pawns obtained by molding the molten inoculant.
- the agglomerated pawns obtained from a pressed powder with in general few of binder, or even without binder.
Molded pins are considered by those skilled in the art to be the meillew level quality however, the agglomerated pawns lew ~ are often preferred for reasons of cost. The duration of the casting of a part being very short, the kinetics of dissolution of pawns must be extremely fast.
Pax elsewhere, those skilled in the art very often find in the rooms the presence of voids millimeter or micrometer dimensions referred to as micro-shrinkage.
These defects weaken the parts; furthermore, if subsequent machining of the parts is required, for example to erect a surface, falling on such defects leads to waste inevitable defective parts.
A known way to avoid the appearance of micro-shrinkage in the pieces in cast iron is adding lanthanum to the liquid iron. This metal from the lanthanide group indeed has the property of reducing the viscosity of cast iron, not only that of just liquid iron before the start of its solidification, but also that of the melting process solidification is ie of the solid + liquid mixture. Everything happens as if, by adding lanthanum, cast iron movement became thixotropic. Those skilled in the art can then, by drawing correctly its mussels, collect the shrinkage in the feeder and obtain so pieces healthy.
Thus were successively placed on the market, first nodulants containing lanthanum, the use of which was reserved for nodular fonts called GS fonts, then inoculants FeSi type with 45% Si and 2% La, usable both for cast iron GS only for lamellar graphite fonts called GL fonts.
The object of the invention is to provide inoculating alloys intended for cast iron processing liquid for effective inoculation, especially during treatment "
in the mold ", while avoiding the formation of micro-porosities in the parts obtained by molding.
Subject of the invention The invention relates to inoculating alloys intended for the treatment of cast iron containing (by weight) 0.005 to 3% of an element from the group bismuth, lead and antimony, from 0.3 to 10% of metals from the striped earth group and possibly of aluminum up to 5%
3 et du calcium jusqu'à 1,5%, le reste étant du ferro-silicium, le lanthane constituant plus de 90% des métaux des terres rares entrant dans sa composition.
L'alliage contient de préférence du bismuth à une teneur comprise entre 0,2 et 1,5%, et de préférence entre 0,7 et 1,3%. La teneur en lanthane est avantageusement comprise entre 0,3 et 8%, et de préférence entre 0,5 et 3%. La présence d'au moins 0,8% d'aluminium est avantageuse, et sa teneur est de préférence comprise entre 1 et 3,5%.
L'alliage selon l'invention peut être conditionné sous forme de poudre ou d'un mélange de poudres d'alliages de compositions différentes, ou sous forme de pions moulés à partir de l'alliage fondu, ou agglomérés à partir d'une poudre ou d'un mélange de poudres. Cette poudre a, de préférence, une granulométrie inférieure à 1 mm, avec une fraction granulométrique entre 50 et 250 ~,m représentant plus de 35% en poids du total, et une fraction inférieure à 50 ~m représentant moins de 25% du total.
Description de l'invention Un inoculant étant destiné par nature à conduire à l'obtention de fonte dans laquelle le carbone soit présent sous forme de graphite, il est apparu souhaitable à la demanderesse de mettre au point un inoculant présentant des propriétés anti-micro-retassures .
Ainsi ont d'abord été envisagés des alliages inoculants à base de FeSi à 75 %
additionnés d'un élément anti microretassures pouvant être soit le lanthane, soit le germanium. En ce qui concerne le germanium, les teneurs requises vont de 0,3 à 6%. Pour ce qui est du lanthane, elles vont de 0,3 à 8%, et préférentiellement de 0,5 à 5%.
Mais des solutions plus intéressantes sont apparues en imaginant des alliages inoculants dans lesquels le méme élément puisse remplir -plusieurs fonctions : ainsi il est apparu comme particulièrement intéressant, partant d'un alliage tel que celui décrit dans le brevet US
4432793 (Nobel-Bozel), à base de ferro-silicium et contenant jusqu'à 3% de bismuth, de plomb ou d'antimoine, et jusqu'à 3% de terres rares, de lui ajouter un élément anti-micro-porosité tel que le lanthane, et de contracter la formule obtenue en optimisant le total du lanthane et des autres terres rares dans un alliage Fe-Si-Bi-La.
La demanderesse a d'abord vérifié que ces alliages nouveaux anti microporosités, conditionnés dans les granulométries habituelles , à savoir entre 2 et 7 mm, ou entre 0,4 et 2 mm pour traitement en poches, et entre 0,4 et 0,7 mm pour le traitement au jet, présentaient bien de bonnes propriétés en tant qu'inoculants. On a envisagé ensuite la préparation de pions WO 03/093513 and calcium up to 1.5%, the rest being ferro-silicon, lanthanum constituting more than 90% of the rare earth metals used in its composition.
The alloy preferably contains bismuth at a content of between 0.2 and 1.5%, and preferably between 0.7 and 1.3%. The lanthanum content is advantageously between 0.3 and 8%, and preferably between 0.5 and 3%. The presence of at least 0.8% aluminum East advantageous, and its content is preferably between 1 and 3.5%.
The alloy according to the invention can be packaged in the form of a powder or a mix of powders of alloys of different compositions, or in the form of molded pawns from the alloy melted, or agglomerated from a powder or a mixture of powders. This powder preferably has a particle size less than 1 mm, with a fraction particle size between 50 and 250 ~, m representing more than 35% by weight of the total, and one fraction less than 50 ~ m representing less than 25% of the total.
Description of the invention An inoculant being intended by nature to lead to the production of cast iron in which the carbon be present in the form of graphite, it appeared desirable to the plaintiff develop an inoculant with anti-micro-shrinkage properties.
Thus, inoculating alloys based on FeSi at 75% were first considered added an anti-micro-cracking element which can be either lanthanum or germanium. In what for germanium, the required contents range from 0.3 to 6%. Regarding lanthanum, they range from 0.3 to 8%, and preferably from 0.5 to 5%.
But more interesting solutions appeared by imagining alloys inoculants in which the same element can fulfill -several functions: thus it is appeared as particularly interesting, starting from an alloy such as that described in the US patent 4432793 (Nobel-Bozel), based on ferro-silicon and containing up to 3% of bismuth, from lead or antimony, and up to 3% rare earths, to add an element to it anti-micro-porosity such as lanthanum, and to contract the formula obtained by optimizing the total lanthanum and other rare earths in an Fe-Si-Bi-La alloy.
The Applicant first verified that these new anti-alloys micropores, conditioned in the usual grain sizes, namely between 2 and 7 mm, or between 0.4 and 2 mm for treatment in bags, and between 0.4 and 0.7 mm for treatment with jet, presented many good properties as inoculants. We then considered the preparation of pawns WO 03/09351
4 PCT/FR03/01295 inoculants avec ces mémes alliages. Le résultat en terme de réduction de la micro-porosité a été confirmé malgrë l' apport de bismuth dans la fonte finale.
Ainsi de très bons résultats ont pu être obtenus avec des pions moulés constitués d'alliage de type FeSi contenant - de 60 à 80%, et préférentiellement de 72 à 78% de silicium, - de 0,3 à 8% , et préférentiellement de 0,5 à 5% de lanthane, - de 0,2 à 1,5%, et préférentiellement de 0,7 à 1,3% de bismuth, - de 0,8 à 5%, et préférentiellement de 1 % à 3,5 % d'aluminium.
Exemples Pour réaliser les exemples décrits ci-dessous, une charge de fonte a été
fondue en four à
induction et traitée par le procédé Tundish Cover au moyen d'un alliage inoculant habituel de type FeSiMg à 5% de Mg et 1% de Ca ne contenant pas de terres rares, à la dose de 20 kg pour 1600 kg de fonte. L' analyse de cette fonte liquide éiait la suivante C = 3,7%, Si = 2,6%, Mn = 0,07%, P = 0,03%, S = 0,003%, Mg = 0,038%.
La performance au niveau de la macro- comme de la micro-porosité a été
appréciée au moyen du test de coulée d'éprouvettes en « V ».
Dans ce test, l'éprouvette est constituée d'un « V » de hauteur 110 mm, d'angle au sommet 40°, la largeur des branches du « V » étant de 20 mm et l'épaisseur de la pièce de 20 mm.
Cette géomëtrie donne une largeur de 80 mm au sommet du « V », un volume unitaire de 69 cm3, et une masse unitaire de 480 g à 500 g selon la qualité de la fonte. Sur ce type de pièce, les porositës apparaissent sélectivement dans la partie rentrante du « V ».
Pour apprécier le résultat du test, on découpe la pièce à mi-épaisseur, et l'on examine la coupe par microscopie optique pour évaluer la surface des porosités ; le résultat est exprimé en surface relative rapportée à la surface de la coupe.
Exemple 1 Une poche de fonte traitée venant de l'opération préliminaire a été inoculée en poche au moyen d'un alliage inoculant en poudre de granulomëtrie comprise entre 2 et 10 mm, de composition : « Foundry Grade », solde principalement Fe, utilisé à la dose de 200 g à la tonne de fonte.
Cette fonte a été utilisée pour couler des pièces en V de géométrie identique à celle définie dans le test de contrôle, disposées en grappe dans un moule en sable de 36 pièces alimenté par un canal d'amenée où était disposé un filtre constitué d'une mousse réfractaire.
Les pièces obtenues ont été examinées par microscopie optique sur coupe polie pour déterminer la structure du métal en fonction de la profondeur et le niveau de porosité.
Au coeur des branches, la densité des nodules de graphite a été mesurée à
120/rmn2.
La porosité moyenne des pièces a été évaluée à 2,4%.
w Exemple 2 Une seconde poche de fonte traitée venant de l'opération préliminaire a été
inoculée en poche au moyen d'un alliage inoculant de granulométrie comprise entre 2 et 10 mm de composition Si = 75,4%, Al = 0,94%, Ca = 0,86% , La = 2,2%, Bi = 0,92%, solde principalement Fe, utilisé à la dose de 200 g à la tonne de fonte.
Cette fonte a été utilisée pour couler des pièces en V de géométrie identique à celle définie dans le test de contrôle, disposées en grappe dans un moule en sable de 36 pièces alimenté par un canal d'amenée où était disposé un filtre constitué d'une mousse réfractaire .
Les pièces obtenues ont été examinées par microscopie optique sur coupe polie pour déterminer la structure du métal en fonction de la profondeur et le niveau de porosité. Au coeur des branches, la densité des nodules de graphite a été comptée à
360/mm2.
La porosité moyenne des pièces a été évaluée à 0,3%.
Exemple 3 Une troisième poche de fonte traitée venant de l'opération préliminaire a été
utilisée pour couler des pièces en V de géométrie identique à celle définie dans le test de contrôle, disposées en grappe dans un moule en sable de 36 pièces alimenté par un canal d'amenée où
était disposé un pion de 25 g constitué d'alliage inoculant pour traitement dans le moule, de composition Si = 73,6%, Al = 3,92%, Ca = 0,78%, La = 2,1%, Bi = 0,97%, solde principalement Fe.
Les pièces obtenues ont été examinées par microscopie optique sur coupe polie pour déterminer la structure du métal en fonction de la profondeur et le niveau de porosité. Au coeur des branches, la densité des nodules de graphite a été comptée à
320/mm2.
La porosité moyenne des pièces a été évaluée à 0,2%. 4 PCT / FR03 / 01295 inoculants with these same alloys. The result in terms of reduction of micro-porosity a was confirmed despite the contribution of bismuth in the final cast.
Very good results have been obtained with molded pins made of alloy of type FeSi containing - from 60 to 80%, and preferably from 72 to 78% of silicon, - from 0.3 to 8%, and preferably from 0.5 to 5% of lanthanum, - from 0.2 to 1.5%, and preferably from 0.7 to 1.3% of bismuth, - from 0.8 to 5%, and preferably from 1% to 3.5% of aluminum.
Examples To carry out the examples described below, a melting charge was fondue in oven induction and treated by the Tundish Cover process using an alloy usual inoculant FeSiMg type at 5% Mg and 1% Ca containing no rare earths, at the dose from 20 kg for 1600 kg of cast iron. The analysis of this liquid melt was as follows C = 3.7%, Si = 2.6%, Mn = 0.07%, P = 0.03%, S = 0.003%, Mg = 0.038%.
The performance at the macro- and micro-porosity level has been appreciated by means of the “V” test piece casting test.
In this test, the test piece consists of a "V" of height 110 mm, corner at the top 40 °, the width of the branches of the "V" being 20 mm and the thickness of the 20 mm piece.
This geometry gives a width of 80 mm at the top of the "V", a volume unit of 69 cm3, and a unit mass of 480 g to 500 g depending on the quality of the cast iron. Sure this type of room, the porosity appears selectively in the reentrant part of the "V".
To assess the result of the test, the part is cut to mid-thickness, and we examine the cup by optical microscopy to evaluate the surface of the porosities; the result is expressed in relative surface referred to the surface of the cut.
Example 1 A treated cast iron pocket from the preliminary operation was inoculated in pocket at using an inoculating powder alloy with a particle size between 2 and 10 mm, from composition: "Foundry Grade", mainly Fe balance, used at the dose of 200 g ton of pig iron.
This cast iron was used to cast V-shaped parts of identical geometry to that defined in the control test, arranged in a cluster in a 36 cm sand mold parts powered by a supply channel where a filter made of foam was placed refractory.
The parts obtained were examined by optical microscopy on a polished section.
for determine the structure of the metal according to the depth and level of porosity.
At the heart of the branches, the density of the graphite nodules was measured at 120 / rmn2.
The average porosity of the parts was evaluated at 2.4%.
w Example 2 A second pocket of treated cast iron from the preliminary operation was inoculated in pocket using an inoculating alloy with a particle size between 2 and 10 mm composition Si = 75.4%, Al = 0.94%, Ca = 0.86%, La = 2.2%, Bi = 0.92%, balance mainly Fe, used at a dose of 200 g per ton of cast iron.
This cast iron was used to cast V-shaped parts of identical geometry to that defined in the control test, arranged in a cluster in a 36 cm sand mold parts powered by a supply channel where a filter made of foam was placed refractory.
The parts obtained were examined by optical microscopy on a polished section.
for determine the structure of the metal according to the depth and level of porosity. At heart of the branches, the density of graphite nodules was counted at 360 / mm2.
The average porosity of the parts was evaluated at 0.3%.
Example 3 A third pocket of treated cast iron from the preliminary operation was used for pour V-shaped parts of identical geometry to that defined in the test control, arranged in a cluster in a 36-piece sand mold fed by a channel where was placed a 25 g pion made of alloy inoculating for treatment in the mold, of composition Si = 73.6%, Al = 3.92%, Ca = 0.78%, La = 2.1%, Bi = 0.97%, balance mainly Fe.
The parts obtained were examined by optical microscopy on a polished section.
for determine the structure of the metal according to the depth and level of porosity. At heart of the branches, the density of graphite nodules was counted at 320 / mm2.
The average porosity of the parts was evaluated at 0.2%.