EP0534850A1 - Fonte à graphite sphéroidal ou vermiculaire résistant à la chaleur - Google Patents

Fonte à graphite sphéroidal ou vermiculaire résistant à la chaleur Download PDF

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EP0534850A1
EP0534850A1 EP92402617A EP92402617A EP0534850A1 EP 0534850 A1 EP0534850 A1 EP 0534850A1 EP 92402617 A EP92402617 A EP 92402617A EP 92402617 A EP92402617 A EP 92402617A EP 0534850 A1 EP0534850 A1 EP 0534850A1
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graphite
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Jean-Luc Roberge
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C37/00—Cast-iron alloys
    • C22C37/10—Cast-iron alloys containing aluminium or silicon

Definitions

  • the present invention relates to a heat-resistant spheroidal or vermicular graphite cast iron.
  • the invention relates to a spheroidal or vermicular graphite cast iron which has a high resistance to oxidation and which has high mechanical qualities for temperatures typically ranging from 900 ° C. to more than 1000 ° C.
  • the fonts available in these temperature ranges are austenitic fonts with a high nickel content. Typically, this content ranges from 20 to 35% by weight for temperatures above 900 ° C. For temperatures above 1000 ° C, silicon must also be added.
  • the disadvantage of such cast irons is that they require the use of large amounts of nickel. This material has the disadvantage on the one hand of being expensive and on the other hand of being considered as a strategic material, therefore with very large price fluctuations.
  • An object of the present invention is to provide a cast iron which has mechanical resistance and oxidation resistance properties at least equal to those of known cast irons at high temperatures typically higher than 900 ° C. but whose production costs are lower than those of known spheroidal graphite cast iron which has a high nickel content.
  • cast iron an alloy comprising at least 85% iron.
  • heat-resistant spheroidal or vermicular graphite cast iron is characterized in that it comprises from 4.7% to 7.1% by weight of Si equivalent, the Si equivalent being defined.
  • Sieq Si + 0.8Al in which the weight content of Si is between 3.9% and 5.3% and the weight content of Al is between 0.5% and 2.5%.
  • the cast iron further comprises from 0.5 to 1.5% of molybdenum.
  • the GS cast iron further comprises 0.5 to 1.5% of cobalt and / or 0.5 to 1.5 of niobium.
  • the graphite will be spheroidal and / or vermicular depending on the massiveness of the parts.
  • Such a cast iron has properties of mechanical resistance and resistance to oxidation at least equivalent to those obtained with known spheroidal graphite irons based on nickel. It is understood, however, that insofar as they are produced without nickel from silicon or aluminum, they are significantly lower in cost and their production is not dependent on the supply of basic material considered strategic.
  • the invention is based on a control of the equivalent silicon content in the cast iron.
  • the numerical coefficient of aluminum (0.8) is chosen by iterative calculation so that the point AC1 is an increasing linear function of the "silicon-equivalent”. This expression, confirmed by the experiments carried out, shows that the contribution of aluminum to what could be called the "refractoriness" of cast iron is equal to about 80% of that of silicon.
  • the equivalent silicon content is as follows: 900 to 950 ° C : 4.7 to 6%; 950 to 1000 ° C : 6 to 6.7%; above 1000 ° C : greater than 6.7%.
  • the maximum equivalent silicon content cannot be greater than 7.1% if the cast iron is not to be too brittle.
  • the total silicon content is between 3.9 and 5.3% and the aluminum content is between 0.5 and 2.5%.
  • the tests carried out have shown that the best results are obtained for an aluminum content by weight of between 1.6 and 2.2%.
  • cast iron In a particular example of cast iron according to the invention, it has the following composition: silicon 4.9%, aluminum 2.2%, molybdenum 1%, cobalt 1%, niobium 1% and carbon 3.1%.
  • Tests, in particular of resistance to oxidation, of the GS fonts according to the invention and in particular of that which has the composition given in the example mentioned above, show that the properties of use are at least equal, if not better than those obtained with grades of austenitic spheroidal graphite cast iron with a high nickel content.
  • the oxidizability of the cast iron is considerably reduced and the alloy is kept ferritic up to high temperatures, typically above 1000 ° C.
  • the introduction of low molybdenum, cobalt or niobium contents allows an increase in the mechanical properties when hot compared to the usual grades, in particular as regards hot creep.
  • the appended table makes it possible to compare the properties of four pig iron compositions in accordance with the invention with a known pig iron composition comprising 35.35% of nickel, 3.05% of chromium and 3.1% of silicon.
  • the cast irons according to the invention have mechanical properties greater than or equal to those of the nickel cast iron and that the properties of resistance to oxidation are appreciably improved.
  • the oxidisability properties are maintained but the mechanical properties are very significantly improved.
  • the oxidisability properties are considerably improved.
  • the inoculation of the liquid metal should be sufficiently powerful, mainly in the case of the production of thin parts. For this, we will practice, when necessary, post-inoculation in the foundry mold.

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Abstract

L'invention concerne une fonte à graphite sphéroïdal ou vermiculaire résistant à la chaleur. Pour rendre la fonte résistante à des températures de 900°C à plus de 1000°C tout en réduisant le coût de production, la fonte se caractérise en ce qu'elle comprend de 4,7% à 7,1% en poids de Si équivalent (Sieq), le Sieq étant défini par Si + 0,8Al dans lequel la teneur pondérale en Si est comprise entre 3,9% et 5,3% et la teneur en Al est comprise entre 0,5% et 2,5%.

Description

  • La présente invention a pour objet une fonte à graphite sphéroïdal ou vermiculaire résistant à la chaleur.
  • Plus précisément, l'invention concerne une fonte à graphite sphéroïdal ou vermiculaire qui possède une grande résistance à l'oxydation et qui présente des qualités mécaniques élevées pour des températures allant typiquement de 900°C à plus de 1000°C.
  • Les développements de certaines techniques imposent de disposer de fontes ou plus généralement de matériaux capables de conserver notamment leurs qualités mécaniques et leurs qualités de résistance à l'oxydation pour des températures de plus en plus élevées, notamment supérieures à 900°C.
  • C'est en particulier le cas dans le domaine de l'industrie automobile avec l'augmentation des performances des moteurs de véhicules automobiles qui entraine elle-même l'augmentation des conditions, notamment de températures, que doivent pouvoir supporter les organes moteurs. En particulier, certaines pièces des moteurs tels que les collecteurs d'échappement et les carters turbos sont soumis à des sollicitations thermiques et mécaniques de plus en plus élevées, qu'il s'agisse des températures maximales, des gradients thermiques, des chocs thermiques, des contraintes mécaniques, de la fatigue à chaud ou de la fatigue thermique.
  • Actuellement, les fontes disponibles dans ces gammes de température sont des fontes austénitiques présentant une teneur élevée en nickel. Typiquement, cette teneur va de 20 à 35% en poids pour les températures supérieures à 900°C. Pour les températures supérieures à 1000°C, il faut de plus ajouter du silicium. L'inconvénient de telles fontes est qu'elles font appel à l'utilisation de quantités importantes de nickel. Ce matériau présente l'inconvénient d'une part d'être cher et d'autre part d'être considéré comme un matériau stratégique, donc avec des fluctuations de cours très importantes.
  • En outre, on sait que dans le domaine de la construction automobile, les contraintes économiques liées à la concurrence sont de plus en plus sévères et il est donc particulièrement intéressant de pouvoir disposer de matériaux de construction qui soient d'un coût réduit tout en satisfaisant aux conditions sévères d'utilisation.
  • Un objet de la présente invention est de fournir une fonte qui présente des propriétés de résistance mécanique et de résistance à l'oxydation au moins égales à celles des fontes connues à des températures élevées typiquement supérieures à 900°C mais dont les coûts de production sont inférieurs à ceux des fontes connues à graphite sphéroïdal qui présente une teneur élevée en nickel.
  • Dans le présent texte, par fonte, il faut entendre un alliage comprenant au moins 85% de fer.
  • Pour atteindre ce but, selon l'invention, la fonte à graphite sphéroïdal ou vermiculaire résistant à la chaleur se caractérise en ce qu'elle comprend de 4,7% à 7,1% en poids de Si équivalent, le Si équivalent étant défini par Sieq = Si+0,8Al dans lequel la teneur pondérale en Si est comprise entre 3,9% et 5,3% et la teneur pondérale en Al est comprise entre 0,5% et 2,5%.
  • Selon un mode préféré de mise en oeuvre, la fonte comporte en outre de 0,5 à 1,5% de molybdène.
  • Selon un autre mode préféré de mise en oeuvre, la fonte GS comporte en outre 0,5 à 1,5% de cobalt et/ou 0,5 à 1,5 de niobium.
  • Etant donnée la composition, selon l'invention, de cette fonte, le graphite sera sphéroïdal et/ou vermiculaire selon la massiveté des pièces.
  • Une telle fonte présente des propriétés de résistance mécanique et de résistance à l'oxydation au moins équivalentes à celles qu'on obtient avec les fontes à graphite sphéroïdal connues à base de nickel. On comprend cependant que dans la mesure où elles sont élaborées sans nickel à partir de silicium ou d'aluminium, elles sont d'un coût sensiblement plus réduit et leur réalisation n'est pas tributaire de l'approvisionnement en matériau de base considéré comme stratégique.
  • D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit de plusieurs modes de mise en oeuvre de l'invention donnes à titre d'exemples non limitatifs.
  • Comme on l'a déjà indiqué, l'invention est basée sur un contrôle de la teneur en silicium équivalent dans la fonte. Le silicium équivalent est défini par la relation Sieq = Si + 0,8Al. Cette définition a été établie empiriquement. Le coefficient numérique de l'aluminium (0,8) est choisi par calcul itératif de façon à ce que le point AC1 soit une fonction linaire croissante du "silicium-équivalent". Cette expression confirmée par les expérimentations faites permet de constater que la contribution de l'aluminium à ce que l'on pourrait appeler la "réfractairité" de la fonte, est égale à environ 80% de celle du silicium. Selon la température de fonctionnement ou d'utilisation de la pièce réalisée en fonte, la teneur en silicium équivalent est la suivante :
    900 à 950°C : 4,7 à 6% ;
    950 à 1000°C : 6 à 6,7% ;
    supérieure à 1000°C : supérieure à 6,7%.
  • Toutefois, la teneur maximale en silicium équivalent ne peut être supérieure à 7,1% si on ne veut pas conférer à la fonte un caractère de fragilité trop important.
  • En outre, dans les fourchettes indiquées précédemment, la teneur totale en silicium est comprise entre 3,9 et 5,3% et la teneur en aluminium est comprise entre 0,5 et 2,5%.
    Les essais effectués ont montré qu'on obtenait les meilleurs résultats pour une teneur pondérale en aluminium comprise entre 1,6 et 2,2%.
  • On comprend que la présence d'aluminium renforce l'action du silicium sur la stabilité structurale de la fonte et sur le caractère d'inoxydabilité du matériau obtenu. On comprend en particulier qu'en limitant la teneur en silicium, on évite les effets nocifs d'une trop grande quantité de silicium qui entraîne en particulier une fragilisation de l'alliage à la température ambiante.
  • En outre, et selon l'utilisation que l'on veut faire de la fonte, et donc selon les caractéristiques particulières que l'on souhaite obtenir pour celle-ci, on peut ajouter d'autres éléments d'alliage notamment du molybdène, du cobalt ou du niobium dans des teneurs comprises entre 0,5% et 1,5%. Il faut également préciser que la teneur en carbone est telle que la teneur pondérale en carbone équivalent soit de l'ordre de 4,3 à 4,8%.
  • On sait que le carbone équivalent est défini par la teneur en carbone pur augmentée d'un tiers de la teneur en silicium augmentée en outre de la teneur en aluminium multipliée par un coefficient de 0,16. On voit donc que la teneur en carbone sera réglée à partir de la teneur choisie en silicium comme on l'a déjà expliqué précédemment.
  • Dans un exemple particulier de fonte selon l'invention, celle-ci a la composition suivante : silicium 4,9%, aluminium 2,2%, molybdène 1%, cobalt 1%, niobium 1% et carbone 3,1%.
  • Les essais, notamment de tenue en oxydation, des fontes GS selon l'invention et en particulier de celle qui a la composition donnée dans l'exemple mentionné ci-dessus, montrent que les propriétés d'utilisation sont au moins égales, sinon meilleures que celles qu'on obtient avec des nuances de fonte à graphite sphéroïdal austénitique à forte teneur en nickel. En particulier, pour les teneurs de silicium et d'aluminium mentionnées ci-dessus, on réduit considérablement l'oxydabilité de la fonte et l'alliage est maintenu ferritique jusqu'à de hautes températures, typiquement au-dessus de 1000°C. Enfin, l'introduction de faibles teneurs en molybdène, en cobalt ou en niobium selon les utilisations envisagées permet un accroissement des propriétés mécaniques à chaud par rapport aux nuances habituelles, notamment en ce qui concerne le fluage à chaud.
  • Le tableau annexé permet de comparer les propriétés de quatre compositions de fonte conformes à l'invention avec une composition connue de fonte comportant 35,35% de nickel, 3,05% de chrome et 3,1% de silicium.
  • On voit que les fontes selon l'invention ont des propriétés mécaniques supérieures ou égales à celles de la fonteau nickel et que les propriétés de résistance à l'oxydation sont sensiblement améliorées. Dans le cas de la fonte à 4,45% de silicium et 1,65% d'aluminium les propriétés d'inoxydabilité sont maintenues mais les propriétés mécaniques sont très sensiblement améliorées. Pour les fontes présentant une teneur en aluminium égale ou supérieure à 1,8%, les propriétés d'inoxydabilité sont considérablements améliorées.
  • Pour l'élaboration des fontes selon l'invention, les techniques couramment mises en oeuvre peuvent être utilisées. Il y a seulement lieu d'introduire l'aluminium le plus tard possible, ce qui ne soulève aucun problème particulier compte tenu de sa température de point de fusion réduite de l'ordre de 800°C.
  • L'élaboration du matériau proposé devra faire appel à des techniques limitant au maximum l'entraînement dans les pièces d'inclusions non métalliques. Au-delà d'un décrassage particulièrement soigné, on utilisera, si nécessaire, des procédés d'inertage et de filtration.
  • L'inoculation du métal liquide devra être suffisamment puissante, principalement dans le cas de l'élaboration de pièces minces. Pour cela, on pratiquera, quand ce sera nécessaire, la post-inoculation dans le moule de fonderie.
    Figure imgb0001

Claims (7)

  1. Fonte à graphite sphéroïdal ou vermiculaire résistant à la chaleur, caractérisée en ce qu'elle comprend de 4,7% à 7,1% en poids de Si équivalent (Sieq), le Sieq étant défini par Si + 0,8Al dans lequel la teneur pondérale en Si est comprise entre 3,9% et 5,3% et la teneur en Al est comprise entre 0,5% et 2,5%.
  2. Fonte à graphite sphéroïdal ou vermiculaire selon la revendication 1, caractérisée en ce que la teneur pondérale en aluminium est comprise entre 1,6% et 2,2%.
  3. Fonte à graphite sphéroïdal ou vermiculaire selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre 0,5% à 1,5% en poids de Co.
  4. Fonte à graphite sphéroïdal ou vermiculaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre 0,5% à 1,5% en poids de Nb.
  5. Fonte à graphite sphéroïdal ou vermiculaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre 0,5% à 1,5% de Mo.
  6. Fonte à graphite sphéroïdal ou vermiculaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la teneur en carbone équivalent (Ceq) est de l'ordre de 4,5% à 4,8% en poids, le Ceq étant défini par C + 0,33 Si + 0,16 Al.
  7. Fonte à graphite sphéroïdal ou vermiculaire selon la revendication 6, caractérisée en ce que la teneur pondérale en carbone est de l'ordre de 3,1%.
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