WO2003100107A1 - Procede d'elaboration et de mise en forme de pieces en fonte a graphite spheroidal a caracteristiques mecaniques elevees - Google Patents

Procede d'elaboration et de mise en forme de pieces en fonte a graphite spheroidal a caracteristiques mecaniques elevees Download PDF

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bainitic
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Daniel Labbe
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Technologica
Ateliers Des Janves
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    • C22C37/10—Cast-iron alloys containing aluminium or silicon
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C37/00—Cast-iron alloys
    • C22C37/04—Cast-iron alloys containing spheroidal graphite

Definitions

  • the present invention relates to a process for developing and shaping spheroidal graphite cast iron parts with high mechanical characteristics and the cast iron as obtained by the implementation of the process.
  • the invention relates to a method of developing and shaping parts of high tenacity spheroidal graphite cast iron, that is to say of high mechanical strength.
  • high toughness it is typically understood to mean cast irons having a tensile strength which is established between 1000 and 1700 Mpa, a yield strength to tensile strength ratio Rp0.2 / Rm> 0.68 and an elongation at break which is between about 4% and 14%.
  • the evolution of certain techniques requires the availability of cast irons or more generally of materials with high characteristics capable of withstanding increasingly high mechanical stresses. This is particularly the case in the automotive industry with the increase in the performance of motor vehicle engines which itself increases the level of stress on the various components of the mechanical components. Many grades of cast iron are currently available for these mechanical applications.
  • the invention relates to a process for developing and shaping spheroidal graphite cast iron parts with high mechanical characteristics, which is characterized in that it comprises the following stages: a) A mixture is prepared with the liquid state having the following composition by weight: 3 to 4% of C; 1.7 to 3% Si; 0.1 to 0.7% of Mn; 0 to 4% Ni; 0 to 1.5% Cu; 0 to 0.5% of Mo, with a residual Mg content adapted to the thickness of the parts of between 0.025% and 0.080%, the rest being iron and impurities resulting from the production; the impurities are in particular the S whose content is less than 0.015% and the P whose content is less than 0.10%; b) This mixture is poured in the liquid state at a temperature between 1350 ° C and 1550 ° C in a mold making it possible to obtain an approximate shape of the part called the blank of the part; c) extracting said blank from the mold part at a temperature Ts between the solidus and AR3, the solidus
  • the term "quenching” or "stepped bainitic quenching” is used, here and throughout the following, in the broad sense, that is to say that it is a sufficiently rapid cooling to obtain a structure which n is practically not ferritic-pearlitic and which is practically not martensitic either.
  • the bainitic quenching or stepped quenching is intended to give the part an essentially bainitic structure, that is to say made up of more than 50% of bainite.
  • the cooling rate corresponding to the bainitic stepped quenching is between 15 ° C / sec and 150 ° C / sec.
  • Ts the successive stages necessary for the production of the cast iron part from the casting stage to the cooling stage of the part at room temperature, are carried out in the hot melt, that is to say without intermediate heating between said steps.
  • These two embodiments of the method of the invention without intermediate reheating between the successive stages necessary for the production of the cast iron part are particularly effective in terms of energy consumed compared to the conventional methods of shaping and heat treatment. They are therefore particularly economical for producing spheroidal graphite cast iron with high mechanical characteristics.
  • step c) and step d) there is a practice, between step c) and step d), that is to say between the exit from the blank of the mold and the shaping by hot plastic deformation thereof, a complementary step where the blank is kept at a temperature Tm higher than the forging temperature Tf from 20 ° C to 50 ° C for a period of between 10 min and 60 min so as to ensuring temperature uniformity inside the blank, this when the outlet temperature Ts of the mold blank is higher than the temperature Tf desired for forging; or when the outlet temperature Ts of the blank of the mold is lower than the temperature Tf desired for forging, the blank is heated and maintained at the temperature Tm higher by 20 ° C to 50 ° C than the forging temperature Tf for a period of between 10 min and 60 min.
  • step e) intended to carry out a direct bainitic stepped quenching is replaced by one of the following two treatments:
  • the part is cooled down to the intercritical range at a temperature Tir between AR1 + 20 ° C and AR3, it is maintained at this temperature Tir for a period of between 15 min and 60 min to allow homogenization of the structure and a bainitic stepped quenching is carried out at a temperature Tb situated in the bainitic domain and the part is kept at the temperature Tb for a duration tb;
  • the part is allowed to cool below the temperature AR1, then the part is heated and it is maintained at a temperature Tic between AC1 + 20 ° C and AC3, that is to say in the intercritical domain of the composition of the cast iron for a period of between 30 min and 180 min to allow homogenization of the structure and a bainitic stepped quenching is carried out at a temperature Tb located in the bainitic domain and the part is kept at the temperature Tb for a duration tb.
  • AR1, AR3, AC1, AC3 representing the limits of the critical interval, also called intercritical domain, of said composition measured respectively on cooling (index R) and on heating (index C);
  • the Tic or Fire temperature for maintaining in the intercritical domain or critical interval being between 740 ° C. and 850 ° C., depending on the composition of cast iron considered.
  • Treatment 2 which is less energy efficient than treatment 1) is however preferable because it allows easier adjustment of the structure of the cast iron in terms of ferrite and austenite levels before the bainitic stepped quenching.
  • This embodiment of the invention with treatment in the intercritical field prior to the bainitic stepped quenching makes it possible to reduce the hardness obtained on the parts and thus makes it possible to facilitate their subsequent machining, when this is the case; it also promotes a very high toughness of the material by the presence of a higher proportion of ferrite in the structure obtained on the cast iron after bainitic stepped quenching.
  • step e) consisting in carrying out a bainitic stepped quenching is preceded by a maintenance treatment at a temperature between 950 ° c and 900 ° c for a period between 15 min and 60 min intended to homogenize the different parts of the part in temperature and therefore in chemical composition before the following bainitic steep quenching treatment.
  • an additional step of cold calibration of the part is added after step f) of cooling to room temperature of the part, which is carried out between at least two dies to the shapes of the finished part to improve the dimensional accuracy of the latter and to increase the mechanical characteristics and the fatigue strength of the material of the part by surface hardening; prior to this cold calibration operation, a shot peening is carried out which is used to remove the scale and to generate compressive stresses on the surface making it possible to further strengthen the work hardening effect due to the calibration.
  • the process for developing and shaping spheroidal graphite cast iron parts according to the invention in its various embodiments makes it possible to obtain a cast iron whose structure can be essentially bainitic or present a structure made up of two varieties of ferrite : ferrite I and ferrite II and austenite, ferrite I being that which results from the stay in the critical interval at temperature Tir or Tic and ferrite II that resulting from treatment in the bainitic domain at temperature Tb, and whose mechanical characteristics at 20 ° C are typically a tensile strength Rm of between 1000 MPa and 1700 MPa, a yield strength to tensile strength ratio: Rp0.2 / Rm greater than 0.68, a coefficient of elongation at break between 4% and 14%.
  • the Tic or Fire temperature for maintaining in the intercritical range or critical interval is between 740 ° and 850 ° C., depending on the composition of cast iron considered.
  • the term “hot plastic deformation” designates in all of the above and in all that follows a deformation, the rate of which is generally in the range 2% to 60%.
  • the best results obtained for a good resistance-toughness compromise correspond to hot plastic deformation rates of between 20% and 50% depending on the forging temperatures used between 1050 ° C and AR3 of the cast iron, because above 50% a significant deformation of the graphite nodules is observed which is detrimental to the mechanical characteristics.
  • the deformation rates indicated here are defined as being the difference between the initial thickness of the part section subjected to crushing forging and the final thickness of the latter after forging, relative to the initial thickness of said part section and multiplied by 100 to express the result in percent.
  • hot plastic deformation or the term “forging” designates in all of the above and in everything that mainly follows a stamping operation at a temperature higher than AC3 or AR3 of the said composition of the cast iron, but designates also other hot plastic deformation modes carried out at a temperature higher than AC3 or AR3 of said composition of the cast iron such as free forging, stamping, rolling, hydroforming or others.
  • the blank of the molded part which is an approximate shape of the part, has at least one of these dimensions greater than that of the part itself for allow said plastic deformation to be hot.
  • the mold used for the casting of the part blank is a permanent mold made up of at least two half metal parts coated with a coating, however the mold can also be semi-permanent in sand made up of at least two shell mold parts in sand placed in a metallic mold or also be a non-permanent mold in chemical sand or green-silica-clay sand.
  • the blank of the part In the case of the use of sand molds, the blank of the part must be hot brushed or hot sandblasted to get rid of the adhering grains of sand, before the forging operation.
  • the bainitic stepped quenching temperature Tb is between 260 ° C and 420 ° C.
  • this temperature Tb is chosen between 260 ° C and 300 ° C when a high Rp0.2 / Rm ratio is sought with a high tensile strength Rm also; conversely, when a tensile strength Rm close to 1000 MPa or 1100 MPa is sought, Tb is then chosen greater than 300 ° C.
  • the duration tb of maintaining at temperature Tb of bainitic staged quenching should preferably be between 60 min and 180 min.
  • the invention therefore also relates to a spheroidal graphite cast iron with high mechanical characteristics developed and shaped according to the method of the invention, the structure of which is essentially bainitic and the mechanical characteristics of which at 20 ° C. are:
  • the invention relates to a spheroidal graphite cast iron with high mechanical characteristics developed and shaped according to the method of the invention, the structure of which is composed of two varieties of ferrite: ferrite I and ferrite II, and austenite, the ferrite I being that which results from the stay in the critical interval at temperature Tir or Tic and ferrite II being that which results from treatment in the bainitic domain at temperature Tb, and whose mechanical characteristics at 20 ° c are :
  • the present invention is particularly suitable, without being restrictive, for the manufacture of mechanical parts of an automobile engine such as connecting rods for example or other moving parts of the engine.
  • the rods in spheroidal graphite cast iron with high mechanical characteristics developed and shaped according to the process of the invention can allow better energy efficiency at engine and therefore a gain in fuel consumption of the latter.
  • these different cast irons marked 1 to 4 were developed, here in an electric induction furnace, treated with ferro-silico-magnesium and were poured between 1460 ° c and 1500 ° c in a metal mold regulated at 280 ° C and coated with a protective coating.
  • the blanks of test pieces were extracted from the mold at a temperature which always remained included during the tests between 1000 ° C. and 980 ° C. and placed immediately in a fluidized bed bath of silica sand regulated at a temperature of 980 ° C so as to ensure the same forging temperature for each blank.
  • the blanks were removed one after the other every 10 sec. approximately and were shaped by hot plastic deformation by stamping between 2 dies comprising the hollow shape of the test piece. Each blank was thus plastically deformed at a temperature between 960 ° C and 940 ° C by stamping to bring the final section of each test piece to 20mm x 10mm.
  • each test piece underwent a press deburring operation and was immediately placed in a fluidized bed bath of zircon sand regulated at a temperature of 300 ° C. and of a volume large enough to guarantee a variation in temperature. fluidized bed below 5 ° C during the immersion of the different test pieces every 10 seconds approximately.
  • Each test piece thus underwent a bainitic stepped quenching at the temperature of 300 ° C. and was maintained at this temperature in the fluidized bed for a period of 110 min at the end of which each test piece was removed from the fluidized bed bath and allowed to cool to air up to room temperature according to the invention.
  • test pieces were immediately placed in a fluidized bed regulated at the Tic temperature of 810 ° C, located in the intercritical range and between Acl + 20 ° C and AC3 for a duration of 60 min at the end of which the test pieces were soaked in the bainitic domain in the fluidized bed regulated at the temperature Tb of 300 ° C. and maintained at this temperature for a duration of 110 min, in accordance with the test previous and strictly under the same conditions.
  • the test pieces were removed from the fluidity bed bath and allowed to cool in air to room temperature, in accordance with the invention.
  • the table in Figure 2 shows the results obtained. This table shows that the expected mechanical characteristics are effectively obtained, that is to say:

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Abstract

L'invention concerne un procédé d'élaboration et de mise en forme de pièces en fonte à graphite sphéroïdal à caractéristiques mécaniques élevées. Le procédé comprend les étapes suivantes: a) On prépare un mélange à l'état liquide ayant la composition pondérale suivante: 3 à 4% de C; 1.7 à 3% de Si; 0.1 à 0.7% de Mn; 0 à 4% de Ni; 0 à 1.5% de Cu; 0 à 0.5% de Mo, avec une teneur en Mg résiduel adaptée à l'épaisseur des pièces comprise entre 0.025% et 0.080%, le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration; les impuretés sont notamment, le S dont la teneur est inférieure à 0.015% et le P dont la teneur est inférieure à 0.10%; b) On coule ce mélange à l'état liquide à une température comprise entre 1350 °C et 1550 °C dans un moule permettant d'obtenir une forme approchée de la pièce appelée ébauche de la pièce; c) On extrait ladite ébauche de la pièce du moule à une température Ts comprise entre le solidus et AR3, le solidus et AR3 représentant les températures limites due domaine austénitique de ladite composition; d) On met en forme par déformation plastique à chaud directement dans la chaude coulée, l'ébauche de la pièce pour obtenir la pièce dans sa forme et ses dimensions finales, à la température Tf comprise entre 1050 °c et AR3; e) On trempe ladite pièce directement dans la chaude de formage à une température Tb située dans le domaine bainitique et on maintient celle-ci à la dite température Tb pendant une durée tb; et f) On refroidit ladite pièce à la température ambiante. Fonte à graphite sphéroïdal à caractéristiques mécaniques élevées élaborée et mise en forme selon l'invention.

Description

PROCEDE D'ELABORATION ET DE MISE EN FORME DE PIECES EN FONTE A GRAPHITE SPHEROIDAL A CARACTERISTIQUES MECANIQUES ELEVEES
La présente invention a pour objet un procédé d'élaboration et de mise en forme de pièces en fonte à graphite sphéroïdal à caractéristiques mécaniques élevées et la fonte telle qu'obtenue par la mise en oeuvre du procédé.
De façon plus précise, l'invention concerne un mode d'élaboration et de mise en forme de pièces en fonte à graphite sphéroïdal à haute ténacité, c'est à dire à résistance mécanique élevée. Par haute ténacité, il faut entendre typiquement des fontes présentant une résistance à la traction qui s'établit entre 1000 et 1700 Mpa un rapport limite d'élasticité sur résistance à la traction Rp0.2/Rm > 0.68 et un allongement à la rupture qui est compris entre 4% et 14% environ. L'évolution de certaines techniques impose de disposer de fontes ou plus généralement de matériaux à hautes caractéristiques capables de résister aux sollicitations mécaniques de plus en plus élevées. C'est en particulier le cas dans le domaine de l'industrie automobile avec l'augmentation des performances des moteurs des véhicules automobiles qui entraîne elle- même l'élévation du niveau des sollicitations des divers composants des organes mécaniques. Actuellement de nombreuses nuances de fonte moulée sont disponibles pour ces applications mécaniques. Elles représentent des gammes très diversifiées de caractéristiques adaptées à divers types de sollicitation et elles constituent souvent des matériaux concurrents d'autres matériaux et en particulier d'aciers forgés à haute performance pour la fabrication d'organes soumis à des sollicitations très importantes. Cependant, pour certaines applications, les contraintes économiques du fait de la concurrence sont de plus en plus sévères et il est donc particulièrement intéressant de pouvoir étendre la gamme de matériaux de construction qui puissent satisfaire aux conditions très sévères d'utilisation et qui répondent à l'attente des constructeurs pour réaliser différentes pièces. Pour atteindre ce but, l'invention concerne un procédé d'élaboration et de mise en forme de pièces en fonte à graphite sphéroïdal à caractéristiques mécaniques élevées qui se caractérise en ce qu'il comprend les étapes suivantes : a) On prépare un mélange à l'état liquide ayant la composition pondérale suivante : 3 à 4 % de C ; 1.7 à 3 % de Si ; 0.1 à 0.7 % de Mn ; 0 à 4 % de Ni ; 0 à 1.5% de Cu ; 0 à 0.5 % de Mo, avec une teneur en Mg résiduel adaptée à l'épaisseur des pièces comprise entre 0.025 % et 0.080 %, le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration ; les impuretés sont notammen le S dont la teneur est inférieure à 0.015 % et le P dont la teneur est inférieure à 0.10 % ; b) On coule ce mélange à l'état liquide à une température comprise entre 1350°C et 1550°C dans un moule permettant d'obtenir une forme approchée de la pièce appelée ébauche de la pièce ; c) On extrait ladite ébauche de la pièce du moule à une température Ts comprise entre le solidus et AR3, le solidus et AR3 représentant les températures limites du domaine austénitique de ladite composition ; d) On met en forme par déformation plastique à chaud directement dans la chaude de coulée, l'ébauche de la pièce pour obtenir la pièce dans sa forme et ses dimensions finales, à la température Tf comprise entre 1050°C et AR3 ; e) On trempe ladite pièce directement dans la chaude de formage à une température Tb située dans le domaine bainitique et on maintient celle-ci à la dite température Tb pendant une durée tb ; et f) On refroidit ladite pièce à la température ambiante.
Le terme « trempe » ou « trempe étagée bainitique » est utilisé, ici et dans toute la suite, au sens large, c'est-à-dire qu'il s'agit d'un refroidissement suffisamment rapide pour obtenir une structure qui n'est pratiquement pas ferrito-perlitique et qui n'est pratiquement pas non plus martensitique. La trempe ou trempe étagée bainitique, est destinée à conférer à la pièce une structure essentiellement bainitique, c'est-à-dire constituée de plus de 50% de bainite.
Pour les nuances de fonte mises en oeuvre selon ladite composition, la vitesse de refroidissement correspondant à la trempe étagée bainitique est comprise entre 15°C /sec et 150°C /sec. Dans ce premier mode de réalisation du procédé selon l'invention et également dans celui qui suit lorsque Ts est supérieure à Tf, toutes les étapes successives nécessaires à la réalisation de la pièce en fonte depuis l'étape de coulée jusque l'étape de refroidissement de la pièce à la température ambiante, sont réalisées dans la chaude de coulée c'est-à-dire sans réchauffage intermédiaire entre les dites étapes. Ces deux modes de réalisation du procédé de l'invention sans réchauffage intermédiaire entre les étapes successives nécessaires à la réalisation de la pièce en fonte sont particulièrement performants au niveau énergie consommée part rapport aux procédés classiques de mise en forme et de traitement thermique. Ils sont donc particulièrement économiques pour produire une fonte à graphite sphéroïdal à caractéristiques mécaniques élevées . Dans un autre mode de réalisation du procédé selon l'invention, on pratique, entre l'étape c) et l'étape d) c'est-à-dire entre la sortie de l'ébauche du moule et la mise en forme par déformation plastique à chaud de celle-ci, une étape complémentaire où on maintient l'ébauche à une température Tm supérieure à la température de forgeage Tf de 20°C à 50°C pendant une durée comprise entre 10 min et 60 min de façon à assurer une homogénéité de température à l'intérieur de l'ébauche,ceci lorsque la température Ts de sortie de l'ébauche du moule est supérieure à la température Tf souhaitée pour le forgeage ; ou lorsque la température Ts de sortie de l'ébauche du moule est plus faible que la température Tf souhaitée pour le forgeage on réchauffe et on maintient l'ébauche à la température Tm supérieure de 20°C à 50°C à la température de forgeage Tf pendant une durée comprise entre 10 min et 60 min . Dans un autre mode de réalisation du procédé selon l'invention, l'étape e) destinée à réaliser une trempe étagée bainitique directe, est remplacée par l'un des deux traitements suivants :
1) après déformation plastique à chaud, on refroidit la pièce jusque dans le domaine intercritique à une température Tir comprise entre AR1+20°C et AR3, on la maintient à cette température Tir pendant une durée comprise entre 15 min et 60 min pour permettre une homogénéisation de la structure et on réalise une trempe étagée bainitique à une température Tb située dans le domaine bainitique et on maintient la pièce à la température Tb pendant une durée tb ;
2) après déformation plastique à chaud, on laisse refroidir la pièce en dessous de la température ARl, puis on réchauffe la pièce et on la maintient à une température Tic comprise entre AC1+20°C et AC3 c'est-à-dire dans le domaine intercritique de la composition de la fonte pendant une durée comprise entre 30 min et 180 min pour permettre une homogénéisation de la structure et on réalise une trempe étagée bainitique à une température Tb située dans le domaine bainitique et on maintient la pièce à la température Tb pendant une durée tb .
ARl, AR3, AC1, AC3 représentant les limites de l'intervalle critique, appelé aussi domaine intercritique, de ladite composition mesurées respectivement au refroidissement (indice R) et au chauffage (indice C) ; La température Tic ou Tir de maintien dans le domaine intercritique ou intervalle critique, étant comprise entre 740°C et 850°C, selon la composition de fonte considérée.
Le traitement 2) moins économe sur le plan énergétique que le traitement 1) est cependant préférable car il permet un réglage plus facile de la structure de la fonte au niveau taux de ferrite et taux d'austénite avant la trempe étagée bainitique. Ce mode de réalisation de l'invention avec traitement dans le domaine intercritique préalablement à la trempe étagée bainitique permet de diminuer la dureté obtenue sur les pièces et permet ainsi de faciliter leur usinage ultérieur, quand c'est le cas ; il favorise aussi une très haute ténacité du matériau par la présence d'une plus grande proportion de ferrite dans la structure obtenue sur la fonte après trempe étagée bainitique. De fait la structure est constituée dans ce cas de deux variétés de ferrite, une ferrite I résultant du traitement dans le domaine intercritique et une ferrite II résultant du traitement dans le domaine bainitique, et d'austénite ; la ferrite II et l'austénite représentant la bainite. Dans un autre mode de réalisation du procédé selon l'invention l'étape e) consistant à réaliser une trempe étagée bainitique est précédée d'un traitement de maintien à une température comprise entre 950°c et 900°c pendant une durée comprise entre 15 min et 60 min destiné à homogénéiser les différentes parties de la pièce en température et donc en composition chimique avant le traitement de trempe étagée bainitique qui suit.
Dans un autre mode de réalisation du procédé selon l'invention enfin, on ajoute une étape complémentaire de calibrage à froid de la pièce après l'étape f) de refroidissement à la température ambiante de la pièce, qui est réalisée entre deux matrices au moins aux formes de la pièce finie pour améliorer la précision dimensionnelle de celle-ci et augmenter les caractéristiques mécaniques et la tenue en fatigue du matériau de la pièce par ecrouissage de surface ; préalablement à cette opération de calibrage à froid on effectue un grenaillage qui sert à enlever la calamine et à engendrer des contraintes de compression en surface permettant de renforcer encore l'effet d'écrouissage dû au calibrage.
Le procédé d'élaboration et de mise en forme de pièces en fonte à graphite sphéroïdal selon l'invention dans ses différents modes de réalisation permet d'obtenir une fonte dont la structure peut être essentiellement bainitique ou présenter une structure constituée de deux variétés de ferrite : ferrite I et ferrite II et d'austénite, la ferrite I étant celle qui résulte du séjour dans l'intervalle critique à la température Tir ou Tic et la ferrite II celle qui résulte du traitement dans le domaine bainitique à la température Tb, et dont les caractéristiques mécaniques à 20°C sont typiquement une résistance à la traction Rm comprise entre 1000 MPa et 1700 MPa, un rapport limite d'élasticité sur résistance à la traction : Rp0.2/Rm supérieur à 0.68, un coefficient d'allongement à la rupture compris entre 4% et 14%. La température Tic ou Tir de maintien dans le domaine intercritique ou intervalle critique, est comprise entre 740° et 850° C, selon la composition de fonte considérée. Le terme « déformation plastique à chaud » désigne dans tout ce qui précède et dans tout ce qui suit une déformation dont le taux se situe globalement dans la plage 2% à 60%.
Les meilleurs résultats obtenus pour un bon compromis résistance - ténacité correspondent à des taux de déformation plastique à chaud compris entre 20% et 50% selon les températures de forgeage utilisées entre 1050°C et AR3 de la fonte, car au-delà de 50% on observe une déformation importante des nodules de graphite préjudiciable aux caractéristiques mécaniques. Les taux de déformation indiqués ici sont définis comme étant la différence entre l'épaisseur initiale de la section de pièce soumise au forgeage par écrasement et l'épaisseur finale de celle-ci après forgeage, rapportée à l'épaisseur initiale de ladite section de pièce et multipliée par 100 pour exprimer le résultat en pourcent. Le terme « déformation plastique à chaud » ou le terme « forgeage » désigne dans tout ce qui précède et dans tout ce qui suit principalement une opération d'estampage à une température supérieure à AC3 ou AR3 de la dite composition de la fonte, mais désigne aussi d'autres modes de déformation plastique à chaud réalisés à une température supérieure à AC3 ou AR3 de la dite composition de la fonte comme le forgeage libre, le matriçage, le laminage, l'hydroformage ou autres.
Pour réaliser cette déformation plastique à chaud dans le cadre de l'invention il est nécessaire que l'ébauche de la pièce moulée qui est une forme approchée de la pièce, possède au moins une de ces dimensions supérieure à celle de la pièce proprement dite pour permettre ladite déformation plastique à chaud.
De préférence, le moule utilisé pour la coulée de l'ébauche de pièce est un moule permanent constitué d'au moins deux demi parties métalliques revêtues d'un poteyage, cependant le moule peut aussi être semi permanent en sable constitué d'au moins deux parties de moule carapace en sable placées dans un moule métallique ou être aussi un moule non permanent en sable chimique ou en sable à vert silico-argileux.
Dans le cas de l'utilisation de moules en sable, l'ébauche de la pièce doit être brossée à chaud ou sablée à chaud pour la débarrasser des grains de sable adhérents, avant l'opération de forgeage.
La température Tb de trempe étagée bainitique est comprise entre 260°C et 420°C. De préférence cette température Tb est choisie entre 260°C et 300°C lorsque on recherche un rapport Rp0.2/Rm élevé avec une résistance à la traction Rm élevée également ; à l'inverse lorsque on recherche une résistance à la traction Rm voisine de 1000 MPa ou 1100 MPa on choisit alors Tb supérieure à 300 °C.
Pour obtenir une structure correctement formée, contenant de la bainite constituée de ferrite et d'austénite saturée en carbone, la durée tb de maintien à la température Tb de trempe étagée bainitique doit être comprise de préférence entre 60 min et 180 min.
L'invention concerne donc également une fonte à graphite sphéroïdal à caractéristiques mécaniques élevées élaborée et mise en forme selon le procédé de l'invention dont la structure est essentiellement bainitique et dont les caractéristiques mécaniques à 20°c sont :
- Résistance à la traction Rm : 1000 MPa < Rm < 1700 MPa
- Rapport limite d'élasticité Rp0.2 sur résistance à la traction Rm : Rp0.2 / Rm ≥ 0.68
- Allongement à la rupture A : 4% < A < 14%. L'invention concerne enfin une fonte à graphite sphéroïdal à caractéristiques mécaniques élevées élaborée et mise en forme selon le procédé de l'invention, dont la structure est composée de deux variétés de ferrite :ferrite I et ferrite II, et d'austénite, la ferrite I étant celle qui résulte du séjour dans l'intervalle critique à la température Tir ou Tic et la ferrite II étant celle qui résulte du traitement dans le domaine bainitiqu.e à la température Tb, et dont les caractéristiques mécaniques à 20°c sont :
- Résistance à la traction Rm : 1000 MPa < Rm < 1700 MPa
- Rapport limite d'élasticité Rp0.2 sur résistance à la traction Rm : Rp0.2 / Rm > 0.68 - Allongement à la rupture A : 4% < A < 14%.
La présente invention est particulièrement adaptée, sans que cela soit restrictif, à la fabrication de pièces mécaniques de moteur automobile comme les bielles par exemple ou autres pièces en mouvement du moteur. Plus légères et à caractéristiques mécaniques égales voire supérieures à l'acier forgé actuellement utilisé sur les moteurs, les bielles en fonte à graphite sphéroïdal à caractéristiques mécaniques élevées élaborées et mises en forme selon le procédé de l'invention peuvent permettre un rendement énergétique meilleur au moteur et donc un gain de consommation en carburant de ce dernier.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit de deux modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemple non limitatif.
On a fait des essais sur différentes éprouvettes en fonte à graphite sphéroïdal dont les compositions sont les suivantes :
Figure imgf000008_0001
Conformément à l'invention ces différentes fontes repérées 1 à 4 ont été élaborées, ici au four électrique à induction, traitées au ferro-silico-magnésium et ont été coulées entre 1460°c et 1500°c dans un moule métallique régulé à 280°C et revêtu d'un poteyage protecteur.
Sur chaque composition de fonte on a coulé cinq ébauches d'éprouvettes ayant la forme d'une plaque parallélépipédique dont les dimensions étaient les suivantes :
Repère de l'ébauche Section en mm Longueur en mm
A 20x10 150
B 20x12 150
C 20x15 * • 150
D 20x18 150
E 20x24 150
A chaque coulée d'un moule, un jeu complet d'ébauches d'éprouvettes était fabriqué. Quatre coulées par composition ont été réalisées. Conformément à un mode de réalisation de l'invention, les ébauches d'éprouvettes ont été extraites du moule à une température qui est toujours restée comprise lors des essais entre 1000°C et 980°C et placées immédiatement dans un bain à lit fluidisé de sable siliceux régulé à la température de 980°C de façon à assurer une même température de forgeage de chaque ébauche.
Dix minutes après avoir été placées dans le bain à lit fluidisé régulé à 980°C les ébauches étaient retirées l'une après l'autre toutes les 10 sec. environ et étaient mises en forme par déformation plastique à chaud par estampage entre 2 matrices comportant la forme en creux de l'éprouvette. Chaque ébauche était ainsi déformée plastiquement à une température comprise en 960°C et 940°C par estampage pour ramener la section finale de chaque eprouvette à 20mm x 10mm.
Dans ces conditions, le taux de déformation subi par chaque ébauche d'éprouvette a été le suivant :
Figure imgf000009_0001
Immédiatement après estampage, chaque eprouvette a subi une opération d'ébavurage à la presse et a été aussitôt placée dans un bain à lit fluidisé de sable de zircon régulé à la température de 300°C et de volume suffisamment grand pour garantir une variation de température du lit fluidisé inférieure à 5°C lors de l'immersion des différentes eprouvettes toutes les 10 secondes environ. Chaque eprouvette subissait ainsi une trempe étagée bainitique à la température de 300°C et était maintenue à cette température dans le lit fluidisé pendant une durée de 110 min à l'issue de laquelle chaque eprouvette était retirée du bain à lit fluidisé et laissée refroidir à l'air jusque la température ambiante conformément à l'invention.
Le tableau de la figure 1 montre les résultats obtenus. Ce tableau montre qu'on obtient effectivement les caractéristiques mécaniques escomptées c'est-à-dire :
- Résistance à la traction Rm : 1000 MPa < Rm < 1700 MPa ;
- Rapport limite d'élasticité Rp0.2 sur résistance à la traction Rm : Rp0.2 / Rm ≥ 0.68 ; - Allongement à la rupture A : 4% < A < 14% ; avec une structure essentiellement bainitique constituée de ferrite et d'austénite.
Une autre série d'essais a été entreprise conformément à un autre mode de réalisation de l'invention, avec la composition de fonte repère 2 : dans ce nouvel essai, les conditions d'élaboration des ébauches d'éprouvettes et des eprouvettes ont été conformes à l'essai précédent sauf qu'une étape complémentaire de maintien en température des eprouvettes dans le domaine intercritique a été réalisée entre l'opération d'estampage et ébavurage et l'opération de trempe étagée bainitique. De fait, après forgeage et ébavurage conformément à l'essai précédent, les eprouvettes ont été placées immédiatement dans un lit fluidisé régulé à la température Tic de 810° C, située dans le domaine intercritique et comprise entre Acl + 20°C et AC3 pendant une durée de 60 min à l'issue de laquelle les eprouvettes ont été trempées dans le domaine bainitique dans le lit fluidisé régulé à la température Tb de 300°C et maintenues à cette température pendant une durée de 110 min, conformément à l'essai précédent et rigoureusement dans les mêmes conditions. A l'issue de ce traitement de trempe étagée bainitique, les eprouvettes étaient retirées du bain à lit fluidité et laissées refroidir à l'air jusque la température ambiante, conformément à l'invention. Le tableau de la figure 2 montre les résultats obtenus. Ce tableau montre qu'on obtient effectivement les caractéristiques mécaniques escomptées c'est-à-dire :
- Résistance à la traction Rm : 1000 MPa < Rm < 1700 MPa ; - Rapport limite d'élasticité Rp0.2 sur résistance à la traction Rm : Rp0.2 / Rm > 0.68 ;
- Allongement à la rupture A : 4% < A < 14% ; avec une structure constituée de deux variétés de ferrite : une ferrite I résultant du maintien dans le domaine intercritique à la température Tic ou Tir et une ferrite II et de l'austénite, la ferrite II provenant du traitement dans le domaine bainitique réalisé à la température Tb .

Claims

REVENDICATIONS
1 - Procédé d'élaboration et de mise en forme de pièces en fonte à graphite sphéroïdal à caractéristiques mécaniques élevées qui se caractérise en ce qu'il comprend les étapes suivantes : a) On prépare un mélange à l'état liquide ayant la composition pondérale suivante : 3 à 4 % de C ; 1.7 à 3 % de Si ; 0.1 à 0.7 % de Mn ; 0 à 4 % de Ni ; 0 à 1.5% de Cu ; 0 à 0.5 % de Mo, avec une teneur en Mg résiduel adaptée à l'épaisseur des pièces comprise entre 0.025 % et 0.080 %, le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration ; les impuretés sont notamment,le S dont la teneur est inférieure à 0.015 % et le P dont la teneur est inférieure à 0.10 % ; b) On coule ce mélange à l'état liquide à une température comprise entre 1350°C et 1550°C dans un moule permettant d'obtenir une forme approchée de la pièce appelée ébauche de la pièce ; c) On extrait ladite ébauche de la pièce du moule à une température Ts comprise entre le solidus et AR3, le solidus et AR3 représentant les températures limites du domaine austénitique de ladite composition ; d) On met en forme par déformation plastique à chaud directement dans la chaude de coulée, l'ébauche de la pièce pour obtenir la pièce dans sa forme et ses dimensions finales, à la température Tf comprise entre 1050°C et AR3 ; e) On trempe ladite pièce directement dans la chaude de formage à une température Tb située dans le domaine bainitique et on maintient celle-ci à la dite température Tb pendant une durée tb ; et f) On refroidit ladite pièce à la température ambiante 2 - Procédé d'élaboration et de mise en forme de pièces en fonte à graphite sphéroïdal à caractéristiques mécaniques élevées qui se caractérise en ce qu'il comprend les étapes suivantes : a) On prépare un mélange à l'état liquide ayant la composition pondérale suivante : 3 à 4 % de C ; 1.7 à 3 % de Si ; 0.1 à 0.7 % de Mn ; 0 à 4 % de Ni ; 0 à 1.5% de Cu ; 0 à 0.5 % de Mo, avec une teneur en Mg résiduel adapté à l'épaisseur des pièces comprise entre 0.025 % et 0.080 %, le reste étant du fer et des impuretés résultant dé l'élaboration ; les impuretés sont notamment,le S dont la teneur est inférieure à 0.015 % et le P dont la teneur est inférieure à 0.10 % ; b) On coule ce mélange à l'état liquide à une température comprise entre 1350°C et 1550°C dans un moule permettant d'obtenir une forme approchée de la pièce appelée ébauche de la pièce ; c) On extrait ladite ébauche de la pièce du moule à une température Ts comprise entre le solidus et AR3, le solidus et AR3 représentant les températures limites du domaine austénitique de ladite composition ; c') on maintient l'ébauche à une température Tm supérieure à la température de forgeage Tf de 20°C à 50°C pendant une durée comprise entre 10 min et 60 min de façon à assurer une homogénéité de température à l'intérieur de l'ébauche; d) On met en forme par déformation plastique à chaud l'ébauche de la pièce pour obtenir la pièce dans sa forme et ses dimensions finales à la température Tf comprise entre 1050°C et AR3 ; e) On trempe ladite pièce directement dans la chaude de formage à une température
Tb située dans le domaine bainitique et on maintient celle-ci à la dite température Tb pendant une durée tb ; et f) On refroidit ladite pièce à la température ambiante.
3 - Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que lorsque la température Ts de sortie de l'ébauche du moule est plus faible que la température Tf souhaitée pour le forgeage on réchauffe et on maintient l'ébauche à la température Tm supérieure de 20°C à 50°C à la température de forgeage Tf pendant une durée comprise entre 10 min et 60 min, au cours de l'étape c').
4 - Procédé d'élaboration et de mise en forme de pièces en fonte à graphite sphéroïdal à caractéristiques mécaniques élevées qui se caractérise en ce qu'il comprend les étapes suivantes : a) On prépare un mélange à l'état liquide ayant la composition pondérale suivante : 3 à 4 % de C ; 1.7 à 3 % de Si ; 0.1 à 0.7 % de Mn ; 0 à 4 % de Ni ; 0 à 1.5% de Cu ; 0 à 0.5 % de Mo, avec une teneur en Mg résiduel adapté à l'épaisseur des pièces comprise entre 0.025 % et 0.080 %, le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration ; les impuretés sont notamment,le S dont la teneur est inférieure à 0.015 % et le P dont la teneur est inférieure à 0.10 % ; b) On coule ce mélange à l'état liquide à une température comprise entre 1350°C et 1550°C dans un moule permettant d'obtenir une forme approchée de la pièce appelée ébauche de la pièce ; c) On extrait ladite ébauche de la pièce du moule à une température Ts comprise entre le solidus et AR3, le solidus et AR3 représentant les températures' limites du domaine austénitique de ladite composition ; d) On met en forme par déformation plastique à chaud directement dans la chaude de coulée, l'ébauche de la pièce pour obtenir la pièce dans sa forme et ses dimensions finales, à la température Tf comprise entre 1050°C et AR3 ; e) on refroidit la pièce dans le domaine intercritique à une température Tir comprise entre ARl + 20°C et AR3, on maintient la pièce à cette température Tir pendant une durée comprise entre 15 min et 60 min pour permettre une homogénéisation de la structure et on réalise une trempe étagée bainitique à une température Tb située dans le domaine bainitique et on maintient la pièce à la température Tb pendant une durée tb, ARl, AR3, AC1, AC3 représentant les limites de l'intervalle critique ou du domaine intercritique de ladite composition mesurées respectivement au refroidissement (indice R) et au chauffage (indice C) ; et f) on refroidit ladite pièce à la température ambiante. 5 - Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que après la mise en forme de la pièce par déformation plastique à chaud de l'étape d) on laisse refroidir ladite pièce en dessous de la température ARl, puis on réchauffe la pièce et on la maintient à une température Tic comprise entre AC1+20°C et AC3 c'est-à-dire dans le domaine intercritique de la composition de la fonte pendant une durée comprise entre 30 min et 180 min pour permettre une homogénéisation de la structure et on réalise une trempe étagée bainitique à une température Tb située dans le domaine bainitique et on maintient la pièce à la température Tb pendant une durée tb , ARl, AR3, AC1, AC3 représentant les limites de l'intervalle critique de ladite composition mesurées respectivement au refroidissement (indice R) et au chauffage (indice C) ; et on refroidit ladite pièce à la température ambiante.
6 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'étape correspondant à la trempe étagée bainitique de la pièce à la température Tb est précédée d'une étape de traitement de maintien à une température comprise entre 950°C et 900°C pendant une durée comprise entre 15 min et 60 min destiné à homogénéiser en température les différentes parties de la pièce et donc en composition chimique avant le traitement de trempe étagée bainitique proprement dit.
7 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que on ajoute une étape complémentaire de calibrage à froid de la pièce après l'étape de refroidissement à la température ambiante de la pièce, réalisée entre deux matrices au moins aux formes de la pièce finie pour améliorer la précision dimensionnelle de celle-ci et augmenter les caractéristiques mécaniques et la tenue en fatigue du matériau de la pièce par ecrouissage de surface.
8 - Procédé selon la revendications 7 caractérisé en ce que préalablement à l'opération de calibrage à froid on effectue un grenaillage qui sert à enlever la calamine et à engendrer des contraintes de compression en surface permettant de renforcer encore l'effet d'écrouissage dû au calibrage. 9 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que le moule utilisé pour la coulée de l'ébauche de la pièce est de préférence un moule permanent constitué d'au moins deux demi-parties métalliques revêtues d'un poteyage.
10 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 caractérisé en ce que la vitesse de refroidissement correspondant à la trempe étagée bainitique est comprise entre
15°C /sec et l50°C /sec.
11 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 caractérisé en ce que la température Tic ou Tir de maintien dans le domaine intercritique ou intervalle critique, est comprise entre 740°C et 850° C. 12 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 caractérisé en ce que la déformation plastique à chaud réalisés à une température supérieure à AC3 ou AR3 de la dite composition de la fonte est principalement une opération d'estampage mais peut aussi être une opération de forgeage, de laminage, d' hydroformage ou autres.
13 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 12 caractérisé en ce que la déformation plastique à chaud est une déformation dont le taux se situe globalement dans la plage 2% à 60%.
14 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 13 caractérisé en ce que l'ébauche de la pièce moulée est une forme approchée de la pièce qui possède au moins une de ces dimensions supérieure à celle de la pièce proprement dite pour permettre ladite déformation plastique à chaud.
15 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 14 caractérisé en ce que La température Tb de trempe étagée bainitique est comprise entre 260°C et 420°C.
16 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 15 caractérisé en ce que la durée de maintien tb à la température Tb de trempe étagée bainitique est compris entre 60 min et 180 min.
17 - Fonte à graphite sphéroïdal à caractéristiques mécaniques élevées, ayant la composition pondérale suivante : 3 à 4 % de C ; 1.7 à 3 % de Si ; 0.1 à 0.7 % de Mn ; 0 à 4 % de Ni ; 0 à 1.5% de Cu ; 0 à 0.5 % de Mo, avec une teneur en Mg résiduel adapté à l'épaisseur des pièces comprise entre 0.025 % et 0.080 %, le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration ; les impuretés sont notamment,le S dont la teneur est inférieure à 0.015 % et le P dont la teneur est inférieure à 0.10 % , élaborée et mise en forme selon l'une quelconque des revendications 1 à 16 caractérisée' eri ce qu'elle a une structure essentiellement bainitique.
18 - Fonte à graphite sphéroïdal à caractéristiques mécaniques élevées, ayant la composition pondérale suivante : 3 à 4 % de C ; 1.7 à 3 % de Si ; 0.1 à 0.7 % de Mn ; 0 à
4 % de Ni ; 0 à 1.5% de Cu ; 0 à 0.5 % de Mo, avec une teneur en Mg résiduel adapté à l'épaisseur des pièces comprise entre 0.025 % et 0.080 %, le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration ; les impuretés sont notamment,le S dont la teneur est inférieure à 0.015 % et le P dont la teneur est inférieure à 0.10 % , élaborée et mise en forme selon l'une quelconque des revendications 1 à 16 caractérisée en ce qu'elle a une structure composée de deux variétés de ferrite et d'austénite. 19 - Pièce en fonte caractérisée en ce qu'elle est constituée d'une fonte à graphite sphéroïdal selon revendication 17 ou revendication 18.
20 - Procédé selon la revendications 1 ou la revendication 2 caractérisé en ce que toutes les étapes successives nécessaires à la réalisation de la pièce en fonte depuis l'étape de coulée jusque l'étape de refroidissement de la pièce à la température ambiante, sont réalisées dans la chaude de coulée c'est-à-dire sans réchauffage intermédiaire entre lesdites étapes.
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