FR2697535A1 - Producing bainitic cast iron@ parts - using an atomised water and air mixt. around part as it is transferred to quenching medium - Google Patents

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Abstract

Process of heat treating ferrous and non-ferrous pts. consists of heating to a high temp. followed by transferring in a gas-liq. atmos. to a quenching medium. The atmos. is atomised water in air. The process can be applied to non-ferrous alloys which are heat treated, thermo-mechanically heat located or age hardened. The pts. may be cast or worked. The process is also applicable to ferrous alloys which are heat treated or thermo-mechanically treated. The pts. are heated in the austenite region followed by rapid cooling into the bainite resin by quenching. The pt. is isothermally maintained at this temp. before being quenched to ambient temp. During its transfer to the quenching medium it is surrounded by a gas-water atmos. USE/ADVANTAGE - Esp. for producing bainitic cast irons. Cast irons with low alloying elements can be heat treated without prejudicing the thermal exchange conditions during transfer to the quenching bath. The air-water mixt. protects the pt. from atmospheric air during its transfer to the bath.

Description

La présente invention concerne un procédé amélioré de traitement thermique d'alliages ferreux ou d'alliages non ferreux, applicable en particulier pour l'obtention d'une fonte à structure bainitique. The present invention relates to an improved heat treatment process for ferrous alloys or non-ferrous alloys, applicable in particular for obtaining a cast iron with bainitic structure.

Les fontes à structure bainitique sont préparées, de manière connue, par trempe de la fonte à partir d'une température située dans le domaine austénitique jusqu'à une température située dans l'intervalle de température dans lequel existe le domaine bainitique, suivie d'un maintien de la fonte à une température comprise dans le domaine bainitique pour réaliser une transformation progressive de l'austénite en bainite. La trempe a pour but de provoquer un refroidissement suffisamment rapide pour empêcher le plus possible la formation de perlite, ladite perlite apparaissant dans un domaine de températures supérieur à celui de la bainite. Au cours du maintien dans le domaine bainitique, l'austénite se transforme en bainite. S'il s'agit d'un maintien isotherme, la durée du maintien dépendant essentiellement de la composition chimique de la fonte et de la température de maintien isotherme. Fonts with a bainitic structure are prepared, in a known manner, by quenching the cast iron from a temperature situated in the austenitic domain up to a temperature situated in the temperature range in which the bainitic domain exists, followed by maintaining the cast iron at a temperature within the bainitic domain to achieve a gradual transformation from austenite to bainite. The purpose of the quenching is to cause a sufficiently rapid cooling to prevent the formation of perlite as much as possible, said perlite appearing in a temperature range higher than that of bainite. During maintenance in the bainitic domain, austenite is transformed into bainite. If it is an isothermal hold, the duration of the hold depends mainly on the chemical composition of the cast iron and the isothermal hold temperature.

I1 est connu d'effectuer le chauffage, la trempe et le maintien isotherme dans divers types de bains, et principalement dans des bains de sels. Ce procédé présente toutefois des inconvénients dans la mesure où les sels utilisés sont par exemple des mélanges de nitrites et de nitrates alcalins. I1 est de ce fait nécessaire d'effectuer la trempe et la transformation isotherme de l'austénite en bainite dans le même bain de sels, afin d'éviter la multiplication des bains et les manipulations successives des pièces en fonte provoquant des entraînements de sels. I1 résulte de cette contrainte que le maintien isotherme en bain de sels est une étape limitante dans le déroulement du procédé.En outre, l'utilisation de bains de sels pose des problèmes de pollution et de sécurité lors de la manipulation des pièces et de leur lavage en vue de les débarrasser du sel qui les recouvre. I1 is known to perform heating, quenching and isothermal maintenance in various types of baths, and mainly in salt baths. However, this process has drawbacks insofar as the salts used are, for example, mixtures of nitrites and alkaline nitrates. It is therefore necessary to carry out the quenching and the isothermal transformation of the austenite into bainite in the same salt bath, in order to avoid the multiplication of baths and the successive manipulations of the cast iron parts causing salt entrainments. It follows from this constraint that the isothermal maintenance in a salt bath is a limiting step in the progress of the process. Furthermore, the use of salt baths poses pollution and safety problems during the handling of the parts and their washing in order to rid them of the salt which covers them.

Pour réduire l'effet limitant du maintien en bain de sels, on a cherché à dissocier les phases de trempe et de maintien isotherme. C'est ainsi que le brevet EP95470 décrit un procédé d'obtention d'une structure bainitique dans lequel on porte une pièce moulée à traiter à une température supérieure à la température d'apparition de l'austénite, on effectue une trempe rapide en bain d'huile jusqu'à 240 C, puis on réchauffe la pièce jusqu'à 380"C et on la maintient à cette température pour obtenir la transformation en bainite.Ce procédé permet certes de supprimer certains inconvénients. I1 ne supprime toutefois pas la nécessité d'inclure dans la composition de la fonte, des teneurs importantes en éléments d'alliage dans le cas de pièces massives, ce qui induit de nombreux inconvénients : augmentation de la durée de traitement, difficulté de stabilisation de l'austénite, augmentation de la porosité et de la microporosité des fontes avec réduction concomitante de leurs propriétés mécaniques, consommation d'énergie supplémentaire lors du réchauffement de la fonte au-dessus de la température d'austénitisation. To reduce the limiting effect of maintaining a salt bath, attempts have been made to separate the quenching and isothermal maintenance phases. This is how patent EP95470 describes a process for obtaining a bainitic structure in which a molded part to be treated is brought to a temperature above the appearance temperature of austenite, rapid quenching in the bath is carried out. of oil up to 240 C, then the part is heated to 380 "C and maintained at this temperature to obtain the transformation into bainite. This process certainly makes it possible to eliminate certain drawbacks. It does not however eliminate the need to include in the composition of the cast iron, significant contents of alloying elements in the case of solid parts, which induces many disadvantages: increase in the duration of treatment, difficulty in stabilizing the austenite, increase in the porosity and microporosity of cast irons with concomitant reduction of their mechanical properties, additional energy consumption when heating the cast iron above the te austenitization temperature.

Des tentatives ont été faites pour contourner ces problèmes. Ainsi, un procédé d'obtention de fonte à matrice bainitique a été mis au point, comportant un décochage à chaud dans le domaine austénitique, une trempe depuis 1 000 C jusqu'à 360 C, un maintien isotherme, la trempe et le maintien isotherme étant effectués dans des fours à lit fluidisé. Ce procédé a été amélioré par l'utilisation de lits fluidisés différents pour l'étape de trempe et pour l'étape de maintien isotherme en vue d'augmenter la capacité de traitement. Ce procédé supprimait certes les difficultés liées aux milieux de trempe classiques, mais cette amélioration se faisait au détriment des échanges thermiques. Attempts have been made to work around these problems. Thus, a process for obtaining cast iron with a bainitic matrix has been developed, comprising a hot unhooking in the austenitic domain, quenching from 1000 C to 360 C, isothermal maintenance, quenching and isothermal maintenance being carried out in fluidized bed ovens. This process has been improved by the use of different fluidized beds for the quenching step and for the isothermal holding step in order to increase the processing capacity. This process certainly removed the difficulties associated with conventional quenching media, but this improvement was made at the expense of heat exchange.

On a également proposé un procédé mettant en oeuvre une trempe dans un bain d'huile, ce qui a permis d'abaisser les taux d'éléments d'alliage. Toutefois, ce procédé mettant en oeuvre des bains d'huile posait des problèmes de sécurité. A method has also been proposed using quenching in an oil bath, which has made it possible to lower the levels of alloying elements. However, this process using oil baths posed safety problems.

La présente invention s'est fixé pour but de mettre au point un procédé d'élaboration d'une fonte à structure bainitique permettant l'utilisation de compositions à faible teneur en éléments d'alliage, sans préjudice pour les échanges thermiques. The present invention has set itself the aim of developing a process for the preparation of a cast iron with a bainitic structure allowing the use of compositions with a low content of alloying elements, without prejudice to heat exchanges.

En conséquence, la présente invention a pour objet un procédé de traitement d'une pièce en alliage ferreux ou en alliage non ferreux, au cours duquel l'alliage se trouvant à haute température est soumis à une trempe, caractérisé en ce qu'une atmosphère fluide biphasique gaz-liquide différente de l'air ambiant est créée autour de la pièce pendant son transfert vers le milieu de trempe. La durée du contact de la pièce avec l'atmosphère fluide est très brève. Les proportions respectives du gaz et du liquide constituant l'atmosphère fluide peuvent varier suivant le type de pièce à traiter. Consequently, the subject of the present invention is a method of treating a part made of ferrous alloy or non-ferrous alloy, during which the alloy which is at high temperature is subjected to quenching, characterized in that an atmosphere Two-phase gas-liquid fluid different from the ambient air is created around the part during its transfer to the quenching medium. The duration of the part's contact with the fluid atmosphere is very short. The respective proportions of the gas and the liquid constituting the fluid atmosphere may vary depending on the type of part to be treated.

Lors du passage de la pièce dans l'atmosphère fluide créée autour d'elle, il se produit des échanges thermiques accélérés entre la pièce traitée et cette atmosphère biphasique. En outre, le choix de constituants appropriés pour l'atmosphère fluide permet de créer autour de la pièce une ambiance protectrice vis à vis de l'air ambiant. During the passage of the part in the fluid atmosphere created around it, there is accelerated heat exchange between the treated part and this biphasic atmosphere. In addition, the choice of appropriate constituents for the fluid atmosphere makes it possible to create a protective atmosphere around the room with respect to the ambient air.

L'atmosphère fluide est formée par un brouillard dont l'état varie entre l'état liquide et l'état gazeux en fonction des taux respectifs du gaz et du liquide dans le mélange. The fluid atmosphere is formed by a mist, the state of which varies between the liquid state and the gaseous state as a function of the respective rates of the gas and of the liquid in the mixture.

L'atmosphère fluide peut être constituée par un mélange aireau.The fluid atmosphere can be constituted by a mixture of air.

L'atmosphère fluide peut être créée par pulvérisation ou par soufflage. The fluid atmosphere can be created by spraying or by blowing.

Le procédé de l'invention peut être mis en oeuvre lors d'un traitement thermique, d'un traitement thermo-mécanique ou d'un traitement de vieillissement de pièces en alliage non ferreux après maintien préalable des pièces à haute température. Les pièces peuvent être des pièces moulées ou des pièces corroyées. The method of the invention can be implemented during a heat treatment, a thermomechanical treatment or an aging treatment of non-ferrous alloy parts after the parts have been kept at high temperature. The parts can be molded parts or wrought parts.

Le procédé de l'invention peut également être mis en oeuvre pour un traitement thermique ou un traitement thermo-mécanique de pièces en alliage ferreux moulées ou corroyées, faisant appel à un maintien à une température comprise entre 100"C et la température dite "A1,,1 après une austénitisation ou une homogénéisation à une température supérieure à A1. Il est particulièrement utile lors de l'élaboration de pièces en fonte à structure bainitique à partir de pièces moulées ou corroyées. The method of the invention can also be implemented for a heat treatment or a thermomechanical treatment of ferrous alloy parts molded or wrought, calling for maintaining at a temperature between 100 "C and the temperature called" A1 ,, 1 after austenitization or homogenization at a temperature above A1. It is particularly useful when developing cast iron parts with a bainitic structure from molded or wrought parts.

Le procédé selon la présente invention, appliqué à l'éla- boration de pièces en fonte à structure bainitique, consiste à soumettre une pièce de fonte moulée ou corroyée se trouvant à une température située dans le domaine austénitique, à un refroidissement rapide jusqu'au domaine bainitique par immersion dans un milieu de trempe, à un maintien isotherme de la pièce moulée à une température du domaine bainitique, puis à une trempe jusqu'à la température ordinaire. Il est caractérisé en ce qu'une atmosphère fluide différente de l'air ambiant est créée autour de la pièce pendant son transfert vers le milieu de trempe. Cette atmosphère est avantageusement constituée par un mélange air-eau. The process according to the present invention, applied to the production of cast iron pieces with bainitic structure, consists in subjecting a cast or wrought cast iron piece located at a temperature situated in the austenitic domain, to rapid cooling until bainitic domain by immersion in a quenching medium, isothermal maintenance of the molded part at a bainitic domain temperature, then quenching to ordinary temperature. It is characterized in that a fluid atmosphere different from the ambient air is created around the part during its transfer to the quenching medium. This atmosphere is advantageously constituted by an air-water mixture.

Dans un mode de réalisation du procédé de la présente invention appliqué à l'élaboration d'une pièce de fonte à structure bainitique, on réchauffe une pièce de fonte moulée jusqu'à une température Tg du domaine austénitique, puis on la fait passer à travers l'atmosphère fluide pour la transférer dans le milieu de trempe dans lequel sa température va descendre jusqu'à une valeur située dans le domaine bainitique, puis on la maintient à cette température. In an embodiment of the process of the present invention applied to the production of a cast iron piece with bainitic structure, a cast iron cast piece is heated to a temperature Tg of the austenitic domain, then it is passed through the fluid atmosphere to transfer it to the quenching medium in which its temperature will drop to a value located in the bainitic domain, then it is maintained at this temperature.

Dans un autre mode de réalisation du procédé de la présente invention appliqué à l'élaboration d'une pièce de fonte à structure bainitique, on utilise à la place d'une pièce réchauffée, une pièce moulée obtenue après une procédure de décochage à chaud, pièce que l'on laisse refroidir jusqu'à une température du domaine austénitique. In another embodiment of the process of the present invention applied to the production of a piece of cast iron with a bainitic structure, instead of a heated piece, a molded piece obtained after a hot peeling procedure is used, part which is allowed to cool down to a temperature of the austenitic domain.

Dans un mode de réalisation préféré du procédé de la présente invention appliqué à l'élaboration d'une pièce de fonte à structure bainitique, le milieu de trempe et le milieu de maintien isotherme sont constitués par des lits fluidisés séparés. Ils peuvent toutefois avoir la même composition. Le combinaison de l'atmosphère fluide et de lits fluidisés séparés permet de conserver les avantages de la trempe étagée en lit fluidisé de l'art antérieur tout en supprimant les inconvénients liés aux faibles échanges thermiques. In a preferred embodiment of the process of the present invention applied to the production of a cast iron piece with bainitic structure, the quenching medium and the isothermal holding medium are constituted by separate fluidized beds. They can however have the same composition. The combination of the fluid atmosphere and separate fluidized beds makes it possible to retain the advantages of the stepped quenching in a fluidized bed of the prior art while eliminating the drawbacks associated with low heat exchanges.

Le procédé de la présente invention est particulièrement utile pour l'obtention de fontes à structure bainitique peu ou faiblement alliées, ou pour l'obtention de pièces ayant un diamètre critique plus élevé. Il peut être appliqué à des piè ces moulées et à des pièces corroyées, en alliage ferreux ou non ferreux.  The process of the present invention is particularly useful for obtaining cast irons with a low or weakly alloyed bainitic structure, or for obtaining parts having a larger critical diameter. It can be applied to molded parts and wrought parts, ferrous or non-ferrous alloy.

Claims (9)

REVENDICATIONS 1. Procédé de traitement d'une pièce en alliage ferreux ou en alliage non ferreux, au cours duquel l'alliage se trouvant à haute température est soumis à une trempe, caractérisé en ce qu'une atmosphère fluide biphasique gaz-liquide différente de l'air ambiant est créée autour de la pièce pendant son transfert vers le milieu de trempe. 1. A method of treating a piece of ferrous alloy or non-ferrous alloy, during which the alloy being at high temperature is subjected to quenching, characterized in that a biphasic gas-liquid fluid atmosphere different from l ambient air is created around the part during its transfer to the quenching medium. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'atmosphère fluide est un mélange air-eau. 2. Method according to claim 1, characterized in that the fluid atmosphere is an air-water mixture. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'atmosphère fluide est créée par pulvérisation ou par soufflage. 3. Method according to claim 1, characterized in that the fluid atmosphere is created by spraying or by blowing. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est mis en oeuvre lors d'un traitement thermique, d'un traitement thermo-mécanique ou d'un traitement de vieillissement de pièces en alliage non ferreux, moulées ou corroyées, après maintien préalable des pièces à haute température. 4. Method according to claim 1, characterized in that it is implemented during a heat treatment, a thermomechanical treatment or an aging treatment of non-ferrous alloy parts, molded or wrought, after keeping the parts at high temperature. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est mis en oeuvre lors d'un traitement thermique ou d'un traitement thermo-mécanique de pièces en alliage ferreux, moulées ou corroyées. 5. Method according to claim 1, characterized in that it is implemented during a heat treatment or a thermo-mechanical treatment of ferrous alloy parts, molded or wrought. 6. Procédé selon la revendication 5, appliqué à l'élaboration de fonte à structure bainitique, caractérisé en ce qu'il consiste à soumettre une pièce de fonte moulée se trouvant à une température située dans le domaine austénitique, à un refroidissement rapide jusqu'au domaine bainitique par immersion dans un milieu de trempe, à un maintien isotherme de la pièce moulée à une température du domaine bainitique, puis à une trempe jusqu'à la température ordinaire, une atmosphère fluide différente de l'air ambiant étant créée autour de la pièce pendant son transfert vers le milieu de trempe. 6. Method according to claim 5, applied to the production of cast iron with bainitic structure, characterized in that it consists in subjecting a cast iron piece being at a temperature located in the austenitic region, to rapid cooling until to the bainitic domain by immersion in a quenching medium, to an isothermal maintenance of the molded part at a temperature of the bainitic domain, then to quenching to ordinary temperature, a fluid atmosphere different from the ambient air being created around the part during its transfer to the quenching medium. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la pièce de fonte moulée est une pièce de fonte moulée préalablement réchauffée jusqu'à une température Tg du domaine austénitique. 7. Method according to claim 6, characterized in that the molded piece of cast iron is a molded piece of cast iron previously heated to a temperature Tg of the austenitic domain. 8. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la pièce de fonte moulée est une pièce moulée obtenue après une procédure de décochage à chaud, pièce que l'on laisse refroidir jusqu'à une température Tg du domaine austénitique. 8. Method according to claim 6, characterized in that the cast iron part is a molded part obtained after a hot peeling procedure, part which is allowed to cool to a temperature Tg of the austenitic domain. 9. Procédé selon la revendication 5, appliqué à l'élaboration de fonte à structure bainitique, caractérisé en ce qu'il consiste à soumettre une pièce de fonte corroyée se trouvant à une température située dans le domaine austénitique, à un refroidissement rapide jusqu'au domaine bainitique par immersion dans un milieu de trempe, à un maintien isotherme de la pièce moulée à une température du domaine bainitique, puis à une trempe jusqu'à la température ordinaire, une atmosphère fluide différente de l'air ambiant étant créée autour de la pièce pendant son transfert vers le milieu de trempe.  9. Method according to claim 5, applied to the production of cast iron with bainitic structure, characterized in that it consists in subjecting a piece of wrought iron found at a temperature located in the austenitic region, to rapid cooling until to the bainitic domain by immersion in a quenching medium, to an isothermal maintenance of the molded part at a temperature of the bainitic domain, then to quenching to ordinary temperature, a fluid atmosphere different from the ambient air being created around the part during its transfer to the quenching medium.
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