EP1499750A2 - Alliage inoculant anti microretassure pour traitement des fontes de moulage - Google Patents

Alliage inoculant anti microretassure pour traitement des fontes de moulage

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EP1499750A2
EP1499750A2 EP03740659A EP03740659A EP1499750A2 EP 1499750 A2 EP1499750 A2 EP 1499750A2 EP 03740659 A EP03740659 A EP 03740659A EP 03740659 A EP03740659 A EP 03740659A EP 1499750 A2 EP1499750 A2 EP 1499750A2
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EP
European Patent Office
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alloy according
cast iron
alloy
lanthanum
bismuth
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Ceased
Application number
EP03740659A
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German (de)
English (en)
Inventor
Thomas Margaria
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Ferropem SAS
Original Assignee
Pechiney Electrometallurgie SAS
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Publication date
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    • C22C37/00—Cast-iron alloys
    • C22C37/10—Cast-iron alloys containing aluminium or silicon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21C—PROCESSING OF PIG-IRON, e.g. REFINING, MANUFACTURE OF WROUGHT-IRON OR STEEL; TREATMENT IN MOLTEN STATE OF FERROUS ALLOYS
    • C21C1/00—Refining of pig-iron; Cast iron
    • C21C1/10—Making spheroidal graphite cast-iron
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    • C21C—PROCESSING OF PIG-IRON, e.g. REFINING, MANUFACTURE OF WROUGHT-IRON OR STEEL; TREATMENT IN MOLTEN STATE OF FERROUS ALLOYS
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21C—PROCESSING OF PIG-IRON, e.g. REFINING, MANUFACTURE OF WROUGHT-IRON OR STEEL; TREATMENT IN MOLTEN STATE OF FERROUS ALLOYS
    • C21C1/00—Refining of pig-iron; Cast iron
    • C21C1/10—Making spheroidal graphite cast-iron
    • C21C1/105—Nodularising additive agents
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C28/00—Alloys based on a metal not provided for in groups C22C5/00 - C22C27/00
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2998/00—Supplementary information concerning processes or compositions relating to powder metallurgy

Definitions

  • the invention relates to the treatment in the liquid state of cast iron intended for the manufacture of parts for which it is desired to obtain a structure free of iron carbides and an absence of micro-shrinkage.
  • Cast iron is a well-known iron-carbon-silicon alloy widely used for the manufacture of mechanical parts. It is known that to obtain good mechanical properties of these parts, it is ultimately necessary to obtain an iron + graphite structure while avoiding as much as possible the formation of iron carbides of Fe 3 C type which harden and weaken the alloy. Then it may be desired that the graphite formed is spheroidal, vermicular or lamellar, but the essential prerequisite to be fulfilled is to avoid the formation of iron carbide. To this end, the liquid iron undergoes an inoculation treatment before casting which favors the appearance of graphite on cooling rather than that of iron carbide. Inoculation treatment is therefore very important.
  • inoculation whatever the inoculants used, has an efficiency on liquid cast iron which decreases over time and which, in general, has already decreased by 50% after ten minutes; a person skilled in the art designates this phenomenon under the name of "fading effect".
  • progressive inoculation is generally practiced, consisting of several additions of inoculants at different stages in the development of the cast iron.
  • Molded pins are considered by those skilled in the art to be the best level of quality; however, agglomerated pawns are often preferred to them for cost reasons.
  • the duration of the casting of a part being very short, the kinetics of dissolution of the pawns must be extremely fast.
  • the object of the invention is to provide inoculating alloys intended for the treatment of liquid iron allowing effective inoculation, in particular during treatment "in the mold", while avoiding the formation of micro-porosities in the parts obtained by molding.
  • the invention relates to inoculating alloys intended for the treatment of cast iron containing (by weight) from 0.005 to 3% of an element of the group bismuth, lead and antimony, from 0.3 to 10% of metals of the group rare earths and possibly aluminum up to 5% and calcium up to 1.5%, the rest being ferro-silicon, lanthanum constituting more than 90% of the rare earth metals used in its composition.
  • the alloy preferably contains bismuth at a content of between 0.2 and 1.5%, and preferably between 0.7 and 1.3%.
  • the lanthanum content is advantageously between 0.3 and 8%, and preferably between 0.5 and 3%.
  • the presence of at least 0.8% aluminum is advantageous, and its content is preferably between 1 and 3.5%.
  • the alloy according to the invention can be packaged in the form of a powder or a mixture of alloy powders of different compositions, or in the form of pegs molded from the molten alloy, or agglomerated from a powder. or a mixture of powders.
  • This powder preferably has a particle size less than 1 mm, with a particle size fraction between 50 and 250 ⁇ m representing more than 35% by weight of the total, and a fraction less than 50 ⁇ m representing less than 25% of the total.
  • inoculating alloys based on FeSi at 75% were added, first added with an anti-micro-cracking element which can be either lanthanum or germanium.
  • an anti-micro-cracking element which can be either lanthanum or germanium.
  • germanium the required contents range from 0.3 to 6%.
  • lanthanum they range from 0.3 to 8%, and preferably from 0.5 to 5%.
  • test piece consists of a 110 mm high "N", with an angle at the top
  • the width of the branches of the "N" being 20 mm and the thickness of the part 20 mm.
  • This geometry gives a width of 80 mm at the top of the "N", a unit volume of 69 cm 3 , and a unit mass of 480 g to 500 g depending on the quality of the cast iron. On this type of part, the porosities appear selectively in the re-entrant part of the "N".
  • the part is cut to mid-thickness, and the section is examined by optical microscopy to assess the surface of the porosities; the result is expressed in relative area compared to the area of the section.
  • a treated cast iron ladle from the preliminary operation was inoculated in the ladle using an inoculating powder alloy with a particle size between 2 and 10 mm, of composition: "Foundry Grade", mainly Fe balance, used at the dose 200 g per ton of pig iron.
  • This cast iron was used to cast N-shaped pieces of geometry identical to that defined in the control test, arranged in a cluster in a 36-piece sand mold fed by a supply channel where a filter made up of a refractory foam.
  • the parts obtained were examined by optical microscopy on a polished section to determine the structure of the metal as a function of the depth and the level of porosity.
  • the density of the graphite nodules was measured at 120 / mm 2 .
  • the average porosity of the parts was evaluated at 2.4%.
  • a second pocket of treated cast iron coming from the preliminary operation was inoculated in the pocket using an inoculating alloy with a particle size between 2 and 10 mm of composition:
  • This cast iron was used to cast N-shaped pieces of geometry identical to that defined in the control test, arranged in a cluster in a 36-piece sand mold fed by a supply channel where a filter made up of a refractory foam.
  • the parts obtained were examined by light microscopy on a polished section to determine the structure of the metal as a function of the depth and the level of porosity.
  • the density of graphite nodules was counted at 360 / rnm 2 .
  • the average porosity of the parts was evaluated at 0.3%.
  • a third treated cast iron ladle coming from the preliminary operation was used to cast N-shaped pieces of geometry identical to that defined in the control test, arranged in a cluster in a 36-piece sand mold fed by a channel. lead where was placed a pawn of 25 g consisting of inoculating alloy for treatment in the mold, of composition:
  • the parts obtained were examined by optical microscopy on section polished to determine the structure of the metal based on the depth and level of porosity. At the heart of the branches, the density of the graphite nodules was counted at 320 / mm 2 . The average porosity of the parts was evaluated at 0.2%.

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Abstract

L’invention a pour objet des alliages inoculants destinés au traitement de la fonte de moulage contenant (en poids) de 0,005% à 3% d’un élément du groupe bismuth, plomb et antimoine, de 0,3 à 10% de métaux de groupe des terres rares et éventuellement de l’aluminium jusqu’à 5% et du calcium jusqu’à 0,5%, le reste étant du ferro-silicium, le lanthane constituant plus de 90% des métaux des terres rares entrant dans sa composition. Les alliages selon l’invention permettent une inoculation efficace de la fonte et évitent l’apparition de micro-retassus dans les pièces moulées. Les alliages sont conditionnés sous forme depions soit en poudre.

Description

Alliage inoculant anti microretassure pour traitement des fontes de moulage.
Domaine de l'invention
L'invention concerne le traitement à l'état liquide de la fonte destinée à la fabrication de pièces pour lesquelles on souhaite obtenir une structure exempte de carbures de fer et une absence de micro-retassures.
Etat de la technique
La fonte est un alliage fer-carbone-silicium bien connu et largement utilisé pour la fabrication de pièces mécaniques. On sait que pour obtenir de bonnes propriétés mécaniques de ces pièces, il faut obtenir in fine une structure fer + graphite en évitant le plus possible la formation de carbures de fer de type Fe3C qui durcissent et fragilisent l'alliage. Ensuite on peut souhaiter que le graphite formé soit sphéroïdal, vermiculaire ou lamellaire, mais la condition préalable essentielle à remplir est d'éviter la formation de carbure de fer. A cette fin, la fonte liquide subit avant coulée un traitement d'inoculation qui favorise au refroidissement l'apparition de graphite plutôt que celle de carbure de fer. Le traitement d'inoculation est donc très important . Or il est bien connu que l'inoculation, quels que soient les inoculants utilisés, a sur la fonte liquide une efficacité qui diminue dans le temps et qui, en général, a déjà baissé de 50% au bout d'une dizaine de minutes ; l'homme de l'art désigne ce phénomène sous le nom d'« effet d'évanouissement ». Pour obtenir un maximum d'efficacité, on pratique en général l'inoculation progressive, consistant en plusieurs ajouts d'inoculants à différents stades de l'élaboration de la fonte. Ainsi il est d'usage courant d'inoculer la fonte liquide, d'une part en poche avec un alliage inoculant par exemple en grains de taille comprise entre 2 et 10 mm ou entre 0,4 et 2 mm, d'autre part « au jet », c'est à dire à la coulée de la poche avec un alliage inoculant en grains de taille comprise entre 0,2 et 0,7 mm, et enfin « dans le moule », en fait dans les canaux d'alimentation des moules, en disposant sur le parcours de la fonte liquide des inserts constitués d'un matériau inoculant. Ces inserts de forme définie portent le nom de pions. Il existe deux types de pions : __._,,__„_
PCT/FR03/01295
2
- les pions « moulés » obtenus par moulage de l'inoculant fondu.
- les pions agglomérés obtenus à partir d'une poudre pressée avec en général très peu de liant, voire même sans liant.
Les pions moulés sont considérés par l'homme de l'art comme le meilleur niveau de qualité ; toutefois les pions agglomérés leur sont souvent préférés pour des raisons de coût. La durée de la coulée d'une pièce étant très courte, la cinétique de dissolution des pions doit être extrêmement rapide.
Par ailleurs, l'homme de l'art constate bien souvent dans les pièces la présence de vides de dimensions millimétriques ou micrométriques désignées sous le nom de micro-retassures . Ces défauts fragilisent les pièces ; en outre, si un usinage ultérieur des pièces est nécessaire, par exemple pour dresser une surface, la fait de tomber sur de tels défauts conduit au rebut inévitable des pièces défectueuses.
Un moyen connu pour éviter l'apparition de micro-retassures dans les pièces en fonte est l'ajout de lanthane dans la fonte liquide. Ce métal du groupe des lanthanides possède en effet la propriété de diminuer la viscosité de la fonte, non seulement celle de la fonte liquide juste avant le début de sa solidification, mais aussi celle de la fonte en cours de solidification, c'est à dire du mélange solide + liquide. Tout se passe comme si, par ajout de lanthane, la fonte en mouvement devenait thixotrope. L'homme de l'art peut alors, en dessinant correctement ses moules, rassembler les retassures dans la masselote d'alimentation et obtenir ainsi des pièces saines.
Ainsi ont été mis successivement sur le marché, d'abord des nodulisants contenant du lanthane, dont l'usage était réservé aux fontes nodulaires dites fontes GS, puis des inoculants de type FeSi à 45% de Si et 2% de La, utilisables aussi bien pour les fontes GS que pour les fontes à graphite lamellaire dites fontes GL.
L'invention a pour but de fournir des alliages inoculants destinés au traitement de la fonte liquide permettant une inoculation efficace, notamment lors du traitement « dans le moule », tout en évitant la formation de micro-porosités dans les pièces obtenues par moulage.
Objet de l'invention
L'invention a pour objet des alliages inoculants destinés au traitement de la fonte de moulage contenant (en poids) de 0,005 à 3% d'un élément du groupe bismuth, plomb et antimoine, de 0,3 à 10% de métaux du groupe des terres rares et éventuellement de l'aluminiumjusqu'à 5% et du calcium jusqu'à 1,5%, le reste étant du ferro-silicium, le lanthane constituant plus de 90% des métaux des terres rares entrant dans sa composition.
L'alliage contient de préférence du bismuth à une teneur comprise entre 0,2 et 1,5%, et de préférence entre 0,7 et 1,3%. La teneur en lanthane est avantageusement comprise entre 0,3 et 8%, et de préférence entre 0,5 et 3%. La présence d'au moins 0,8% d'aluminium est avantageuse, et sa teneur est de préférence comprise entre 1 et 3,5%.
L'alliage selon l'invention peut être conditionné sous forme de poudre ou d'un mélange de poudres d'alliages de compositions différentes, ou sous forme de pions moulés à partir de l'alliage fondu, ou agglomérés à partir d'une poudre ou d'un mélange de poudres. Cette poudre a, de préférence, une granulométrie inférieure à 1 mm, avec une fraction granulométrique entre 50 et 250 μm représentant plus de 35% en poids du total, et une fraction inférieure à 50 μm représentant moins de 25% du total.
Description de l'invention
Un inoculant étant destiné par nature à conduire à l'obtention de fonte dans laquelle le carbone soit présent sous forme de graphite, il est apparu souhaitable à la demanderesse de mettre au point un inoculant présentant des propriétés anti-micro-retassures . Ainsi ont d'abord été envisagés des alliages inoculants à base de FeSi à 75 % additionnés d'un élément anti microretassures pouvant être soit le lanthane, soit le germanium. En ce qui concerne le germanium, les teneurs requises vont de 0,3 à 6%. Pour ce qui est du lanthane, elles vont de 0,3 à 8%, et préférentiellement de 0,5 à 5%.
Mais des solutions plus intéressantes sont apparues en imaginant des alliages inoculants dans lesquels le même élément puisse remplir plusieurs fonctions : ainsi il est apparu comme particulièrement intéressant, partant d'un alliage tel que celui décrit dans le brevet US 4432793 (Nobel-Bozel), à base de ferro-silicium et contenant jusqu'à 3% de bismuth, de plomb ou d'antimoine, et jusqu'à 3% de terres rares, de lui ajouter un élément anti-microporosité tel que le lanthane, et de contracter la formule obtenue en optimisant le total du lanthane et des autres terres rares dans un alliage Fe-Si-Bi-La.
La demanderesse a d'abord vérifié que ces alliages nouveaux anti microporosités, conditionnés dans les granulométries habituelles , à savoir entre 2 et 7 mm, ou entre 0,4 et 2 mm pour traitement en poches, et entre 0,4 et 0,7 mm pour le traitement au jet, présentaient bien de bonnes propriétés en tant qu'inoculants. On a envisagé ensuite la préparation de pions „,---.-,.-
PCT/FR03/01295 4 inoculants avec ces mêmes alliages. Le résultat en terme de réduction de la micro-porosité a été confirmé malgré l'apport de bismuth dans la fonte finale.
Ainsi de très bons résultats ont pu être obtenus avec des pions moulés constitués d'alliage de type FeSi contenant :
- de 60 à 80%, et préférentiellement de 72 à 78% de silicium,
- de 0,3 à 8% , et préférentiellement de 0,5 à 5% de lanthane,
- de 0,2 à 1,5%, et préférentiellement de 0,7 à 1,3% de bismuth,
- de 0,8 à 5%o, et préférentiellement de 1 % à 3,5 % d'aluminium.
Exemples
Pour réaliser les exemples décrits ci-dessous, une charge de fonte a été fondue en four à induction et traitée par le procédé Tundish Cover au moyen d'un alliage inoculant habituel de type FeSiMg à 5% de Mg et 1% de Ca ne contenant pas de terres rares, à la dose de 20 kg pour 1600 kg de fonte. L'analyse de cette fonte liquide éiait la suivante :
C = 3,7%, Si = 2,6%, Mn = 0,07%, P = 0,03%, S = 0,003%, Mg = 0,038%.
La performance au niveau de la macro- comme de la micro-porosité a été appréciée au moyen du test de coulée d'éprouvettes en « V ».
Dans ce test, Péprouvette est constituée d'un « N » de hauteur 110 mm, d'angle au sommet
40°, la largeur des branches du « N » étant de 20 mm et l'épaisseur de la pièce de 20 mm.
Cette géométrie donne une largeur de 80 mm au sommet du « N », un volume unitaire de 69 cm3, et une masse unitaire de 480 g à 500 g selon la qualité de la fonte. Sur ce type de pièce, les porosités apparaissent sélectivement dans la partie rentrante du « N ».
Pour apprécier le résultat du test, on découpe la pièce à mi-épaisseur, et l'on examine la coupe par microscopie optique pour évaluer la surface des porosités ; le résultat est exprimé en surface relative rapportée à la surface de la coupe.
Exemple 1
Une poche de fonte traitée venant de l'opération préliminaire a été inoculée en poche au moyen d'un alliage inoculant en poudre de granulométrie comprise entre 2 et 10 mm, de composition : « Foundry Grade », solde principalement Fe, utilisé à la dose de 200 g à la tonne de fonte. Cette fonte a été utilisée pour couler des pièces en N de géométrie identique à celle définie dans le test de contrôle, disposées en grappe dans un moule en sable de 36 pièces alimenté par un canal d'amenée où était disposé un filtre constitué d'une mousse réfractaire.
Les pièces obtenues ont été examinées par microscopie optique sur coupe polie pour déterminer la structure du métal en fonction de la profondeur et le niveau de porosité.
Au cœur des branches, la densité des nodules de graphite a été mesurée à 120/mm2.
La porosité moyenne des pièces a été évaluée à 2,4%.
Exemple 2
Une seconde poche de fonte traitée venant de l'opération préliminaire a été inoculée en poche au moyen d'un alliage inoculant de granulométrie comprise entre 2 et 10 mm de composition :
Si = 75,4%, Al = 0,94%, Ca ≈ 0,86% , La = 2,2%, Bi = 0,92%, solde principalement Fe, utilisé à la dose de 200 g à la tonne de fonte.
Cette fonte a été utilisée pour couler des pièces en N de géométrie identique à celle définie dans le test de contrôle, disposées en grappe dans un moule en sable de 36 pièces alimenté par un canal d'amenée où était disposé un filtre constitué d'une mousse réfractaire .
Les pièces obtenues ont été examinées par microscopie optique sur coupe polie pour déterminer la structure du métal en fonction de la profondeur et le niveau de porosité. Au cœur des branches, la densité des nodules de graphite a été comptée à 360/rnm2.
La porosité moyenne des pièces a été évaluée à 0,3%.
Exemple 3
Une troisième poche de fonte traitée venant de l'opération préliminaire a été utilisée pour couler des pièces en N de géométrie identique à celle définie dans le test de contrôle, disposées en grappe dans un moule en sable de 36 pièces alimenté par un canal d'amenée où était disposé un pion de 25 g constitué d'alliage inoculant pour traitement dans le moule, de composition :
Si = 73,6%, Al = 3,92%, Ca = 0,78%, La = 2,1%, Bi = 0,97%, solde principalement Fe. Les pièces obtenues ont été examinées par microscopie optique sur coupe polie pour déterminer la structure du métal en fonction de la profondeur et le niveau de porosité. Au cœur des branches, la densité des nodules de graphite a été comptée à 320/mm2. La porosité moyenne des pièces a été évaluée à 0,2%.

Claims

Revendications
1. Alliage inoculant pour fonte de moulage, contenant (en poids) de 0,005 à 3% d'un élément du groupe bismuth, plomb et antimoine, de 0,3 à 10% de métaux du groupe des terres rares et éventuellement de l'aluminiumjusqu'à 5% et du calcium jusqu'à 1,5%, le reste étant du ferro-silicium, caractérisé en ce que le lanthane constitue plus de 90% des métaux des terres rares entrant dans sa composition.
2. Alliage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il contient de 0,3 à 8% de lanthane et de 0,2 à 1,5% de bismuth.
3. Alliage selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que sa teneur en bismuth est comprise entre 0,7 et 1,3%.
4. Alliage selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que sa teneur en lanthane est comprise entre 0,5 et 5%.
5. Alliage selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que sa teneur en aluminium est comprise entre 0,8 et 5%.
6. Alliage selon la revendication 5, caractérisé en ce que sa teneur en aluminium est comprise entre 1 et 3,5%.
7. Alliage selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il est conditionné en poudre.
8. Alliage selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il est conditionné sous forme de pions pour traitement « dans le moule ».
9. Alliage selon la revendication 8, caractérisé en ce que le pion est obtenu par moulage de l'alliage fondu.
10. Alliage selon la revendication 8, caractérisé en ce que le pion est obtenu par agglomération d'une poudre.
11. Alliage selon la revendication 10, caractérisé en ce que la granulométrie de la poudre est < 1 mm, la fraction granulométrique comprise entre 50 et 250 μm représentant plus de 35% en poids du total, et la fraction inférieure à 50 μm moins de 25%.
12. Alliage selon l'une des revendications 10 ou 11, caractérisé en ce que la composition moyenne de l'alliage est obtenue par mélange de poudres d'alliages de compositions différentes.
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