Pièce en fonte graphitique brute de coulée, et procédé pour son obtention. On sait que la fonte se présente, après cou lée, sous forme de fonte grise, de fonte blanche ou de fonte truitée et que l'on peut traiter la fonte blanche par chauffage pour décompo ser le carbone combiné et rendre la fonte mal léable. La caractéristique de la fonte grise est que la plus grande partie du carbone non combiné dans la structure est présente sous forme de graphite. Si l'on examine au mi croscope des sections polies de fonte grise, le graphite apparaît toujours sous forme de fila ments allongés, parfois tordus. On désigne couramment ce graphite sous le nom de gra phite en lamelles et on donne à sa forme le nom de lamelles .
La présente invention est fondée sur la découverte < lue la forme des particules de graphite est modifiée si le fer, après coulée, contient du magnésium. Les lamelles s'arron dissent dans les trois dimensions ou se rac courcissent, de sorte que dans les sections po lies vues au microscope les points aigus carac- téristiques des sections des lamelles de gra phite disparaissent. pratiquement complète ment.
La présente invention concerne une pièce en fonte graphitique brute de coulée, constituée en majeure partie par du fer et un procédé pour l'obtention de cette pièce. La pièce en fonte graphitique selon l'invention est carac térisée en ce qu'elle contient de 0,02 à 0,04 /o de magnésium et en ce que pratiquement toutes les particules de graphite qu'elle contient sont de forme compacte. Le procédé pour l'obtention de cette pièce est caractérisé en ce que l'on incorpore du magnésium à un bain de métal fondu conte nant en majeure partie du fer, apte à fournir une fonte graphitique, et en ce qu'on coule ce bain, la quantité de magnésium incorporée et les conditions de coulage étant telles que la pièce brute de coulée contienne de 0,02 à.
0,04 % de magnésium et que pratiquement toutes les particules de graphite présentes soient de forme compacte.
Par l'expression particules de graphite de forme compacte , on entend toutes parti cules de graphite qui ont une forme plus arrondie et plus courte que les particules ordi naires de graphite, c'est-à-dire les lamelles. Parmi les particules de forme eotrrpacte, on peut distinguer celles ayant. une forme sphé- roïdale .
Le changement dans la microstructure apparaît clairement sur le dessin annexé.
La fig. 1 et la fig. 2- sont des reproduc tions de microphotographies de deux fontes grises. Chacune contient 3 % de carbone et 1,75 % de silicium. La fonte représentée sur la fig. 1. est obtenue de la manière habituelle;
celle représentée sur la fig. \' est traitée de façon qu'elle contienne 0,033 % de magné- sium retenu. La différence de forme du gra phite apparaît encore mieux sur les micro photographies faites avec un plus fort grossis sement.
La fig. 3 et la fig. 4 sont des reproductions de microphotographies faites avec un grossis sement cinq fois plus fort de deux fontes comparables, celle de la fig. 3 contenant 3,4 % de carbone et 2,2 % de siliciiun,
et celle de la fig. 4 contenant 3,3 % de carbone, 2,2 % de silicium et 0,021 % de magnésium retenu.
Les fig. 5 et 6 montrent respectivement les deux mêmes fontes avec un grossissement double de celui des fig. 3 et 4.
Toutes ces figures permettent de voir que les particules de graphite dans les fontes con tenant du magnésium sont plus courtes et phis épaisses et que leurs arêtes sont émoussées et arrondies, quelle que soit la section sous la quelle la particule est. examinée, mais la dis tribution du graphite n'est pas du type com munément désigné sous le nom d'inter-dendri- tique. Cette forme des particules représentée sur les fig. 2, 4 et 6 est désignée par l'expres sion forme compacte .
La foi-me exacte de la microstructure va rie avec un certain nombre de facteurs, et parmi ceux-ci la présence ou l'absence de la plus petite trace de certains éléments s'est révélée avoir un effet contraire à la tendance du graphite de changer à partir de la forme lamellaire. Dans les conditions favorisant le changement, certaines particules de graphite peuvent devenir sphéroïdales; les particules sphéroïdales représentent une classe spéciale des particules dites compactes .
De préférence, au plus 25 % des particules de graphite de forme compacte, présentes dans la fonte, sont sous forme sphéroïdale . Dans des conditions moins favorables, certai nes particules non compactes seront des la melles, ce qui est à éviter dans la préparation de la pièce en fonte graphitique selon l'inven tion.
La pièce en fonte graphitique selon l'in vention possède des propriétés bien supé rieures à celles d'une pièce en fonte graphi- tique dans laquelle le graphite subsiste sous la forme ordinaire de lamelles, mais qui est autrement constituée de la même façon.
La production d'une microstructure dans laquelle au moins une partie (par exemple les 25 0/0) du graphite est sous forme prati- quement sphéroïdale fait. l'objet. du brevet. suisse N 278655 de la même titulaire. Ce ré sultat peut être obtenu en assurant à la fonte une teneur en magnésium retenu comprise entre 0,04 et 0,5 0/0.
Dans la mise en oeuvre de la présente in vention, il est essentiel que le métal soit gra- phitique après coulée et la composition doit être appropriée à cet effet, compte tenu des conditions de coulée, c'est-à-dire du type de moule et de l'utilisation d'un agent inoculant quelconque, autrement dit de l'addition d'un agent fortement graphitisant immédiatement avant la coulée. De plus, il ne suffit pas d'ajouter simplement du magnésium au mé tal en fusion, comme proposé jusqu'à. main tenant; il faut que du magnésium soit retenu dans la. fonte.
C'est. un fait bien connu que le magnésium a une grande affinité pour l'oxy gène dans le métal et aussi qu'il s'oxyde rapi dement à la surface de la fonte en fusion; en conséquence, il n'y a pas de magnésium rési duel lorsque ce métal est. simplement utilisé pour produire la désoxydation. On sait aussi que le magnésium a une grande affinité pour le soufre. En conséquence, la quantité de ma gnésium introduite doit être augmenté de la quantité nécessaire pour éliminer ces éléments ou pour neutraliser d'une autre manière leurs effets. Quand il y a du soufre dans le bain avant le traitement, il est nécessaire d'intro duire dans le bain une quantité de magné sium qui soit. suffisante non seulement pour assurer la teneur désirée en magnésium re tenu, mais aussi pour réagir avec le soufre, et.
dans ce but, il est préférable d'introduire une partie en poids de magnésium pour chaque partie en poids de soufre à. éliminer. De cette façon, la teneur en soufre est généralement réduite à moins de 0,015 0/0. Seul l'excès non consommé de magnésium est alors disponible pour remplir son rôle consistant à déterminer la forme du carbone non combiné et assurer la teneur requise en magnésium résiduel.
Etant donné qu'il est essentiel que la fonte soit graphitique, le métal en fusion doit, au moment de la coulée, posséder un pouvoir graphitisant élevé. On peut lui communiquer cette propriété par un ajustement approprié de la composition du métal en fusion de di- verses manières bien connues dans la fabri cation de la fonte grise. En raison, toutefois, de l'effet blanchissant du magnésium sur la fonte, il est en général désirable d'inoculer le métal en fusion.
L'inoculation de la fonte a un effet graphitisant; elle consiste en une addi tion tardive d'un agent graphitisant fort qui est habituellement un agent contenant du sili cium, comme le ferrosilicium, le siliciure de calcium ou le siliciure de nickel, mais qui peut, par exemple, être l'aluminium. Pour la réali sation de la présente invention, on utilise l'inoculation sauf dans certains cas où le bain possède un pouvoir graphitisant élevé.
Il est préférable d'introduire le magnésium dans le bain, puis d'y introduire séparément l'inocu lant graphitisant, lequel est de préférence le silicium, ajouté par exemple, sous forme de ferrosilicium. La quantité de silicium ajoutée est d'ordinaire comprise entre 0,3 et 2,5 0/0 et, de préférence, entre 0,4 et 1,2 0/0. Si l'inoculation précède l'introduction du magné sium, elle peut ne pas donner les résultats dé sirés dans le produit tel qu'il est. coulé. On peut remédier à cette difficulté par une autre inoculation pratiquée au moment même de l'introduction du magnésium, mais de préfé rence après cette introduction.
Le bain en fu sion contenant du magnésium et inoculé doit être coulé très rapidement après l'inoculation, par exemple trois minutes après celle-ci. On a constaté que si le bain traité est maintenu pendant un temps beaucoup plus long après l'inoculation, l'effet de cette dernière opéra tion s'émousse et disparaît, mais il peut être restauré par un nouveau traitement inocu lant.
Les teneurs en carbone et en silicium des pièces coulées sont celles de la fonte grise ordinaire, mais quand la teneur en carbone augmente, la quantité de magnésium retenu nécessaire pour que le graphite soit principale ment compact augmente aussi. Ainsi, pour une teneur en carbone d'environ 3 0/0, une te- neur en magnésium de 0,035 % donne de bons résultats, mais quand la teneur en car- bone est de 3,5 0/0, une teneur en magnésium de 0,
039 % est. plus satisfaisante.
La fonte telle qu'elle vient d'être coulée peut. être exempte d'éléments d'alliage ou peut contenir des quantités notables de tels élé ments. C'est ainsi que la fonte peut contenir des éléments d'alliage tels que le nickel, le molybdène, le chrome, le manganèse et l'alu minium. Les propriétés blanchissantes, ou de stabilisation des carbures, de certains éléments d'alliage doivent être prises en considération en raison de la nécessité que le métal en fu sion possède un pouvoir graphitisant suffisant, lorsqu'il est coulé, pour qu'il se forme une quantité notable de carbone graphitique pen dant le refroidissement à partir des tempé ratures de coulée.
Pour cette raison, la. teneur en chrome ne doit pas dépasser normalement 1% et, de préférence 0,6 0/0. Toutefois, la quantité de chrome pouvant être tolérée dé pend de la composition du métal en fusion dans son ensemble, et la quantité maximum de chrome est celle qui donne un métal en fusion possédant le pouvoir graphitisant re quis au moment de la coulée.
Le manganèse, qui est un blanchissant ou un stabilisateur de carbures plus doux, peut être toléré en quan tités plus grandes allant, par exemple, jus qu'à 2,511/o. De plus grandes quantités de manganèse peuvent être présentes lorsque l'alliage a une composition, ou matrice, austé- nitique. En général, le manganèse tend à affaiblir certaines propriétés mécaniques, en particulier dans les alliages, tels que coulés, dans lesquels le fer est sous la forme alpha; pour cette raison, il est préférable que la teneur en manganèse ne dépasse pas l0/0.
L'aluminium diminue la stabilité des car bures et. agit comme graphitisant. Le cuivre ne doit. pas être utilisé en quantités dépas- sant 3 % ou même 2 % sans que l'on ait tout d'abord déterminé son effet sur les caracté ristiques et. propriétés générales de la fonte. Certains éléments d'alliage tels que le nickel peuvent augmenter la tolérance pour le cuivre.
Il est bien connu que certaines fontes graphitiques contiennent de petites quan tités de carbures libres distribués avec le graphite dans toute la matrice. Ces fontes sont. évidemment entièrement dif férentes des fontes blanches dans lesquelles tout, ou pratiquement tout le carbone est. com biné.
Dans la présente description, l'expres sion fonte graphitique désigne une fonte 'lise dans laquelle tout, ou presque tout le carbone non dissous ou combiné dans la ma trice est. du graphite, mais elle n'exclut pas les fontes dans lesquelles il v a certains car bures primaires distribués dans la matrice. Par exemple, les propriétés mécaniques et la résistance à l'oxydation des fontes grises ré sistantes à la chaleur contenant un peu de carbure de chrome distribué avec le graphite dans toute la matrice perlitique peuvent être améliorées en incorporant.
à ces fontes du ma gnésium. On pense que l'amélioration de la résistance à. l'oxydation est. due au fait que la pénétration de l'oxyde le long des particules de graphite compact est moindre que dans les fontes grises ordinaires présentant des la melles normales.
Comme il a été dit, plus haut, certains élé ments compensent. la tendance que le magné sium possède à produire du graphite com pact. Ces éléments doivent être évités ou ne doivent être présents qu'à l'état de traces ou en très petites quantités. Ces éléments nuisi bles sont. l'étain, le plomb, l'antimoine, le bis muth, l'arsenic, le sélénium et le tellure. On a. constaté que l'étain est particulièrement nuisible, et la teneur en étain doit être main tenue aussi basse que possible, et habituelle ment, il ne doit pas y avoir plus que des traces d'étain.
Le phosphore ne gêne pas la formation du graphite compact et la teneur en phosphore peut atteindre 0,5 % ou plus; toutefois, si l'on désire de très bonnes pro priétés, en particulier celles relatives au choc et à. la ductilité, la teneur en phosphore ne doit pas dépasser 0,06 % et être comprise par exemple entre 0,02 et 0,06 %.
Le magnésium peut être introduit de nombreuses manières.
La quantité de magnésium à ajouter au bain dépend du magnésium retenu désiré, de la quantité additionnelle de- magnésium re- guise pour combattre la présence de certains éléments comme le soufre, de la quantité de magnésium perdue par le retard de la coulée du bain après introduction du magnésium et de la. proportion de magnésium dans l'agent d'addition de magnésium perdu lors de l'in troduction du magnésium dans le bain.
On croit généralement que le magnésium ne s'al lie pas au fer et, en fait, lorsqu'on essaie d'introduire du magnésium métallique sous la forme élémentaire dans la. fonte en fusion à la température ordinaire élevée nécessaire pour une coulée satisfaisante, il se produit une réaction d'une telle violence explosive que la fonte en fusion peut. se trouver soufflée hors du récipient. On peut ajouter le magné sium métallique avec les précautions voulues sous la forme élémentaire solide directement dans le bain lorsque ce dernier est à une tem pérature de peu supérieure à la température du liquidus de la. composition en fusion, par exemple à une température d'environ l235\# C.
La température doit être assez élevée seule ment pour que le bain soit. en fusion com plète, tout. en étant visqueux. Une telle addi tion de magnésium élémentaire s'accompagne généralement de la combustion du magné sium à. la surface du bain avec production d'un éclair brillant, dégagement de grandes quantités de fumées d'oxyde de magnésium et perte de la plus grande partie du magné sium ajouté. Toutefois, une quantité suffi sante de magnésium se trouve retenue si l'on ajoute une quantité assez grande de ce corps.
Lorsqu'on applique ce procédé, il est préfé rable d'élever rapidement la. température du bain, après introduction du magnésium, à 1370 C ou à. une température plus élevée, puis d'inoculer le bain et. de couler rapide ment. On peut ajouter aussi le magnésium sous forme de briquettes avec des diluants et autres produits analogues pour réduire la combustion du magnésium, pour permettre à celui-ci de se trouver incorporé plus rapide ment et pour qu'une plus grande quantité s'y trouve retenue dans le bain.
Bien que l'on puisse utiliser les procédés rappelés ci-dessus, un procédé commode con- siste à ajouter le magnésium sous forme d'al- liage métallique contenant de 2 à 40 % envi- ron de magnésium.
Des alliages convenables comprennent. ceux que l'on désigne parfois sous le nom de composés intermétalliques , par exemple lIgNi2, ou des mélanges d'un composé intermétallique avec un métal oui avec un autre composé intermétallique, par exemple l4Ni2 + Ni ou Mg--\#i2 + Mg2Ni. D'autre part, le siliciure de magnésium se comporte pratiquement. de la même façon que le magnésium élémentaire et il peut être uti lisé seulement en prenant les mêmes précau tions. On a constaté qu'il est avantageux d'in troduire le magnésium sous forme d'alliage avec un ou plusieurs métaux qui sont solubles dans le fer à l'état fondu.
Pour la réalisation de la présente invention, le nickel et le cuivre sont les métaux préférés avec lesquels le ma gnésium est allié pour former l'agent d'addi tion, et les alliages peuvent comprendre aussi le silicium. L'utilité du cuivre est quelque peu limitée par le désir de maintenir la teneur en cuivre du produit final relativement basse. De même, l'effet nuisible d'une haute teneur en silicium sur les propriétés mécaniques du pro duit. final restreint l'utilité des alliages d'ad dition à haute teneur en silicium. On peut obtenir des résultats très satisfaisants avec des alliages binaires et des alliages plus com plexes contenant du nickel et. du magnésium.
On introduit de préférence le magnésium sous forme d'un alliage dont. la densité est voisine de celle du bain fondu et la dépasse, et on a trouvé que plus la densité est grande, plus la proportion de magnésium retenu dans le métal est grande dans des conditions don nées. Les alliages nickel-magnésitim contenant. de 4 % environ à 20 % environ de magné- sium donnent des résultats satisfaisants.
On donne ci-après quelques exemples de fontes constitutives de pièces conformes à l'in vention, en indiquant également leurs pro priétés.
Pour les applications générales, on désire habituellement une matrice perlitique formée soit entièrement de perlite, soit en partie de perlite, comme dans une matrice perlite-fer- rite; à cet effet, la fonte peut contenir les quantités des éléments indiquées dans le ta bleau 1.
EMI0005.0032
<I>Tableau <SEP> 1:</I>
<tb> Elément <SEP> Limites
<tb> Carbone <SEP> 2,5 <SEP> à <SEP> 3,5 <SEP> 0/0
<tb> Silicium <SEP> 1,6 <SEP> à <SEP> 3,0 <SEP> 0/0
<tb> Magnésium <SEP> 0,02 <SEP> à <SEP> 0,04 <SEP> %
<tb> Nickel <SEP> 0 <SEP> à <SEP> 3 <SEP> %
<tb> Manganèse <SEP> 0,.1 <SEP> à <SEP> 1,2 <SEP> 0/0 Habituellement, les fontes de cette com position ont des charges de rupture à la trac tion d'au moins 3,15 kg/mm2 et parfois jus qu'à 20,47 kg/mm2 plus élevées que celles des fontes comparables exemptes de magnésium.
Elles possèdent aussi le plus souvent une duc tilité, une résistance au choc, un module d'élasticité et des propriétés de résistance à la fatigue améliorés, en même temps que cette forte résistance. Les propriétés des fontes grises contenant du magnésium et dont les composi tions sont dans les limites données dans le ta bleau 1 sont. ordinairement au moins égales à celles données dans le tableau 2.
EMI0005.0036
<I>Tableau <SEP> ?:</I>
<tb> Essai <SEP> de <SEP> flexion <SEP> transversal
<tb> Flèche <SEP> 3,81
<tb> Charge <SEP> 1820
<tb> C. <SEP> R.. <SEP> T. <SEP> 28,35
<tb> Dureté <SEP> Brinell <SEP> 180
<tb> Choc <SEP> 4,15 Flèche: Flèche en mm dans l'essai de flexion transversal déterminé sur une éprou vette de 30,5 mm de diamètre avec une portée de 305 mm.
Charge: Charge en kg nécessaire pour la rup ture de l'éprouvette transversale avec une portée de 305 mm.
C.R.T.: Charge de rupture à la traction en kg/mm2.
Choc: . Nombre de kg/m nécessaire pour rom pre l'éprouvette d'essai non entaillée par choc avec la machine Izod (16,6 kg/m). Quand la. matrice n'est pas perlitique, les propriétés sont également améliorées. Ainsi, la charge de rupture à la traction ultime est toujours d'au moins 19,7 kg/mm2 supérieure à celle d'une fonte comparable exempte de magnésium, et cette augmentation de la charge de rupture à la traction s'accompagne d'une augmentation de la résistance au choc, de la ductilité, de la résistance à la chaleur et de la résistance à la compression.
Les résultats des essais effectués sur quel ques fontes comparables sont. donnés dans le tableau 3.
EMI0006.0004
<I>Tableau <SEP> 3:</I>
<tb> Composition: <SEP> C <SEP> 3,10/0; <SEP> Si <SEP> 1,6 <SEP> 0/0; <SEP> Ni <SEP> 0,8 <SEP> 0/0: <SEP> Mn <SEP> 0,7 <SEP> %; <SEP> P <SEP> 0,02 <SEP> 0/0.
<tb> Essai <SEP> de <SEP> flexion
<tb> No. <SEP> @/o <SEP> <B>mg</B> <SEP> transversal <SEP> C.R.T.
<SEP> Dureté <SEP> Choc
<tb> Flèche <SEP> Charge <SEP> kg/mm= <SEP> Brinell <SEP> kg/m
<tb> mm <SEP> kg
<tb> 1 <SEP> 0 <SEP> 3,94 <SEP> 1640 <SEP> 28,10 <SEP> <B>216</B> <SEP> 3,86
<tb> 2 <SEP> 0,020 <SEP> 5,0 <SEP> <B>2</B>080 <SEP> 33,60 <SEP> 222 <SEP> 5,48
<tb> 3 <SEP> 0,033 <SEP> 4,46 <SEP> 2800 <SEP> 48,70 <SEP> 269 <SEP> 7,72
<tb> 4 <SEP> 0 <SEP> 3,74 <SEP> 7.780 <SEP> 26,90 <SEP> 213 <SEP> 3,72
<tb> 5 <SEP> 0,023 <SEP> 3,9.1 <SEP> <B>1</B>760 <SEP> 23,10 <SEP> 222 <SEP> 3,0-1 Les fontes N 1, 2 et 3 étaient inoculées par une addition, faite dans la poche, de 0,
5 % de silicium sous forme de ferrosilieium. On peut voir que les fontes N 2 et 3 de com position conforme à l'invention, ont des pro priétés très supérieures à. celles de la fonte N 1. La fonte N 4 n'était pas inoculée et dif fère peu dans ses propriétés de la fonte N 1. La fonte N 5 contenait du magnésium retenu, mais, en l'absence d'inoculation, avait lin ré seau de carbures et n'était pas graphitique.
Finalement, on peut. remarquer qu'alors que la charge de rupture à la traction de la fonte représentée sur les fi,-. 3 et 5 est de <B>19,37</B> kgjmm2, celle de la fonte représentée sur les fig. 4 et 6 est de 34,81 kg/mm2.
Rough cast graphitic iron part, and process for obtaining it. It is known that cast iron is present, after casting, in the form of gray cast iron, white cast iron or truit iron and that the white cast iron can be treated by heating to decompose the combined carbon and make the cast iron poorly legible. The hallmark of gray cast iron is that most of the uncombined carbon in the structure is present as graphite. If polished sections of gray cast iron are examined microscopically, the graphite always appears as elongated, sometimes twisted filaments. This graphite is commonly designated under the name of flake graphite and its shape is given the name of lamellae.
The present invention is based on the finding that the shape of graphite particles is changed if the iron, after casting, contains magnesium. The lamellae become rounded in three dimensions or shorten, so that in the po lit sections viewed under the microscope the sharp points characteristic of the sections of the graphite lamellae disappear. almost completely.
The present invention relates to a part made of as-cast graphitic iron, consisting mainly of iron, and a process for obtaining this part. The graphitic cast iron part according to the invention is characterized in that it contains from 0.02 to 0.04% of magnesium and in that practically all the graphite particles which it contains are of compact form. The process for obtaining this part is characterized in that magnesium is incorporated into a bath of molten metal containing mainly iron, capable of providing a graphitic cast iron, and in that this bath is cast. , the amount of magnesium incorporated and the casting conditions being such that the as-cast contains from 0.02 to.
0.04% magnesium and that practically all graphite particles present are of compact form.
By the expression particles of compact form graphite is meant any particles of graphite which have a more rounded and shorter shape than the ordinary particles of graphite, that is to say the lamellae. Among the particles of eotrrpacte shape, we can distinguish those having. a spheroidal shape.
The change in the microstructure is clearly shown in the accompanying drawing.
Fig. 1 and fig. 2- are reproductions of microphotographs of two gray fonts. Each contains 3% carbon and 1.75% silicon. The cast iron shown in fig. 1. is obtained in the usual way;
that shown in FIG. is treated so that it contains 0.033% of retained magnesium. The difference in the shape of the graph appears even better in the micro photographs taken at a higher magnification.
Fig. 3 and fig. 4 are reproductions of photomicrographs made with five times the magnification of two comparable fonts, that of FIG. 3 containing 3.4% carbon and 2.2% silicon,
and that of FIG. 4 containing 3.3% carbon, 2.2% silicon and 0.021% retained magnesium.
Figs. 5 and 6 respectively show the same two castings with a magnification double that of FIGS. 3 and 4.
All these figures show that the graphite particles in magnesium-containing cast irons are shorter and thicker and that their edges are blunt and rounded, regardless of the section under which the particle is. examined, but the graphite distribution is not of the type commonly referred to as inter-dendritic. This shape of the particles shown in FIGS. 2, 4 and 6 is referred to as compact form.
The exact faith of the microstructure will vary with a number of factors, and among these the presence or absence of the smallest trace of certain elements has been shown to have an effect contrary to the tendency of graphite. change from the lamellar form. Under conditions favoring change, some graphite particles may become spheroidal; spheroidal particles represent a special class of so-called compact particles.
Preferably, at most 25% of the graphite particles of compact form present in the cast iron are in spheroidal form. Under less favorable conditions, some non-compact particles will be the same, which is to be avoided in the preparation of the graphitic cast iron part according to the invention.
The graphitic cast iron part according to the invention has properties much superior to those of a graphitic cast iron part in which the graphite remains in the ordinary form of lamellae, but which is otherwise made in the same way.
The production of a microstructure in which at least a part (eg 25%) of the graphite is in substantially spheroidal form. the object. of the patent. Swiss N 278655 from the same holder. This result can be obtained by providing the cast iron with a retained magnesium content of between 0.04 and 0.5%.
In carrying out the present invention, it is essential that the metal be graphitic after casting and the composition should be suitable for this purpose, taking into account the casting conditions, i.e. the type of casting. mold and the use of any inoculating agent, in other words the addition of a strongly graphitizing agent immediately before casting. Moreover, it is not sufficient to simply add magnesium to the molten metal, as proposed up to. now; magnesium must be retained in the. melting.
It is. a well-known fact that magnesium has a great affinity for oxygen in metal and also oxidizes rapidly on the surface of molten iron; as a result, there is no residual magnesium when this metal is. simply used to produce deoxidation. We also know that magnesium has a great affinity for sulfur. Accordingly, the amount of magnesium introduced must be increased by the amount necessary to eliminate these elements or otherwise neutralize their effects. When there is sulfur in the bath before the treatment, it is necessary to introduce into the bath an amount of magnesium which is sufficient. sufficient not only to ensure the desired content of retained magnesium, but also to react with sulfur, and.
for this purpose, it is preferable to introduce one part by weight of magnesium for each part by weight of sulfur at. eliminate. In this way, the sulfur content is generally reduced to less than 0.015%. Only the unconsumed excess of magnesium is then available to fulfill its role of determining the form of the uncombined carbon and ensuring the required content of residual magnesium.
Since it is essential that the cast iron be graphitic, the molten metal must, at the time of casting, have a high graphitizing power. This property can be imparted to it by appropriate adjustment of the composition of the molten metal in various ways well known in the manufacture of gray iron. Due, however, to the whitening effect of magnesium on cast iron, it is generally desirable to inoculate the molten metal.
Inoculation of cast iron has a graphitizing effect; it consists of a late addition of a strong graphitizing agent which is usually an agent containing silicon, such as ferrosilicon, calcium silicide or nickel silicide, but which may, for example, be aluminum. For carrying out the present invention, inoculation is used except in certain cases where the bath has a high graphitizing power.
It is preferable to introduce the magnesium into the bath, then to introduce therein separately the graphitizing inoculant, which is preferably silicon, added for example, in the form of ferrosilicon. The amount of silicon added is usually between 0.3 and 2.5% and, preferably, between 0.4 and 1.2%. If the inoculation precedes the introduction of the magnesium, it may not give the desired results in the product as it is. sunk. This difficulty can be overcome by another inoculation carried out at the same time as the introduction of the magnesium, but preferably after this introduction.
The molten bath containing magnesium and inoculated must be poured very quickly after inoculation, for example three minutes after this. It has been found that if the treated bath is maintained for a much longer time after inoculation, the effect of the latter operation becomes blunt and disappears, but it can be restored by further inoculating treatment.
The carbon and silicon contents of the castings are those of ordinary gray iron, but as the carbon content increases the amount of retained magnesium necessary for the graphite to be mainly compact also increases. Thus, for a carbon content of about 3 0/0, a magnesium content of 0.035% gives good results, but when the carbon content is 3.5 0/0, a magnesium content. from 0,
039% is. more satisfying.
The cast iron as it has just been poured can. be free of alloying elements or may contain significant amounts of such elements. For example, cast iron may contain alloying elements such as nickel, molybdenum, chromium, manganese and aluminum. The whitening, or carbide stabilizing, properties of certain alloying elements must be considered because of the need for the molten metal to have sufficient graphitizing power, when cast, for it to form. a significant amount of graphitic carbon during cooling from casting temperatures.
For this reason, the. Chromium content should not normally exceed 1% and preferably 0.6%. However, the amount of chromium that can be tolerated depends on the composition of the molten metal as a whole, and the maximum amount of chromium is that which results in a molten metal having the requisite graphitizing power at the time of casting.
Manganese, which is a milder bleach or carbide stabilizer, can be tolerated in larger amounts up to, for example, up to 2.511%. Greater amounts of manganese may be present when the alloy has an austenic composition, or matrix. In general, manganese tends to weaken certain mechanical properties, especially in alloys, such as castings, in which the iron is in the alpha form; for this reason, it is preferable that the manganese content does not exceed 10/0.
Aluminum decreases the stability of carbides and. acts as a graphitizer. Copper must not. not be used in amounts exceeding 3% or even 2% without first determining its effect on the characteristics and. general properties of cast iron. Certain alloying elements such as nickel can increase the tolerance for copper.
It is well known that some graphitic cast irons contain small amounts of free carbides distributed with the graphite throughout the die. These fonts are. obviously entirely different from the white cast irons in which all or almost all of the carbon is. com bined.
In the present description, the expression graphitic cast iron refers to a cast iron in which all or almost all of the carbon not dissolved or combined in the matrix is. graphite, but it does not exclude cast irons in which there are certain primary carbides distributed in the matrix. For example, the mechanical properties and oxidation resistance of heat resistant gray cast irons containing some chromium carbide distributed with the graphite throughout the pearlitic matrix can be improved by incorporating.
to these ma gnesium fonts. It is believed that improving resistance to. oxidation is. due to the fact that the penetration of the oxide along the compact graphite particles is less than in ordinary gray cast irons with normal sizes.
As it was said above, certain elements compensate. the tendency of magnesium to produce compact graphite. These elements should be avoided or should only be present in trace amounts or in very small quantities. These harmful elements are. tin, lead, antimony, bis muth, arsenic, selenium and tellurium. We have. found that tin is particularly harmful, and the tin content should be kept as low as possible, and usually there should be no more than traces of tin.
Phosphorus does not interfere with the formation of compact graphite, and the phosphorus content can reach 0.5% or more; however, if very good properties are desired, especially those relating to shock and. ductility, the phosphorus content should not exceed 0.06% and be for example between 0.02 and 0.06%.
Magnesium can be introduced in many ways.
The quantity of magnesium to be added to the bath depends on the desired retained magnesium, on the additional quantity of magnesium recommended to combat the presence of certain elements such as sulfur, on the quantity of magnesium lost by the delay of the casting of the bath after introduction of magnesium and. proportion of magnesium in the magnesium additive lost during the introduction of magnesium into the bath.
It is generally believed that magnesium does not bind to iron and, in fact, when attempting to introduce metallic magnesium in elemental form into it. molten iron at the high room temperature necessary for satisfactory casting, a reaction of such explosive violence occurs as molten iron can. be blown out of the container. The metallic magnesium can be added with the necessary precautions in the solid elemental form directly into the bath when the latter is at a temperature slightly higher than the temperature of the liquidus of the. melt composition, for example at a temperature of about l235 \ # C.
The temperature must be high enough only for the bath to be. in full fusion, everything. by being viscous. Such an addition of elemental magnesium is generally accompanied by the combustion of magnesium. the surface of the bath with production of a brilliant flash, release of large quantities of magnesium oxide fumes and loss of most of the added magnesium. However, a sufficient quantity of magnesium is retained if one adds a sufficiently large quantity of this body.
When applying this method, it is preferable to quickly raise the. bath temperature, after introduction of magnesium, at 1370 C or at. a higher temperature, then inoculate the bath and. to sink quickly. Magnesium can also be added in the form of briquettes with diluents and the like to reduce the combustion of the magnesium, to allow it to be incorporated more quickly and so that a greater quantity is retained therein. in the bath.
Although the methods recalled above can be used, a convenient method is to add the magnesium in the form of a metal alloy containing from 2 to 40% of magnesium.
Suitable alloys include. those sometimes referred to as intermetallic compounds, for example lIgNi2, or mixtures of an intermetallic compound with a yes metal with another intermetallic compound, for example l4Ni2 + Ni or Mg - \ # i2 + Mg2Ni . On the other hand, magnesium silicide behaves practically. in the same way as elemental magnesium and it can be used only with the same precautions. It has been found advantageous to introduce magnesium as an alloy with one or more metals which are soluble in molten iron.
For carrying out the present invention, nickel and copper are the preferred metals with which magnesium is alloyed to form the additive, and the alloys can also include silicon. The usefulness of copper is somewhat limited by the desire to keep the copper content of the end product relatively low. Likewise, the detrimental effect of a high silicon content on the mechanical properties of the product. ultimately restricts the usefulness of the high silicon addition alloys. Very satisfactory results can be obtained with binary alloys and more complex alloys containing nickel and. magnesium.
The magnesium is preferably introduced in the form of an alloy in which. the density is close to that of the molten bath and exceeds it, and it has been found that the greater the density, the greater the proportion of magnesium retained in the metal under given conditions. Nickel-magnesitim alloys containing. from about 4% to about 20% magnesium give satisfactory results.
A few examples of cast iron constituting parts in accordance with the invention are given below, also indicating their properties.
For general applications, a pearlite matrix formed either entirely of perlite or in part of perlite, as in a perlite-ferrite matrix, is usually desired; for this purpose, the cast iron may contain the quantities of the elements indicated in table 1.
EMI0005.0032
<I> Table <SEP> 1: </I>
<tb> Element <SEP> Limits
<tb> Carbon <SEP> 2.5 <SEP> to <SEP> 3.5 <SEP> 0/0
<tb> Silicon <SEP> 1.6 <SEP> to <SEP> 3.0 <SEP> 0/0
<tb> Magnesium <SEP> 0.02 <SEP> to <SEP> 0.04 <SEP>%
<tb> Nickel <SEP> 0 <SEP> to <SEP> 3 <SEP>%
<tb> Manganese <SEP> 0, .1 <SEP> to <SEP> 1,2 <SEP> 0/0 Usually, cast irons of this composition have tensile breaking loads of at least 3, 15 kg / mm2 and sometimes up to 20.47 kg / mm2 higher than those of comparable magnesium-free cast irons.
They also most often have improved durability, impact resistance, modulus of elasticity and fatigue resistance properties, along with this high strength. The properties of gray cast iron containing magnesium and the composi tions of which are within the limits given in table 1 are. usually at least equal to those given in Table 2.
EMI0005.0036
<I> Table <SEP>?: </I>
<tb> Test <SEP> of <SEP> transverse bending <SEP>
<tb> Arrow <SEP> 3.81
<tb> Load <SEP> 1820
<tb> C. <SEP> R .. <SEP> T. <SEP> 28.35
<tb> Hardness <SEP> Brinell <SEP> 180
<tb> Shock <SEP> 4.15 Deflection: Deflection in mm in the transverse bending test determined on a 30.5 mm diameter test specimen with a reach of 305 mm.
Load: Load in kg necessary for the rupture of the transverse specimen with a span of 305 mm.
C.R.T .: Tensile breaking load in kg / mm2.
Shock:. Number of kg / m required to break the non-notched test specimen by impact with the Izod machine (16.6 kg / m). When the. matrix is not pearlitic, the properties are also improved. Thus, the ultimate tensile breaking load is always at least 19.7 kg / mm2 greater than that of a comparable magnesium-free cast iron, and this increase in tensile breaking load is accompanied by an increase in impact strength, ductility, heat resistance and compressive strength.
The results of tests carried out on some comparable cast irons are. given in Table 3.
EMI0006.0004
<I> Table <SEP> 3: </I>
<tb> Composition: <SEP> C <SEP> 3,10 / 0; <SEP> If <SEP> 1.6 <SEP> 0/0; <SEP> Ni <SEP> 0.8 <SEP> 0/0: <SEP> Mn <SEP> 0.7 <SEP>%; <SEP> P <SEP> 0.02 <SEP> 0/0.
<tb> Bending <SEP> test <SEP>
<tb> No. <SEP> @ / o <SEP> <B> mg </B> <SEP> transversal <SEP> C.R.T.
<SEP> Hardness <SEP> Shock
<tb> Boom <SEP> Load <SEP> kg / mm = <SEP> Brinell <SEP> kg / m
<tb> mm <SEP> kg
<tb> 1 <SEP> 0 <SEP> 3.94 <SEP> 1640 <SEP> 28.10 <SEP> <B> 216 </B> <SEP> 3.86
<tb> 2 <SEP> 0.020 <SEP> 5.0 <SEP> <B> 2 </B> 080 <SEP> 33.60 <SEP> 222 <SEP> 5.48
<tb> 3 <SEP> 0.033 <SEP> 4.46 <SEP> 2800 <SEP> 48.70 <SEP> 269 <SEP> 7.72
<tb> 4 <SEP> 0 <SEP> 3.74 <SEP> 7.780 <SEP> 26.90 <SEP> 213 <SEP> 3.72
<tb> 5 <SEP> 0,023 <SEP> 3,9.1 <SEP> <B> 1 </B> 760 <SEP> 23,10 <SEP> 222 <SEP> 3,0-1 The fonts N 1, 2 and 3 were inoculated by an addition, made in the bag, of 0,
5% silicon in the form of ferrosilieium. It can be seen that the N 2 and 3 cast irons of composition according to the invention have properties much greater than. those of cast iron N 1. Cast iron N 4 was not inoculated and differed little in its properties from cast iron N 1. Cast iron N 5 contained retained magnesium, but, in the absence of inoculation, had lin network of carbides and was not graphitic.
Finally, we can. note that while the tensile strength of the cast iron shown on the fi, -. 3 and 5 is <B> 19.37 </B> kgjmm2, that of the cast iron shown in fig. 4 and 6 is 34.81 kg / mm2.