Procédé pour la fabrication de pièces en fonte grise à haute résistance mécanique et pièce obtenue par ce procédé. La présente invention concerne un procédé d'élaboration de pièces en fonte brise à très haute résistance mécanique, et. une pièce obte nue par ce procédé.
Les métallographes considèrent, en pre mière approximation, la fonte brise comme formée d'une masse d'acier ou matrice dans laquelle sont parsemées des particules de gra phite de forme et de dimensions diverses. Les progrès réalisés clans la fabrication des pièces moulées en fonte résistante ont consisté à amé liorer les qualités de résistance de la ma trice métallique, à réduire la place occupée par le graphite et modifier sa répartition, enfin à agir sur la forme des particules de graphite.
Les procédés successifs mis au point ont permis (].'obtenir, industriellement, dans des pièces (l'épaisseur moyenne, des résistances à la traction de l'ordre de 95 à 30 kg/mrn environ avec les fontes dites perlitiques sans élément d'addition, (le l'ordre de 35 à 45 kg/mm2 dans les fontes dites aciculaires et de l'ordre de 40 à 55 kg/Inlxx@ dans ces fontes aciculaires soumises à Lin traitement.
d'inoeulation. Un des moyens employés a con sisté à réduire la teneur en carbone, ce qui a l'inconvénient d'accroître la contraction de la fonte à la solidification et par conséquent la difficulté d'obtenir des pièces moulées saines, et aussi d'obliâer à augmenter la teneur en silicium, ce qui entraîne d'autres inconvé- nients, et notamment une augmentation de la fragilité.
Dans les procédés les plus répandus, il faut éviter la présence de graphite hypereutec- tique nuisible à la résistance de la fonte qui, dans cette catégorie, ne peut dépasser 15 kg/nxm-' sous une épaisseur de 30 à. 50 mm. On. a. donc cherché à diminuer la. teneur en carbone et on est arrivé ainsi à obtenir, grâce à la diminution de la. longueur des paillettes de graphite, des résistances d'environ 35 kg/n, m2 sur des éprouvettes de 400 mm coulées en sable.
L'influence généralement incontestée de certains facteurs, qualifiés parfois d'hérédi taires, autres que ceux dont rend compte la composition chimique de la fonte, a conduit à la conception des germes selon laquelle la forme et le développement (les particules de graphite tiennent à des bermes consécutifs à l'histoire chimique et. thermique de la fonte, conception qui a, entraîné l'emploi de certaines techniques comme la surchauffe de la fonte à l'état liquide, l'addition de graphitisants so lides comme le siliciure de calcium, certains ferro-alliages, etc. et les fontes hypoeutecti- ques inoculées suivant ces principes ont pris de l'extension dans la pratique industrielle.
Plus récemment ont été publiées (Journal of the Iron and Steel Institute. Vol<B>158,</B> 1948, page 306) des études sur l'élaboration de fontes hypereutectiques, qui doivent être par ticulièrement pauvres en soufre (mais dans lesquelles on n'a. rien dit de la forme sous laquelle le soufre doit se trouver et qui est essentielle).
Selon ces études, une structure à graphite nodulaire est obtenue directement à la coulée des pièces; grâce à des additions spéciales, notamment de cérium, on aurait ainsi atteint des résistances à la traction allant jusqu'à 60 kg/mm2 environ sur un barreau de 30 mm d'épaisseur; de telles fontes à gra phite nodulaire contiennent généralement plus de 3,5% de carbone.
La titulaire a constaté que les inclusions sulfureuses sous forme de sulfures, au moins en partie de sulfure de manganèse, contenant ordinairement un peu de sulfure de fer en solution, sont particulièrement propices à la formation de particules de graphite en lon gues lamelles nuisibles à la résistance méca nique de la fonte et que l'on peut., par élimi nation ou transformation de ces inclusions, obtenues comme il est dit plus loin, élaborer des fontes dont les caractéristiques mécani ques sont notablement améliorées.
Les procédés connus de désulfuration: em ploi de revêtement réfractaire basique, de lai tier désulfurant, etc., donnent des résultats intéressants, mais conduisent à des opérations longues et qui s'accordent assez mal avec les techniques habituelles de la fonderie.
Le procédé que concerne la. présente in vention permet l'élaboration de pièces en fontes grises possédant, même sous des épais seurs plus fortes que celles qui jusqu'ici étaient possibles pour de telles résistances, de hautes caractéristiques mécaniques. Il s'appli que à. des fontes à. teneur en carbone normale aussi bien qu'à. des fontes à bas carbone et ses possibilités de mise en oeuvre ne sont pas limitées aux fontes hypereutectiques.
Ce procédé est caractérisé en ce que l'on incorpore à la fonte, à l'état liquide, un réac tif amenant. la transformation du ou des sul fures dans lesquels est engagé le soufre, le sulfure de manganèse constituant une partie au moins de ce ou de ces sulfures, en sulfure alcalin ou alcalino-terreux, puis on procède à la coulée desdites pièces.
La fonte à traiter peut être élaborée à l'état liquide dans tout appareil de fusion convenable. Il peut être avantageux d'appli quer également les moyens de désulfuration connus cités plus haut, mais le traitement par réactifs épurants que concerne l'invention suffit le plus souvent à provoquer la graphi- tisation en lamelles de dimensions et de formes aptes à. donner à. la fonte de remar quables qualités mécaniques. Ce traitement qui, dans la suite du présent mémoire, sera fréquemment désigné sous le nom de lavage , peut être au besoin répété, en particulier s'il s'agit de fontes très sulfureuses fondues en cubilot ordinaire acide.
Le réactif utilisé polir la mise en oeuvre du procédé doit être tel qu'il puisse se com biner au soufre pour le fixer ou l'éliminer sous forme de sulfure alcalin ou alcalino- terreux et, par conséquent, déplacer le manga nèse de son sulfure et le remplacer par un métal de ces deux familles, c'est-à-dire alcalin ou alcalino-terreux. Une partie des nouveaux sulfures ainsi formés surnage grâce à sa faible densité, l'autre partie reste dans le métal, mais ne forme plus de germes favorables à un grand développement du graphite.
Les principaux métaux capables de produire ce déplacement du manganèse sont le lithium, le calcium, le baryum, le sodium, le potassium, le magnésium. Ils peuvent être employés en addition à la fonte liquide, mai> si la tension de vapeur du métal est trop élevée à. la. tem pérature de la réaction, il y a danger d'ex plosion, et il faut, dans ce cas, diluer le métal d'addition dans un autre corps non nuisible aux propriétés de la, fonte à obtenir.
Par exemple, la titulaire a. constaté qu'il est com mode d'ajouter le magnésium sous forme d'alliage avec le nickel, et de préférence d'alliage contenant environ 1011/o de magné sium et 901/o de nickel. Mais il n'est pas né cessaire d'ajouter le métal choisi sous forme de métal pur ou d'allia-e, et on peut. employer efficacement des compositions salines suscep tibles de réagir à la température de l'addition (1300 à 1600 environ) en déplaçant le man ganèse de son sulfure.
Ainsi, la plupart des halogénures des métaux indiqués sont capa bles de donner une réaction du genre de celle qu'on peut. schématiser comme ci-après: 2 N aCl + 11InS = \ a2S + MnCl2.
Un mélange de carbonates et d'hydroxydes peut aussi conduire au même résultat. Suivant le cas, il peut, être indiqué d'em ployer des sels en poudre ou en grumeaux, ou bien sous forme de laitier préalablement amené à l'état liquide. On peut aussi utiliser avec succès le carbure de calcium, de préfé rence en poudre.
On peut donc, en résumé, citer à titre d'exemple, comme réactifs convenables: les métaux alcalins et alcalino-terreux, certains de leurs composés comme des hydroxydes, par exemple de sodium ou de potassium, des carbonates, chlorures et fluo- rures des mêmes métaux, et en particulier le fluorure de magnésium, le carbure de calcium, de préférence en poudre, des alliages de ces métaux où leur tension de vapeur est abaissée, et particulièrement des alliages de nickel et de magnésium,
contenant par exemple environ 10% de magnésium et 90% de nickel.
Pour la quantité de réactif à utiliser, on doit tenir compte des pertes de matières qui peuvent se produire et du fait que, selon les circonstances opératoires, une fraction seulement de l'addition entre réellement en réaction et a un effet utile; cette quantité est. généralement de deux à quatre fois, par exem ple environ trois fois, la quantité théorique que donne le calcul basé sur la réaction de transformation des sulfures. Un mode d'in troduction facile du réactif consiste à le jeter dans le métal pendant qu'on le transvase du four dans la poche de coulée ou dans un autre four ou récipient. Si l'on fait deux lavages, il est avantageux d'utiliser un four intermé diaire.
Après l'élimination ou la transformation des substances indésirables, il est avantageux, mais non indispensable, de faire suivre le traitement de lavage par un traitement d'ino culation, pour introduire dans la. fonte liquide épurée des germes destinés à. provoquer une graphitisation sous forme de particules aussi compactes que possible.
On peut, pour ce traitement, employer les inoculants que la pratique a consacrés et dont les plus connus sont le ferro-silicium, le ferro-tâane, le ferro-zirconium, le siliciure de calcium, le carbure de silicium. Pour les inoculants renfermant du silicium, la propor tion est telle que la quantité de Si introduite soit comprise entre 0,10% et 10/0, de préfé rence au milieu entre ces deux limites.
Pour le titane et le zirconium, une addi- tion de 0,10 à 0,20% de l'un ou l'autre de ces métaux est suffisante.
Mais le ferro-silicium à 50%, le moins cher des graphitisants, donne des résultats très satisfaisants.
Ce traitement. d'inoculation s'accompagne avantageusement. d'une addition de graphite en poudre, par exemple dans les proportions de 1 à 2 kg par tonne de métal: ce graphite peut. être obtenu par broyage d'électrodes de fours électriques. Pour incorporer ces graphi- tisants, il est avantageux de profiter d'un transvasement. du métal qui ne précède pas la coulée de plus de 5 à 10 minutes et de les jeter par poignées successives dans le jet du métal.
L'exemple suivant montre comment la pré sente invention peut être mise en aeuvre: On a fondu dans un four électrique ba sique une fonte dont la composition après fusion était la suivante Carbone total . . . 3,60% Silicium . . . . . 1,70% Manganèse . . . . 0,601/o Soufre . . . . . . 0,05% Phosphore . . . . 0,121/o Après obtention de la. température conve nable (1350 par exemple), avec du métal non traité, on a coulé en sable des barreaux, de 30 mm de diamètre. Des éprouvettes de traction prises dans ces barreaux ont donné une résistance de 18 kg par inm2.
Le restant du métal (1 tonne) a été coulé lentement dans une poche de coulée de telle façon que la durée de la versée soit de à 2 minutes. Dans le jet du métal, on a jeté d'abord par poignées successives 10 kg d'un alliage à environ 90% de nickel et 10% de magnésium, concassé en fragments de la gros seur d'une noix. Des flammes se sont pro duites, mais il n'y a. pas eu de bouillonnement dangereux.
Tandis que le métal continuait de couler du four dans la poche, on a ajouté de la même Tacon 10 kg de ferro-silicium à 45 % mélangés avec 2 kg de graphite.
Avec le métal ainsi obtenu, on a. coulé des barreaux de 30 mm et différentes pièces de forme compliquée. Celles-ci se sont révélées saines dans toutes leurs parties malgré un masselottage réduit et les barreaux ont donné une résistance à la traction de 52 kg/mm2.
Si l'on estime à 5 kg par mm2 le gain de résistance dû à l'incorporation du nickel qui a. accompagné le magnésium, comme d'au tres essais permettent de l'établir, il résulte de cette expérience que l'élimination des germes indésirables a fait passer la résistance de la fonte de 18 à 47 kg.
Des essais analogues, avec une addition de 0,70 % de molibdène et de 0,5 % de cuivre, ont donné une résistance de 65 kg/mm2.
Avant de mettre en lumière les applica tions nouvelles auxquelles le présent procédé peut prétendre, i1 semble utile de comparer les chiffres de résistance que ce procédé per met d'atteindre et ceux obtenus avec les meil leures fontes pratiquées industriellement.
Comme il s'agit de caractéristiques obte nues sur des fontes élaborées au four électri que, la comparaison ci-après est faite avec les caractéristiques que permet de réaliser la meilleure pratique actuelle de fabrication de fonte simplement inoculée après fusion au four électrique. On met ainsi en lumière l'im portance de l'élimination des germes sulfu reux.
Il faut. toutefois remarquer que les chiffres donnés pour les fontes simplement inoculées sont relatifs à une teneur niovenne en carbone total de 2,75 %, tandis qu'avec. le procédé selon la présente invention, la teneur en car bone arbitrairement choisie dans cet. exemple est de 3,60 0/0;
la. nécessité des masselottes est donc bien moins grande due dans le cas de la fonte simplement inoculée, car, comme il est bien connu, les fontes à basse teneur en carbone ont un retrait plus important:
EMI0004.0046
Résistance <SEP> à <SEP> la
<tb> traction <SEP> d'un
<tb> Procédé <SEP> et <SEP> qualité <SEP> barreau <SEP> de
<tb> 30 <SEP> mm <SEP> coulé <SEP> en
<tb> sable
<tb> (en <SEP> kg/mmz)
<tb> <I>Fonte <SEP> simplement <SEP> inoculée:</I>
<tb> sans <SEP> éléments <SEP> d'alliage <SEP> 28 <SEP> à <SEP> 36
<tb> avec <SEP> environ <SEP> 1% <SEP> d'alliage <SEP> 32 <SEP> à <SEP> 40
<tb> à <SEP> structure <SEP> aciculaire <SEP> 40 <SEP> à <SEP> 55
EMI0004.0047
<I>Fonte <SEP> traitée <SEP> conformément <SEP> à</I>
<tb> <I>l'invention <SEP> et <SEP> inoculée:
</I>
<tb> sans <SEP> éléments <SEP> d'alliage <SEP> 45 <SEP> à <SEP> 50
<tb> avec <SEP> 1% <SEP> de <SEP> nickel <SEP> 50 <SEP> à <SEP> 55
<tb> avec <SEP> 1% <SEP> Ni, <SEP> 0,70 <SEP> % <SEP> Mo <SEP> et
<tb> 0,5 <SEP> % <SEP> Cu <SEP> 55 <SEP> à. <SEP> 65 On voit que le lavage des germes sulfu reux avant inoculation fait gagner une quin zaine de kilos par n111,2.
Il est important de remarquer que le pré sent procédé ne nécessite pas de matières très coûteuses. Cependant, les chiffres de résis tance obtenus se placent au même niveau que ceux publiés dans la revue anglaise citée ci dessus, et selon laquelle l'emploi de cérium est indispensable.
Une autre différence essentielle des dent procédés réside dans le fait que les auteur:; anglais ne peuvent appliquer leur méthode qu'au; fontes hypereutectiques, tandis que, par le procédé que concerne la présente inven tion, on peut traiter aussi bien les fontes hypereutectiques que celles qui sont hypo- eutectiques. L'avantage est considérable, car à teneur en carbone égale, on peut se contenter de teneurs en silicium juste suffisantes pour obtenir la graphitisation.
Pour la fonte élabo rée selon le procédé anglais, on doit avoir toujours
EMI0005.0001
et cela conduit à des fontes plus fragiles à l'essai au choc, parce que phis chargées en silicium.
Les applications des pièces obtenues par le présent. procédé sont nombreuses. La cons truction mécanique demande de plus en plus des alliages résistants et peu chers. Il ne sera pas indifférent au constructeur de remplacer la fonte qu'il emploie par une fonte de résis tance beaucoup plus élevée. I1 pourra pour le même prix avoir une pièce plus solide et généralement plus légère.
De nombreux organes, faits actuellement en acier moulé, forgé ou estampé, pourront dé sormais être coulés en fonte avec un prix de revient bien meilleur. Il sera en effet possible de réaliser des pièces de formes compliquées, sans grandes surépaisseurs à enlever par usi nage, en un métal s'usinant. bien et de grande résistance.
On peut. penser, en particulier et à titre d'exemple, aux vilebrequins pour moteurs thermiques pour lesquels la fabrication en acier forgé est chère, celle en acier moulé tr S difficile et celle en fonte inoculée (aciculaire ou non) souvent de résistance insuffisante.
On citera aussi la réalisation de lingotières d'aciérie pour lesquelles la fissuration est la cause habituelle de mise hors service.
Il est avantageux d'opérer le lavage par le réactif alcalin ou alcalino-terreux dans des conditions telles que la fonte ne retienne pas dans sa matrice métallique des quantités appréciables de métal alcalin ou alcalino- terreux absorbées par elle en excédent de la quantité de métal d'addition utilisée pour le lavage des inclusions.
En continuant ses re cherches, la titulaire a constaté en effet que, pour obtenir des propriétés mécaniques inté- ressantes, et notamment des charges de rup ture à la traction de 50 kg/mm2 et plus, il n'est pas nécessaire que dans la fonte traitée conformément à l'invention le graphite prenne, pour une part importante, la forme sphérique ou s'en rapproche. Elle a pu obte nir des pièces moulées en fonte non alliée avec une résistance à la traction supérieure à 50 l@g/mm2, dans lesquelles on ne trouve pas de nodules de graphite ayant une forme sphé rique caractérisée, ni même se rapprochant de la sphère.
D'autre part, l'attention de la titulaire a été attirée sur le fait que toute addition excé dentaire de réactif alcalin ou alcalino-terreux est, non seulement inutile mais peut être nui sible, car, lors de la refusion des jets, évents et masselottes des pièces en fonte élaborées conformément à l'invention, on risque que l'excès de métal alcalin ou alcalino-terreux de lavage soit oxydé en enrichissant alors les fontes en inclusions.
La titulaire a d'abord observé que, lors qu'on ajoute à la tonte liquide, sans prendre de précautions particulières, un métal alcalin ou alcalino-terreux sous forme de morceaux d'un volume appréciable, de l'ordre de gran deur du centimètre cube ou davantage, cule partie importante de l'addition se dissout dans la matrice métallique de la fonte avant d'avoir eu le temps d'agir sur les inclusions sulfureuses.
Quand l'addition est faite de cette manière, l'effet de lavage des inclusions sulfureuses n'est pas obtenu avant que la fonte ait absorbé dans sa matrice métallique des quantités notables de métal d'addition; c'est ainsi que la titulaire a pu déceler des quantités de métal alcalin ou alcalino-terreux dissoutes ou alliées dans le métal de la fonte après traitement, et variant de 0,05 à 0,50% environ, quand l'addition est faite sous forme de morceaux relativement massifs (grosseur d'une noisette à une noix).
Cela étant, la titulaire a constaté qu'il était avantageux, au point de vue qui vient d'être exposé, de mettre en oeuvre le métal alcalin ou alcalino-terreux (en entendant sous ce terme le métal à l'état libre ou à l'état d'alliage ou même de combinaison chimique ou de sel), de manière à obtenir un contact intime aussi rapide que possible entre ledit métal et la. fonte à traiter. Dans un premier mode de réalisation, on met en oeuvre le métal alcalin ou alcalino- terreux sous des dimensions réduites, par exemple en grenaille ou en poudre.
L'action chi réactif sur les inclusions sulfureuses em prisonnées dans la fonte est alors plus rapide que sa dissolution dans la matrice de la fonte et le lavage des inclusions sulfureuses se pour suit avant qu'il y ait dissolution ou alliage en quantité appréciable du métal alcalin ou alcalino-terreux dans la matrice métallique de fonte.
Dans un. deuxième mode de réalisation, on opère dans des conditions permettant de ré partir rapidement le réactif alcalin ou alca lino-terreux dans la masse de fonte à traiter, par exemple en pratiquant une vive agita tion par un moyen quelconque de la fonte avec le réactif.
L'un ou l'autre de ces deux modes de réali sation peut être choisi, mais on peut égale ment les combiner.
La titulaire a observé que le mode opéra toire mis en ceuvre peut être réglé de ma nière telle que dans la matrice métallique de la fonte ayant subi le traitement, il ne reste pas plais de quelques dix millièmes de métal alcalin ou alcalino-terreiLx, par exemple 0,04 % environ.
On va donner ci-après deux exemples de réalisation de ce procédé perfectionné, appli qué pour fixer les idées à une fonte douce ayant, au départ, la composition suivante: C . . . . . 3,301/o Si . . . . . 2,001/o Mn . . . . 0,60% P . . . . . 0,121/o S . . . . 0,0411/o et ayant, en l'absence de traitement de lavage et de traitement d'inoculation, une faible résistance à la traction (16 à 22 kg par mm-) .
Exemple <I>1:</I> La fonte est d'abord fondue dans un four électrique basique, puis coulée à 1450 dans une poche à revêtement basique. Peu- dant la coulée du four dans la poche, on ajoute, dans le jet de métal, 1% environ de fluorure de magnésium en poudre. La coulée et l'addition simultanées durent environ une minute par tonne de fonte versée.
De la poche basique on transvase la fonte dans une poche à garnissage acide, où on ajoute, pour l'inoculation environ 0,15 % de Si sous forme de ferro-silicium à 45 %; pendant la coulée dans la deuxième poche, le laitier de lavage est retenu dans la. première.
La teneur en magnésium incorporée dans la fonte est infé- rieure à 0,04% et sa teneur en soufre est. tombée à 0,015 %. Mesurée sur une éprou- vette cylindrique de 30 mm de diamètre cou lée en sable vert,
la résistance à la traction de la fonte ainsi traitée est de 53 kg/mm2. Exemple ?: Comme ci-dessus, la fonte est tondue dans un four électrique basique. Lorsque la tempé rature du. bain atteint 1350 , on dépose à sa surface, à l'aide par exemple d'une palette, des pains de potasse caustique anhydre à rai son de 11,00 du poids de fonte à traiter.
Après quelques secondes, la potasse est fon due, elle surnage sur le bain de métal, on incline aussitôt le four pour couler son con tenu clans une poche à revêtement basique, en cherchant à couler d'abord le laitier surna geant sur le métal, en versant toutefois en même temps une quantité de fonte suffisante pour empêcher la potasse de figer en arri vant dans la poche, ce qu'on réalise aisément. en réglant convenablement l'inclinaison du four.
Ensuite on verse dans la. poche toute la fonte contenue dans le four électrique, de ma nière à réaliser, dans la poche, un brassage entre la fonte et le laitier réactif. Pour amé liorer encore les contacts entre le métal et le laitier alcalin, on reverse le contenu de la poche dans le four (où l'oii peut, si on le veut, le réchauffer), de manière à laisser dans la poche basique la pliLs grande partie du laitier, car ce laitier a déjà exercé son action de lavage. Ensuite, on peut couler le métal dans un poche acide ordinaire.
Si, pendant, cette coulée finale de la fonte, on lui ajoute 0,15 % environ de silicium sous forme de ferro-silicium à 45 %,
on obtient sur 6prou- vette cylindrique de 30 mm une résistance à la traction de 51 kg/mm2. Comme dans l'exeru- ple précédent, la fonte ne retient qu'une quan tité de potassium très faible et à peine dosa- ble et sa teneur en soufre est tombée à 0,0101/0.
Il est. entendu que le procédé selon Fin vention peut être appliqué à d'autres fonts grises, quel. que soit l'appareil de fusion uti lisé, et notamment aux fontes simplement fondues arz cubilot ou encore au four à sole, etc.
Il existe des alliages ou combinaisons de métaux alcalins ou alcalino-terreux qui sont friables et peuvent être aisément réduits en poudre fine facile à introduire dans la fonte à traiter avec un contact suffisamment intime, pour réaliser l'invention : c'est. le cas par exemple de l'alliage à 80 % Ni et 20 % de magnésium élaboré sans addition de manga nèse, et par conséquent fragile.
Process for the manufacture of gray cast iron parts with high mechanical resistance and part obtained by this process. The present invention relates to a process for the production of parts in broken cast iron with very high mechanical strength, and. a part obtained naked by this process.
Metallographers consider, as a first approximation, smashed iron as formed from a mass of steel or matrix in which are strewn graphite particles of various shapes and sizes. The progress made in the manufacture of resistant cast iron parts has consisted in improving the strength qualities of the metal matrix, in reducing the space occupied by the graphite and modifying its distribution, and finally in acting on the shape of the graphite particles. .
The successive processes developed have made it possible (]. 'To obtain, industrially, in parts (the average thickness, tensile strengths of the order of 95 to 30 kg / mrn approximately with so-called pearlitic cast irons without element d 'addition, (the order of 35 to 45 kg / mm2 in the so-called acicular cast iron and of the order of 40 to 55 kg / Inlxx @ in these acicular cast iron subjected to treatment.
of inflation. One of the means employed has been to reduce the carbon content, which has the disadvantage of increasing the contraction of the cast iron on solidification and consequently the difficulty of obtaining sound castings, and also of forgetting to increasing the silicon content, which entails other drawbacks, and in particular an increase in brittleness.
In the most widespread processes, it is necessary to avoid the presence of hypereutectic graphite detrimental to the strength of the cast iron which, in this category, cannot exceed 15 kg / nxm- 'under a thickness of 30 to. 50 mm. We. at. therefore sought to decrease the. carbon content and thus obtained, thanks to the decrease in the. length of the graphite flakes, strengths of about 35 kg / n, m2 on 400 mm sand-cast specimens.
The generally undisputed influence of certain factors, sometimes referred to as hereditary, other than those reflected in the chemical composition of the cast iron, has led to the conception of seeds according to which shape and development (the graphite particles are dependent on berms resulting from the chemical and thermal history of cast iron, a design which has led to the use of certain techniques such as overheating of cast iron in the liquid state, the addition of solid graphitizers such as calcium silicide , certain ferroalloys, etc., and hypoeutectic cast irons inoculated according to these principles have gained traction in industrial practice.
More recently (Journal of the Iron and Steel Institute. Vol <B> 158, </B> 1948, page 306) have been published studies on the development of hypereutectic melts, which must be particularly low in sulfur (but in which nothing has been said of the form in which the sulfur must be found and which is essential).
According to these studies, a nodular graphite structure is obtained directly from the casting of the parts; by virtue of special additions, in particular of cerium, tensile strengths of up to approximately 60 kg / mm2 would have been achieved on a bar 30 mm thick; such nodular graphite cast irons generally contain more than 3.5% carbon.
The licensee noted that sulphurous inclusions in the form of sulphides, at least partly manganese sulphide, usually containing some iron sulphide in solution, are particularly conducive to the formation of graphite particles in long lamellae harmful to the mechanical resistance of the cast iron and that it is possible, by eliminating or transforming these inclusions, obtained as it is said below, to develop cast irons whose mechanical characteristics are notably improved.
The known methods of desulphurization: use of a basic refractory coating, of desulphurizing slurry, etc., give interesting results, but lead to long operations which do not agree quite well with the usual techniques of the foundry.
The process that concerns the. The present invention allows the production of gray cast iron parts possessing, even in thicker thicknesses greater than those which hitherto were possible for such strengths, high mechanical characteristics. It only applies to. fonts at. normal carbon content as well as. low carbon cast irons and its possibilities of implementation are not limited to hypereutectic cast irons.
This process is characterized in that a feed reagent is incorporated into the cast iron, in the liquid state. the transformation of the sulphide or sulphides in which the sulfur is involved, the manganese sulphide constituting at least part of this or these sulphides, into alkali or alkaline-earth sulphide, then the said parts are cast.
The pig iron to be treated can be produced in the liquid state in any suitable melting device. It may be advantageous to also apply the known desulphurization means mentioned above, but the treatment with purifying reagents which the invention relates to is usually sufficient to cause graphitization in lamellae of suitable dimensions and shapes. will give. the cast of remarkable mechanical qualities. This treatment which, in the remainder of this specification, will be frequently referred to as washing, can be repeated if necessary, in particular if it concerns very sulphurous cast iron melted in ordinary acid cupola.
The reagent used to polish the implementation of the process must be such that it can combine with sulfur to fix it or eliminate it in the form of alkali or alkaline earth sulphide and, consequently, to displace the manganese from its sulphide. and replace it with a metal from these two families, that is to say alkaline or alkaline-earth. A part of the new sulphides thus formed floats thanks to its low density, the other part remains in the metal, but no longer forms seeds favorable to a great development of graphite.
The main metals capable of producing this displacement of manganese are lithium, calcium, barium, sodium, potassium, magnesium. They can be used in addition to liquid iron, if the vapor pressure of the metal is too high. the. tem perature of the reaction, there is a danger of explosion, and in this case it is necessary to dilute the addition metal in another substance which is not detrimental to the properties of the cast iron to be obtained.
For example, the incumbent a. found that it is convenient to add the magnesium in the form of an alloy with nickel, and preferably an alloy containing about 1011 / o of magnesium and 901 / o of nickel. But it is not necessary to add the selected metal in the form of pure metal or alloy, and it is possible. effectively employ salt compositions capable of reacting at the temperature of the addition (1300 to 1600 approximately) by displacing the manganese from its sulphide.
Thus, most of the halides of the metals indicated are capable of giving a reaction of the kind that one can. schematize as below: 2 N aCl + 11InS = \ a2S + MnCl2.
A mixture of carbonates and hydroxides can also lead to the same result. Depending on the case, it may be advisable to employ salts in powder or lumps, or else in the form of slag previously brought to the liquid state. Calcium carbide, preferably in powder form, can also be used successfully.
In summary, therefore, one can cite by way of example, as suitable reagents: alkali metals and alkaline earth metals, certain of their compounds such as hydroxides, for example of sodium or potassium, carbonates, chlorides and fluorides. of the same metals, and in particular magnesium fluoride, calcium carbide, preferably in powder form, alloys of these metals where their vapor pressure is lowered, and particularly alloys of nickel and magnesium,
containing for example about 10% magnesium and 90% nickel.
For the quantity of reagent to be used, account must be taken of the material losses which may occur and of the fact that, depending on the operating circumstances, only a fraction of the addition actually reacts and has a useful effect; this quantity is. generally two to four times, for example about three times, the theoretical amount given by the calculation based on the sulphide transformation reaction. One easy way to introduce the reagent is to throw it into the metal while it is being transferred from the furnace to the ladle or to another furnace or vessel. If two washes are carried out it is advantageous to use an intermediate oven.
After the elimination or transformation of the undesirable substances, it is advantageous, but not essential, to follow the washing treatment by an inoculation treatment, in order to introduce into the. Liquid cast iron purified from germs intended for. cause graphitization in the form of particles as compact as possible.
It is possible, for this treatment, to use the inoculants which practice has established and the best known of which are ferro-silicon, ferro-tane, ferro-zirconium, calcium silicide and silicon carbide. For inoculants containing silicon, the proportion is such that the amount of Si introduced is between 0.10% and 10%, preferably in the middle between these two limits.
For titanium and zirconium an addition of 0.10 to 0.20% of either of these metals is sufficient.
But 50% ferro-silicon, the cheapest of the graphitizers, gives very satisfactory results.
This treatment. inoculation is advantageously accompanied. an addition of powdered graphite, for example in the proportions of 1 to 2 kg per tonne of metal: this graphite can. be obtained by grinding electrodes of electric ovens. To incorporate these graphitizers, it is advantageous to take advantage of a transfer. of the metal which does not precede the casting by more than 5 to 10 minutes and to throw them in successive handfuls into the stream of the metal.
The following example shows how the present invention can be implemented: A cast iron was melted in a basic electric furnace, the composition of which after melting was as follows: Total carbon. . . 3.60% Silicon. . . . . 1.70% Manganese. . . . 0.601 / o Sulfur. . . . . . 0.05% Phosphorus. . . . 0.121 / o After obtaining the. suitable temperature (1350 for example), with untreated metal, sand bars, 30 mm in diameter, were cast. Tensile specimens taken in these bars gave a resistance of 18 kg per inm2.
The remainder of the metal (1 ton) was slowly poured into a ladle so that the duration of the pour was from 2 minutes. In the jet of the metal, we first threw in successive handfuls 10 kg of an alloy of about 90% nickel and 10% magnesium, crushed into fragments the size of a walnut. Flames have arisen, but there is. no dangerous bubbling.
As the metal continued to flow from the furnace into the ladle, 10 kg of 45% ferro-silicon mixed with 2 kg of graphite was added of the same container.
With the metal thus obtained, we have. cast bars of 30 mm and various parts of complicated shape. These were found to be sound in all their parts despite reduced weight and the bars gave a tensile strength of 52 kg / mm2.
If we estimate at 5 kg per mm2 the gain in resistance due to the incorporation of nickel which has. accompanied by magnesium, as other tests allow to establish it, it results from this experiment that the elimination of the undesirable germs made pass the resistance of the cast iron from 18 to 47 kg.
Similar runs, with the addition of 0.70% molibdene and 0.5% copper, gave a strength of 65 kg / mm2.
Before shedding light on the new applications to which the present process can claim, it seems useful to compare the resistance figures that this process allows to achieve and those obtained with the best cast irons practiced industrially.
As these are characteristics obtained on cast iron produced in an electric furnace, the following comparison is made with the characteristics that can be achieved by current best practice of manufacturing simply inoculated cast iron after melting in an electric furnace. This brings to light the importance of eliminating sulphurous germs.
It is necessary. however, note that the figures given for simply inoculated cast irons relate to a total carbon content of 2.75%, while with. the process according to the present invention, the carbon content arbitrarily chosen in this. example is 3.60 0/0;
the. The need for the weights is therefore much less due in the case of simply inoculated cast iron, because, as is well known, low carbon cast irons have a greater shrinkage:
EMI0004.0046
Resistance <SEP> to <SEP> the
<tb> pull <SEP> of a
<tb> Process <SEP> and <SEP> quality <SEP> bar <SEP> of
<tb> 30 <SEP> mm <SEP> cast <SEP> in
<tb> sand
<tb> (in <SEP> kg / mmz)
<tb> <I> Cast iron <SEP> simply <SEP> inoculated: </I>
<tb> without <SEP> elements <SEP> of alloy <SEP> 28 <SEP> to <SEP> 36
<tb> with <SEP> approximately <SEP> 1% <SEP> of alloy <SEP> 32 <SEP> to <SEP> 40
<tb> to <SEP> acicular <SEP> structure <SEP> 40 <SEP> to <SEP> 55
EMI0004.0047
<I> Font <SEP> processed <SEP> in accordance with <SEP> to </I>
<tb> <I> the invention <SEP> and <SEP> inoculated:
</I>
<tb> without <SEP> elements <SEP> of alloy <SEP> 45 <SEP> to <SEP> 50
<tb> with <SEP> 1% <SEP> of <SEP> nickel <SEP> 50 <SEP> to <SEP> 55
<tb> with <SEP> 1% <SEP> Ni, <SEP> 0.70 <SEP>% <SEP> Mo <SEP> and
<tb> 0.5 <SEP>% <SEP> Cu <SEP> 55 <SEP> to. <SEP> 65 We see that washing the sulphurous germs before inoculation saves about fifteen kilograms per n111.2.
It is important to note that the present process does not require very expensive materials. However, the resistance figures obtained are at the same level as those published in the English journal cited above, and according to which the use of cerium is essential.
Another essential difference in tooth processes is that the authors :; English can only apply their method; Hypereutectic melts, while by the method to which the present invention relates, both hypereutectic and hypo-eutectic melts can be treated. The advantage is considerable, because for an equal carbon content, one can be satisfied with just sufficient silicon contents to obtain graphitization.
For cast iron produced according to the English process, we must always have
EMI0005.0001
and this leads to cast irons which are more fragile on impact testing, because they are charged with silicon.
The applications of the parts obtained by the present. process are numerous. Mechanical construction increasingly demands strong and inexpensive alloys. The manufacturer will not be indifferent to replacing the cast iron he uses with a cast iron of much higher strength. I1 may for the same price have a more solid and generally lighter part.
Many components, currently made of cast, forged or stamped steel, can now be cast in cast iron at a much better cost price. It will in fact be possible to produce parts of complicated shapes, without large excess thicknesses to be removed by machining, in a machining metal. well and of great resistance.
We can. think, in particular and by way of example, of the crankshafts for heat engines for which the manufacture of forged steel is expensive, that of cast steel very difficult and that of inoculated cast iron (acicular or not) often of insufficient strength.
Mention will also be made of the production of steel mill ingots for which cracking is the usual cause of decommissioning.
It is advantageous to carry out the washing with the alkali or alkaline earth reagent under conditions such that the cast iron does not retain in its metallic matrix appreciable quantities of alkali or alkaline earth metal absorbed by it in excess of the quantity of metal. addition used for washing inclusions.
By continuing its research, the incumbent has indeed observed that, in order to obtain interesting mechanical properties, and in particular tensile breaking loads of 50 kg / mm2 and more, it is not necessary that in the Cast iron treated in accordance with the invention, the graphite takes, for a large part, the spherical shape or approaches it. It has been able to obtain non-alloy cast iron castings with a tensile strength greater than 50 l @ g / mm2, in which graphite nodules having a characterized spherical shape are not found, nor even approaching the sphere.
On the other hand, the licensee's attention was drawn to the fact that any excess dental addition of alkaline or alkaline-earth reagent is not only useless but can be harmful, since, during the reflow of the jets, vents and weights of the cast iron parts produced in accordance with the invention, there is a risk that the excess of alkali or alkaline-earth metal washing is oxidized, thus enriching the castings with inclusions.
The licensee first observed that, when one adds to the liquid mowing, without taking special precautions, an alkali or alkaline earth metal in the form of pieces of an appreciable volume, of the order of size of cubic centimeter or more, this important part of the addition dissolves in the metal matrix of the cast iron before having had time to act on the sulphurous inclusions.
When the addition is made in this way, the sulphurous inclusions washing effect is not obtained until the iron has absorbed into its metal matrix substantial amounts of the addition metal; this is how the licensee was able to detect quantities of alkali metal or alkaline earth metal dissolved or alloyed in the metal of the cast iron after treatment, and varying from approximately 0.05 to 0.50%, when the addition is made in the form of relatively massive pieces (size from a hazelnut to a walnut).
This being the case, the licensee noted that it was advantageous, from the point of view which has just been explained, to use the alkali metal or alkaline-earth metal (by understanding by this term the metal in the free state or in the the state of alloy or even of chemical combination or salt), so as to obtain intimate contact as quickly as possible between said metal and. cast iron to be treated. In a first embodiment, the alkali metal or alkaline earth metal is used in reduced dimensions, for example in shot or powder.
The reactive chi action on the sulphurous inclusions trapped in the cast iron is then faster than its dissolution in the cast iron matrix and the washing of the sulphurous inclusions follows before there is dissolution or alloy in appreciable quantity of the metal alkaline or alkaline earth in the metal matrix of cast iron.
In one. second embodiment, the operation is carried out under conditions allowing the alkaline or alkaline-earth alkaline reagent to be quickly removed from the mass of cast iron to be treated, for example by vigorous stirring by any means of melting with the reagent.
One or the other of these two embodiments can be chosen, but they can also be combined.
The licensee observed that the operating mode implemented can be adjusted in such a way that in the metal matrix of the cast iron having undergone the treatment, a few ten thousandths of alkali or alkaline earth metal does not remain pleasant, for example. example approximately 0.04%.
Two embodiments of this improved process, applied to fix ideas to a soft font having, at the start, the following composition: C. . . . . 3.301 / o Si. . . . . 2.001 / o Mn. . . . 0.60% P. . . . . 0.121 / o S. . . . 0.0411 / o and having, in the absence of washing treatment and inoculation treatment, low tensile strength (16 to 22 kg per mm-).
Example <I> 1: </I> The cast iron is first melted in a basic electric furnace, then poured at 1450 in a ladle with a basic coating. As the furnace is poured into the ladle, approximately 1% of powdered magnesium fluoride is added to the metal jet. Simultaneous pouring and addition takes approximately one minute per tonne of cast iron.
From the basic ladle, the cast iron is transferred to an acid-lined ladle, where approximately 0.15% Si in the form of 45% ferro-silicon is added for inoculation; during pouring into the second pocket, the washing slag is retained in the. first.
The magnesium content incorporated in the cast iron is less than 0.04% and its sulfur content is. fell to 0.015%. Measured on a cylindrical test piece 30 mm in diameter cast in green sand,
the tensile strength of the cast iron thus treated is 53 kg / mm2. Example ?: As above, cast iron is sheared in a basic electric oven. When the temperature of. When the bath reaches 1350, loaves of anhydrous caustic potash are deposited on its surface, using for example a pallet, at a range of 11.00 by weight of cast iron to be treated.
After a few seconds, the potash is dark, it floats on the metal bath, the furnace is immediately tilted to pour its contents into a pocket with a basic coating, while trying to first pour the slag on the metal, however, at the same time pouring a sufficient quantity of cast iron to prevent the potash from freezing when it reaches the ladle, which is easily achieved. by properly adjusting the inclination of the oven.
Then we pour into the. ladle all the cast iron contained in the electric oven, so as to achieve, in the ladle, a mixing between the cast iron and the reactive slag. To further improve the contacts between the metal and the alkaline slag, the contents of the pocket are poured into the oven (where the oi can, if desired, reheat it), so as to leave the folds in the basic pocket. much of the slag, because this slag has already exerted its washing action. Then the metal can be poured into an ordinary acid ladle.
If, during this final casting of the cast iron, approximately 0.15% silicon is added to it in the form of 45% ferro-silicon,
a tensile strength of 51 kg / mm 2 is obtained on the 30 mm cylindrical barrel. As in the previous example, the iron retains only a very low and barely measurable quantity of potassium and its sulfur content has fallen to 0.0101 / 0.
It is. understood that the process according to end vention can be applied to other gray fonts, which. regardless of the melting apparatus used, and in particular with cast iron simply melted in cupola or even in a hearth furnace, etc.
There are alloys or combinations of alkali or alkaline-earth metals which are friable and can be easily reduced to a fine powder easy to introduce into the cast iron to be treated with sufficiently intimate contact, to achieve the invention: that is. the case for example of the 80% Ni and 20% magnesium alloy produced without the addition of manganese, and therefore fragile.