Fonte malléable

Malléable ( latin temperare , modéré ' ) est une fonte de type paramètres qui en raison de leur composition chimique et du processus de solidification selon le diagramme fer-carbone du système métastable se solidifie le graphite et comme pour le moment dur , cassant se pose Temperrohguss dans le moule . Un traitement thermique ultérieur , la trempe , provoque une transformation structurelle . La cémentite dans la structure coulée ne se désagrège qu'après un temps de recuit particulièrement long . Le graphite résultant est connu sous le nom de carbone de trempe et se caractérise par sa forme nodulaire caractéristique. Du fait de cette forme, les paillettes de carbone trempées ne perturbent pas la relation entre la masse de base métallique et avec un effet d'entaille potentiel comme les lamelles de graphite en fonte à graphite lamellaire . C'est la principale raison pour laquelle la fonte malléable a de meilleures propriétés mécaniques que la fonte normale à graphite lamellaire et peut donc être décrite comme résistante et facilement usinable. La fonte malléable est divisée en fonte malléable noire et blanche en fonction de l'apparence de la cassure.

Fonte malléable

La structure de la fonte malléable est constituée de perlite et de lédéburite. Elle est obtenue en ajustant la composition chimique en fonction de l'épaisseur de paroi des pièces à couler. Pour tous les types de fonte malléable, la somme des teneurs en carbone et en silicium de 3,7 à 3,8 % est déterminante. Avec des teneurs élevées en silicium et dans des pièces fortes à refroidissement lent, le graphite est souvent précipité lors de la solidification. Ces lamelles, disposées comme des nids, entraînent une casse infecte. La température de piquage a une telle influence sur la macrostructure, car plus elle est élevée, plus les germes natifs ou étrangers sont fondus et le bain se solidifie de manière exogène . Des teneurs élevées en carbone (2,6%) provoquent également une solidification exogène de l'austénite primaire.

Fonte malléable blanche

standardisation

La fonte malléable blanche est normalisée en DIN 1692 (ancien) et en DIN EN 1562 (nouveau depuis 09.97). L'ancien nom court est GTW et le nouveau est GJMW. L'abréviation se compose de (EN-) GJ pour fonte, M pour ( fonte malléable : fonte de recuit ) et W pour ( blanc : blanc), entre autres, les propriétés mécaniques et/ou la composition chimique doivent être ajoutées à l'abréviation. Si nécessaire, des exigences supplémentaires peuvent être spécifiées, par exemple EN-GJMW-350. Cinq types sont enregistrés dans la norme DIN EN 1562 :

Abréviation *** numéro Diamètre de l'échantillon résistance minimale à la traction R m allongement minimal A 3.4 limite d'élasticité minimale R p0,2
EN-GJMW-350-4 (GTW-35-04) FR-JM1010 6 millimètres 270 N/mm² dix% ka *
9 mm 310N/mm² 5% ka
12 mm 350 N/mm² 4% ka
15 mm 360 N/mm² 3% ka
EN-GJMW-360-12 (GTW-S38-12) ** FR-JM1020 6 millimètres 280 N/mm² 16% ka *
9 mm 320N/mm² 15% 170N/mm²
12 mm 360 N/mm² 12% 190 N/mm²
15 mm 370N/mm² 7% 200N/mm²
EN-GJMW-400-5 (GTW-40-05) FR-JM1030 6 millimètres 300N/mm² 12% ka *
9 mm 360 N/mm² 8e % 200N/mm²
12 mm 400N/mm² 5% 220 N/mm²
15 mm 420N/mm² 4% 230 N/mm²
EN-GJMW-450-7 (GTW-45-07) FR-JM1040 6 millimètres 330 N/mm² 12% ka *
9 mm 400N/mm² dix% 230 N/mm²
12 mm 450N/mm² 7% 260 N/mm²
15 mm 480 N/mm² 4% 280 N/mm²
EN-GJMW-550-4 (GTW-55-04) FR-JM1050 6 millimètres ka ka ka *
9 mm 490 N/mm² 5% 310N/mm²
12 mm 550N/mm² 4% 340N/mm²
15 mm 570N/mm² 3% 350 N/mm²
* En raison des difficultés à déterminer la limite d'élasticité sur de petits échantillons, les valeurs et la méthode de mesure doivent être convenues entre le fabricant et l'acheteur.
** Le plus approprié pour le soudage
*** Information entre parenthèses selon l'ancienne DIN 1692

Composition chimique

Lignes directrices pour la composition chimique de la fonte malléable

Le carbone et le silicium doivent être adaptés l'un à l'autre (la somme du carbone et du silicium ne doit pas dépasser 3,8%) afin que même les sections transversales les plus épaisses d'une fonte malléable aient une structure blanche sans graphite après solidification.

Fabrication (trempe)

Afin d'obtenir une fonte malléable blanche, la fonte malléable (blanc hypoeutectique en fonte ) est recuit ( « recuit »). Cela réduit considérablement la teneur en carbone dans la coulée. Cela rend la coulée un peu plus dure dans la zone des bords. La coulée brute est recuite à 1000 ° C pendant environ 60 à 120 heures dans une atmosphère oxydante (trempée dans un flux de gaz). Les réactions suivantes ont lieu :

  • Réaction 1 (à l'intérieur du moulage) :
    Fe 3 C → 3Fe + C
  • Réaction 2 (à la surface de la coulée) :
    C + O 2 → CO 2
  • Réaction 3 (décarburation réelle - processus auto-exécutable)
    CO 2 + C → 2CO à cela revient O 2 + 2CO → 2CO 2

La cémentite (Fe 3 C) de la coulée se décompose en trois atomes de fer et un de carbone dans la première réaction. Ce carbone réagit avec l' oxygène sur la surface de coulée et est ainsi retiré de la coulée (réaction 2). En s'efforçant d'égaliser la concentration, le carbone de la coulée continue de diffuser jusqu'au bord de la coulée et se combine avec l'oxygène de l'air ambiant. Ceci décarbure progressivement la pièce (réaction 3). Dans le même temps, le carbone restant au cœur de la coulée s'agglomère pour former des nodules de carbone trempé. La décarburation de la pièce dépend fortement de la durée du processus de revenu et de l'épaisseur de paroi de la pièce moulée. Une décarburation uniforme ne se produit qu'avec une épaisseur de paroi de 2-3 mm, avec des pièces moulées plus épaisses, seule la décarburation des bords et la décomposition de la cémentite (Fe 3 C) en fer et en carbone trempé ont lieu.

Formation de structures

Fonte malléable blanche V = 100:1

La structure de la fonte malléable blanche avec des épaisseurs de paroi inférieures à 3 mm est constituée d'une matrice ferritique et de très peu ou pas de nodules de carbone trempé (au milieu). Avec des épaisseurs de paroi supérieures à 3 mm, la structure de la fonte malléable blanche est divisée en trois zones :

  • La zone marginale décarburée, constituée de ferrite. La surface contient souvent une bordure entrecoupée d'oxydes.
  • La zone de transition, constituée d'une matrice basique ferritique - perlitique et de quelques nodules de carbone trempé.
  • La zone centrale, constituée d'une matrice de base perlitique et de petits nodules de carbone trempé.

La profondeur de décarburation est déterminée au moyen d'un échantillon en coin recuit. Leur section polie métallographique fournit des informations sur la formation de la structure. En cas de mauvais revenu, des défauts structurels peuvent survenir. Par exemple, les nids de graphite peuvent conduire à ce que l'on appelle une "casse défectueuse", ils ont été créés lors de la coulée brute. Une décarburation peut également se produire, des carbures se déposant sur le bord de la ferrite sous forme de cémentite secondaire, éventuellement de lédéburite .

Propriétés et utilisation

Les matériaux en fonte malléable sont préférés en raison de la séquence de processus utilisée dans la production de pièces moulées. La limitation du poids unitaire de quelques grammes à 100 kilogrammes est due au processus de fabrication. Il en va de même pour l'épaisseur de paroi maximale de 20-30 mm. La résistance à la traction augmente avec l'épaisseur de paroi, à mesure que la teneur en perlite augmente. Traitements de trempe appropriés ajuster les propriétés de détermination de la qualité avec une grande précision et une grande uniformité (par exemple serré, les zones les plus difficiles, une bonne usinabilité , haute résistance et une bonne coulabilité , aussi soudable et galvanisable ).

Les propriétés de la fonte malléable blanche dépendent de l'épaisseur de la paroi. Ils sont divisés en :

  • propriétés mécaniques telles que :
    • bon allongement à la rupture (selon épaisseur de paroi)
    • bonne résistance à la traction (augmente avec le pourcentage de perlite)
    • bonne résistance à la fatigue
    • facilement forgeable, malléable
    • haute ténacité
  • propriétés physiques telles que :
    • bonne usinabilité
    • bon comportement au soudage
    • facile à galvaniser
    • haute qualité de surface
    • bonne résistance à la corrosion (due aux couches d'oxyde sur la zone périphérique)
    • peut être durci thermochimiquement ( cémentation )

application

Pièces moulées à paroi mince avec une bonne résistance à la fatigue pour l'usinage sur les lignes de transfert ; De par sa ductilité , il est utilisé pour des composants exposés à des charges dynamiques (oscillantes ou saccadées) et devant supporter des efforts mécaniques importants (châssis et pièces de direction de véhicules automobiles, composants de sécurité nécessitant une documentation, éléments de réglage et de fixation pour la construction de circuits) ; Raccords et raccords pour la construction de pipelines, de nombreux composants pour l'industrie électrique en raison de leurs propriétés thermiques, électriques et magnétiques ; éléments porteurs de lignes à haute tension et aériennes; Éléments de commutation, de commande et de transmission dans la construction de machines et de machines agricoles ; En raison de la bonne coulabilité et de la possibilité de constructions à parois très minces avec une précision reproductible, les propriétés doivent être mentionnées ; Pour la fabrication de serrures et ferrures; Les pièces en fonte malléable offrent une large gamme d'options pour créer des propriétés spécifiques spécifiquement dans la zone de composant dans laquelle elles sont nécessaires (a remplacé de nombreux autres matériaux).

Fonte malléable noire

standardisation

La fonte malléable noire est également normalisée dans la norme DIN EN 1562. L'ancienne abréviation GTS a également été remplacée et est GJMB, GJ signifie fonte, M signifie "fonte malléable" et B signifie "noir".

Composition chimique

La fonte malléable a généralement une composition hypoeutectique. En raison de la solidification métastable de la fonte malléable, le carbone est présent sous forme liée sous forme de cémentite (Fe 3 C) et est donc exempt de graphite. La fonte malléable a une structure de fracture blanc argenté et est dure et cassante, la rendant pratiquement impropre à un usage technique. Le revenu provoque la désintégration et la dissolution de la cémentite dans la structure de base, constituée d'austénite à la température de recuit. La fonte fondue utilisée pour fabriquer la fonte malléable noire a la composition suivante :

  • Carbone : 2–2,9 %
  • Silicium : 1,2-1,5% (relativement élevé)
  • Manganèse : 0,4-0,6%
  • Soufre : 0,12-0,18 %
  • Phosphore : environ 0,1%

La teneur en carbone est plus faible et la teneur en Si plus élevée que dans la fonte malléable blanche.

Fabrication

Pour la production, la fonte brute , la ferraille d'acier, les ferroalliages et les matériaux en circulation (provenant du système de coulée et de porte des pièces moulées) sont d'abord introduits dans le cubilot (avec un vent chaud) pour la préfusion . Pour régler la température de coulée requise et la composition chimique, le four électrique à arc ou le four à induction est connecté en aval (procédé duplex).
Le recuit se déroule en deux étapes dans une atmosphère neutre. En raison de l'atmosphère neutre, la fonte n'est pas décarburée. En raison de la teneur élevée en carbone et en silicium, la cémentite se décompose complètement en ferrite et en carbone trempé : Fe 3 C → 3Fe + C.

Le carbone de revenu est créé par la précipitation de carbone élémentaire pendant le recuit sous forme de nœuds ou de flocons. L'apparition de ces nœuds dépend du rapport manganèse-soufre. En conséquence, le matériau atteint des propriétés de ductilité similaires à celles de l'acier.
La première étape de ce traitement thermique est également appelée première étape de graphitisation. Les carbures eutectiques se désintègrent et se dissolvent dans la structure de base (austénite) à 940–960 °C en une période d'environ 20 heures. Comme mentionné ci-dessus, le carbone élémentaire est également précipité sous forme de nœuds de recuit. La structure est maintenant constituée d'austénite et de carbone trempé.

Dans la deuxième étape, également connue sous le nom de deuxième étape de graphitisation, la structure de base est déterminée. Afin de lancer la deuxième étape, la température est abaissée à environ 800 ° C. Si la température est ensuite refroidie lentement (à 3-5 °C par heure) entre 800 et 700 °C ou si la température est maintenue entre 760 et 680 °C pendant plusieurs heures, une transformation eutectoïde stable se produit. γ → α + C
Le carbone a ainsi la possibilité de diffuser de l'austénite vers le carbone trempé déjà existant et d'en faire partie. La structure est alors constituée de ferrite (matrice) et de graphite et d'éventuels résidus de la perlite. Le carbone de revenu est uniformément réparti sur toute la section transversale de l'échantillon. Le matériau est très doux et se compose de ferrite et de graphite. Exemple : GJMB - 350 Lors d'un refroidissement rapide entre 800 et 700°C dans l'air, la zone eutectoïde est traversée rapidement et une structure solidifiée métastable eutectoïde de perlite est créée.

Un refroidissement rapide crée une structure martensitique. Après trempe, il peut encore être trempé . A 600°C, par exemple, le GJMB - 700 est produit, à 700°C le GJMB - 450. A 620°C, la perlite se forme (cémentite globulaire).

Une caractéristique de la fonte malléable noire est que la structure est indépendante de l'épaisseur de la paroi à l'exception d'une zone de bordure étroite de 0,2 mm de profondeur sans carbone trempé en raison du recuit non décarburant.

Formation de structures

Dans la première étape de recuit, la cémentite de la lédeburite se désagrège à 950°C en austénite et en carbone trempé. Au cours de la deuxième étape de recuit, l'austénite se décompose en ferrite et en carbone trempé. La structure de base dépend de la vitesse de refroidissement dans la zone eutectoïde.

  • Structure de base ferritique
    En refroidissant lentement entre 700 et 800°C (pour les détails voir production), la transformation eutectoïde s'effectue dans des conditions stables. γ → α + C
    La ferrite forme la matrice et le carbone de revenu est uniformément réparti si à peu près les mêmes conditions de refroidissement sont appliquées dans toutes les zones de l'échantillon. Moins il y a de manganèse et de soufre, plus le carbone trempé est compact. Le manganèse et le soufre empêchent le graphite de s'agglomérer en une forme sphérique, ce qui entraîne la formation dentelée et nodulaire du carbone trempé.
  • Structure de base perlitique
    Par chauffage à 700-800°C, refroidissement rapide (trempe précédente, voir fabrication), le matériau se solidifie en métastable en perlite. γ → α + Fe 3 C. Ici la perlite forme la structure de base. Même avec cette solidification, le carbone de revenu peut être conçu différemment.
  • Structure de base
    martensitique Lors d'un refroidissement très rapide, la structure martensitique apparaît. La diffusion est supprimée par la vitesse de refroidissement très élevée. L'effondrement partiel du réseau spatial crée un réseau qui est déformé et tendu par le carbone, et de la martensite est créée. La structure de trempe est réalisée par trempe de la structure martensitique ou par refroidissement contrôlé sur cette structure.
  • Une structure mixte
    peut également survenir une structure ferritique-perlitique. Cela se produit lorsque la solidification eutectique est partiellement stable et métastable. Fondre → + C (stable) et fondre → γ + Fe 3 C (métastable).

La transformation eutectoïde est à nouveau métastable. Une structure avec une quantité différente de perlite et de ferrite et de carbone trempé est à prévoir, en fonction de la vitesse de refroidissement. Le charbon de bois de trempe peut avoir différentes formes, tailles et arrangements.

Propriétés et utilisation

Raccord de tuyauterie en fonte malléable noire (GJMB)

En général, la fonte malléable noire a une bonne coulabilité, elle est également plus facile à usiner que GJMW (voir Usinabilité de la fonte ), trempable, traitable thermiquement et trempable en surface (pour la trempe à la flamme et par induction). Entre autres, il est utilisé pour les pistons, les engrenages, les pièces de moteur et les composants à parois épaisses tels que les carters de moteur.

  • Ferritique GJMB-350
    Bien que cette structure ait une ténacité modérée, elle présente une bonne ductilité et une excellente usinabilité. Ce matériau est utilisé là où il y a des exigences d'usinabilité. Il convient au durcissement thermophysique après double chauffage. La dureté du matériau correspond à ≤ 150 HBW 30, ce qui correspond à ≤ 160 HV10.
  • Pearlitic GJMB-450
    Ce matériau a une meilleure résistance et une ténacité similaire à celle du GJMB-350. Un durcissement jusqu'à 600 HV10 est possible après double chauffage préalable. La dureté du matériau correspond à 150-200 HBW 30, ce qui correspond à 160-210 HV10.
  • GJMB-550
    L'usinabilité de ce matériau n'est pas aussi bonne que celle des structures précédentes. Mais si vous le comparez à celui d'un acier forgé de même résistance, il est excellent. Le durcissement thermophysique est même ici possible sans double chauffage au préalable. La dureté du matériau correspond à 180-230 HBW 30, ce qui correspond à 190-240 HV10.
  • GJMB-650 La
    force est la principale exigence ici. Ce matériau a des copeaux courts et cassants. Alternativement, il peut être utilisé pour les aciers forgés. La dureté du matériau correspond à 210-260 HBW 30, ce qui correspond à 220-270 HV10.
  • Structure de trempe du GJMB-700 Les
    mêmes propriétés et utilisations que pour le GJMB-650. La dureté du matériau correspond à 240-290 HBW 30, ce qui correspond à 250-300 HV10.

Littérature

  • Fonte malléable - un matériau en fonte ductile. Association fédérale de l'industrie allemande de la fonderie, Publication technique, 2011
  • Hermann Schumann, Heinrich Oettel : Métallographie. 14e édition, Wiley-VCH Verlag.

liens web