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PROCEDE DE FABRICATION 'DE FONTE NODULAIRE ET PRODUITS OBTENUS PAR
CE PROCEDE
La présente invention est relative à un procédé de fabrication de
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fonte nodulaire et aux produits obtenus par ce procédé.
Les quelques 200 publications des deux dernières années et les mé- moires descriptifs déposés à l'appui de différentes demandes de brevets ont suffisamment fait connaître les fontes nodulaires.
Nous disons que la fonte nodulaire est une fonte dont la grande majorité du graphite se présente sous forme de sphères plus ou moins parfaites;
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ces particules de graphite sont appelées : nodules5) sphérulesy sphéroîdesq sphé- rolites, etc....
Plusieurs éléments sont capables de forcer la cristallisation sphé-
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rolitique du graphite; nous citerons les suivants : Ce, Mge Li Cap Sra Ba, Na, K, Te. Be9 etc...
Le demandent, a découvert que les effets de ces éléments ou au moins de certains d'entr'eux s'additionnent et a réussi à produire des fontes nodu- laires par i'e't;-comb3.né des éléments Ca, Li, Sr, Ba9 Na, K et lg soit deux à deux, ttoisàà trois, quatre à quatre, cinq à cinq;, six â six ou même par l'effet combiné de ces septs éléments tout en limitant l'intervention du Mg
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à un maximum de 09 02 % de Mg résiduel.
Ces éléments sont reconnus universellement comme éléments.réducteurs et désulfurants et leur solubilité dsns la fonte est extrêmement faible ou peut être même inexistante.
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Additionnés à la fonte ces élémentsréâgissent avec l'oxygène dis- sous ou combinédans les suspensions oxydées, telle la silice, avec le soufre etc... pour former les combinaisons oxydee sufure e 000 insolubles dans la fon- te et précipitant per ascensum aussi longtemps que la fonte est liquidée . Gé- néralement cependant les particules les plus petites n'auront guère le temps
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de s'éliminer de la masse pour se rassembler dans la tête (coaodo dsne la par- tie supérieure de la pièce coulée, éventuellement la masselotte). Ainsi se
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trouve posée la question de l'existence d'une teneur résiduelle d'un de ces élémentso Il importe de définir ce qu'on entend par teneur résiduelle de ces éléments réputés insolubles dans le fer.
Personne n'a jusqu'à présent donné une définition précise de la teneur résiduelle en Ce, en Mg, en Ca etc....mais aucun spécialiste ne consi- dère la quantité de cet élément qui est liée au soufre comme faisant partie de la teneur résiduelleo
Il est de pratique courante de préléver le métal destiné au dosage de la teneur résiduelle d'un de ces éléments dans un endroit de la pièce présen- tant le maximum de garantie quant à la précipitation des sulfures et antres composés de l'élément considérée Dans le cas du Mg on coule par exemple un tronc de cône ayant un diamètre de petite base de 50 à 60 mm, une hauteur de 300 mm et un diamètre de grande base de 100 à 120 mmo Le tronc de cône est disposé verticalement, la grande base en haut. Il importe que la fonte soit suffisamment fluide pour garantir un temps de précipitation suffisait.
Pour le dossage du Mg résiduel par exemple on prélèvera le métal à la base, c.a.d. au maximum à quelque 2 à 4 cm de la section inférieure qui a un diamètre de 50 à 60 mmo On admet généralement que la teneur en Mg ainsi trouvée représen- te ce qu'on appelle le Mg résiduel.
Dans l'état actuel de nos connaissances, cette notion de teneur résiduelle d'un élément tel que Mg, Ca, Li ....est donc assez vague Ceci est encore plus vrai pour les éléments Ca, Li, Ba, Sr, Na et K dont on ne connaît gaZre de méthode précise de dosage pour des proportions de l'ordre de grandeur de quelques millièmes à quelques centièmes de poureenta Il est de fait cependant que, lorsque ces éléments sont additionnés à la fonte, on peut en retrouver des traces dans cette fonte par l'analyse spectrale qua- litative. Les méthodes d'analyse quantitative actuellement connues ne permet- tant pas de déterminations précises de la teneur résiduelle de ces éléments dans la fonte traitée en vue de l'obtention de graphite nodulaire.
La présente invention se rapporte à une méthode de fabrication de fnntes nodulaires par l'effet combiné de 2 à 7 éléments précités. A une fonte à faible teneur en S (de préférence même un soufre inférieur à 0,02 %), on additionnera, suivant l'invention, de 0,05 % à 2 % d'une somme de 2 à 7 de ces éléments, sous forme d'éléments ou d'alliages, mais de préférence sous forme d'un alliage renfermant les éléments en question, et en ayant soin de limiter l'addition de l'élément Mg de façon à ne pas dépasser un Mg résiduel, détermi- né comme exposé ci-dessus, de 0,020 %.
A l'analyse spectrale qualitative on retrouvera des traces de cha- cun des éléments additionnés.
L'avantage de la limitation du Mg résiduel réside principalement dans la possibilité de se passer de l'inoculation secondaire tout en obtenant une fonte nodulaire grise.
Dans le même but il est intéressant de limiter également le Li.
Les autres éléments ne semblent pas stabiliser les carbures ou tout au moins ne les stabilisent pas dans la même mesure.
L'inventeur a reconnu qu'il était désirable sinon nécessaire de partir d'une fonte fluide à très faible teneur en soufre.
Dans le cas des modes opératoires I et 2, décrits ci-après, et qui possèdent le grand avantage de ne pas nécessiter d'inoculation secondaire, le soufre de la fonte fluide à traiter sera de préférence inférieur à 0,02 %; le traitement de nodulation éliminera d'ailleurs une partie du soufre et la teneur de cet élément dans la fonte nodulaire obtenue sera généralement inférieure à 0,015 %.
Dans le cas du mode opératoire n 3 la fonte liquide à traiter pour- ra éventuellement .accuser une teneur en soufre supérieure et l'obtention du résultat visé, c.a.d. le graphite nodulaire, reste parfaitement possible moyen- nant des additions plus importantes d'alliages plus riches en Li éventuellement en Mg; dans ce cas il devient difficile de contrôler ou de limiter le Li rési- duel et il s'en suit que, pour obtenir la fonte nodulaire grise, l'inoculation
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secondaire ou Si redevient nécessaire.
Il est donc important de disposer d'une fonte fluide à basse teneur en S et de préférence aussi basse qu'il est possible de la réalisero A cet effet il est conseillé d'élaborer la fonte au cubilot basique avec un laitier basique et autant que possible réducteur donc désulfurant; le laitier basique s'obtient par addition suffisante de fondants basiques et son caractère réduc- teur peut être obtenu ou renforcé en mélangeant par exemple du carbure de cal- cium aux cokes.
Il est actuellement démontré que par ce mode opératoire on peut
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obtenir une fonte titrant à la piquée du cubilot moins de 001 % de So
On peut évidemment opérer la désulfuration par une des nombreuses méthodes classiques faisant usage soit de laitiers de composés (la soude) ou
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d'éléments (Mg, Liooo) désuifurantso
En dehors du soufre il n'y a guère de limitations rigoureuses dans la teneur des autres éléments habituels de la fonte; il est avantageux cepen-
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dent, surtout en vue de bonnes propriétés mécaniques,j1 de limiter la teneur en phosphore à 0 z3 % maxomum étant donné que l'allongement sera d'autant plus éle- vé que le phosphore est plus bas; de préférence on réalisera un phosphore infé-
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rieur à 0,1 %.
Le carbone sera généralement compris entre 2 et 4,5 %, le silicium
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entre 0 ,et 4 , le manganèse entre 0 et 1,2 %0
Dans la plupart des cas d'application on soumettra au traitement de nodulation qui sera décrit plus loin une fonte dont la composition sera com- prise entre les limites suivantes :
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C = 2e8 à 4e2 % Si. - 0,5 à 2 %
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Mn = 0:,>1 à l % P = 0 à 0,2 % S = 0 à 0,02%
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A l'exception de la teneur en S aucun des autres éléments courant n'est critique.
Il est d'autre part évident-que la fonte peut-éventuellement être alliée.
La présente invention comprend un grand nombre de modes d'applica- tion possibles, en faite autant qu'il y a de combinaisons de 7 éléments pris
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2 à 2, 3 à 39 4 à 4, 5 à 59 6 à 6, en y ajoutant la combinaison des sept ensem- ble.
Il est évident cependant que certaines combinaisons sont plus avan- tageuses soit parce que donnant de meilleurs résultats techniques,!) soit parce que plus économiques, soit parce que les deux avantages se trouvent réuniso
Ainsi l'on décrira trois modes opératoires qui peuvent actuellement être considérés comme étant des plus avantageux.
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Il est établi (voir notamment Solo De Sy : I) inoculation et gra- phite des fontes grises" Mémoire Belge d'échange au Congrès de Paris (9 Octobre 1948) publié dans "fonderie" n 37s anvier 1949, 2) "Quelques résultats de recherches belges sur les fontes nodulaires" preprint n 20 au congrès inter- national de fonderie à Amsterdam,j1 Août-Sept 1949s 3) "La contribution Belge dans l'étude des fontes nodulaires" Revue Universelle des Mines, Août 1950), que l'addition de calcium en quantité suffisante à une fonte fluide pauvre en
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soufre et à température normale (1300 à 1500oC) permet l'obtention du graphite sphérolitiqueo
L'addition de Ca (sous forme de siliciure) à la fonte fluide est appliquée depuis quelque 25 ans dans les fontes que l'on appelle souvent "Mee- hanite";
à composition égale ces fontes ont une résistance plus élevée parce que, grâce au traitement par le Cas le graphite est rendu plus compact et pré- sente par conséquent un effet d'entaille moindre
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Il est extrêmement difficile cependant d'atteindre, par l'addition de siliciure de calcium, le degré de compacité du graphite correspondant à une fonte à caractère nodulaire, c.à.d. présentant des phérolites de graphite et du graphite compact.
Au contraire si l'on fait usage d'un alliage ternaire Ca-Si-Cu ou Ca-Si-Ni par exemple,, ou quaternaire Ca-Si-Cu-Ni par exemple en incorporant un ou deux des éléments véhiculants Cu et Ni, on peut obtenir systématiquement une fonte nodulaire en traitant une fonte à basse teneur en soufre avec une quantité suffisante, généralement 3 à 4 %, de l'alliage de nodulation.
Comme alliage de nodulation on choisira avantageusement un alliage dont les limites de composition sont :
Ca= 10 à 40 %
Si = 30 à 80 %
Cu = 0 à 40 % Ni = 0 à 30 %
Voici à titre d'exemples non limitatifs quelques alliages ayant donné de bons résultats : Ca Si Cu Ni 1 24 56 20 --
2 26 59 -- 15
3 20 46 20 14
Comme exemple concret d'un résultat citons le cas d'une fonte à 0,017% de S traitée avec 4 % de l'alliage n 1 et ayant donné lieu à l'obten- tion de la structure nodulaire avec 54 kg/mm2 comme résistance à la traction et 5 % d'allongement brut de coulée sans inoculation secondaire ; le soufre final était de 0,012 %.
La production de fonte nodulaire par le traitement au Mg est suf- fisamment connue actuellement pour qu'il ne soit pas nécessaire de la décrire ici.
Suivant un premier mode opératoire préféré de l'invention, on fera usage de l'effet combiné des éléments Ca et Mg en utilisant de préférence pour le traitement de nodulation un alliage contenant à la fois les éléments Ca et Mg, ce dernier étant limité à une quantité garantissant un Mg résiduel inférieur à 0, 02 %.
Par rapport au traitement par le Ca seul, le traitement combiné au Ca-Mg présente le grand avantage de donner le résultat cherché coàodo la fonte nodulaire., pour une addition d'alliage sensiblement deux fois moindre, coàodo dans le cas de l'exemple concret ci-dessus 1,5 à 2 % au lieu de 3 à 4 %.4 Comme les alliages préconisés pour le traitement au Ca seul d'une part et pour le traitement au Ca-Mg d'autre part sont d'un prix de revient pratiquement i- dentique, il en résulte tout d'abord un avantage économique que l'on peut éva- luer actuellement à 600 à 800 francs la tonne de fonte traitée.
D'antre part si on considère l'effet de refroidissement de la fonte résultant d'une addition aussi massive que 3 à 4 % et la repercussion de cet effet sur la coulabilité et finalement sur les rebuts, on se rend compte aisément que l'avantage de la plus faible addition est plus important encore que l'économie directe évaluée ci-dessus.
Par rapport au traitement par le Mg seul le traitement au Ca-Mg présente les avantages suivants :
I ) pas d'inoculation secondaire;
2 ) aucun effet violent comme dans le cas du Mg seul,
3 ) les alliages sont plus économiques.
On peut conclure en disant que la méthode du traitement combiné et principalement celle au Ca-Mg présente des avantages qui justifieront son application dans certains cas en rapport avec l'effet final visé, caàodo les propriétés de la fonte produite.
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Suivant ce premier mode opératoire le traitement de nodulation con- siste en l'addition à la fonte liquide d'un alliage contenant le Ca et le Mgo Il est conseillé de faire usage d'un alliage ternaire, quaternaire au quinte-
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naire des éléments Cal) Nige Si, Cu et Ni contenant de préférence au moins un des véhiculants lourds Cu et Ni et dont les limites de composition sont les sui- ventes : Ca - 5 à 40 %
Si = 30à 80 %
Cu = 0 à 40 %
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Ni - 0 à 30 %
Mg = I à 10 %
Voici à titre d'exemples non limitatifs quelques alliages ayant donné de bons résultats :
Ca Si Mg Cu Ni
1 33 64 3 -- -
2 24 54 2 20
3 26 57 2,5 -- 14,5
4 22 51 2 15 10
5 26 57 2 15 -
La quantité de l'alliage à ajouter est fonction de la composition de la fonte, principalement de la teneur en S et en Si., et du but poursuivi : l'obtention d'une matrice ferritique ou à prédominance de ferrite 'ou de perlite avec graphite nodulaire ou éventuellement même la variété intermédiaire dési-
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gnée généralement par un des noms i quasi-flakes compact, vermiculaire., etc..,,
Cette dernière variété peut être obtenue systématiquement en fai- sant des additions insuffisantes pour forcer la cristallisation sphérolitique du graphite;
il y correspond un S final généralement un peu supérieur à celui qu'on trouve dans a fonte franchement nodulaire coàodo donc à prédominance de graphite sphérolitique.
L'avantage principal de l'effet combiné du Ca et du Mg avec limi- tation du Mg consiste en l'obtention de la fonte grise de coulée sans inocula- tion secondaire; celle-ci peut cependant être appliquée si on désire une fonte
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plus douce coaodo plus ferritique
Ainsi donc d'après la composition de la fonte et le but que l'on s'est fixé au point de vue nuance de la fonte produite, on fera des additions
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de 0,2 % à 5 % d'un des alliages de la série précitéeo
Dans beaucoup de cas I à 2 % de l'alliage de nodulation sera lar- gement suffisante
Comme exemples citons les compositions et les propriétés de deux
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fontes nodulaires obtenues par addition de I % de l'alliage n 2 ci-dessus :
CJ cg Si% Mn% S% Cu% Mg% Cs% R t au a) 3,76 3,39 . 1,93 0,19 0,013 0,2 0,011 présent 49 9 b) 3,07 2,59 2,41 0,40 0,009 0,22 0,018 fi 56 4 Suivant un second mode opératoire préféré de l'invention on fera usage de l'effet combiné des éléments Ca et Li en utilisant de préférence pour le traitement de nodulation un alliage contenant à la fois les éléments Ca et Li, ce dernier étant limité en quantité additionnée de façon à obtenir la struc- ture grise de solidification sans recourir à l'inoculation secondaire.
Le traitement de nodulation consiste en l'addition à la fonte li- quide de l'alliage contenant à la fois les éléments Ca et Li. Il est conseillé de faire usage d'un alliage ternaire, quaternaire ou quintenaire des éléments
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Cay Li, Sig Cu et Ni contenant de préférence au moins un des véhiculants lourds Cu et Ni et dont les limites de compositions sont les suivantes :
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Ca - 5 à 40% Li = 2 à 10%
Si = 30 à 80 %
Cu = 0 à 40% Ni = 0 à 30%
Voici à titre d'exemples non limitatifs quelques alliages ayant donné de bons résultats :
Ca Si Li Cu Ni
1 22 50 5 23 --
2 24 53 5 18
3 20 46 4 . 15 15
La quantité de l'alliage à ajouter est fonction de la composition de la fonte, principalement de la teneur en S et en Si, et du but poursuivi :
obtention d'une matrice ferritique ou à prédominance de ferrite ou de perlite avec graphite nodulaire ou éventuellement même la variété intermédiaire dési- gnée généralement par un des noms : quasi-flake, compact, vermiculaire, etc...
Cette dernière variété peut être obtenue systématiquement en faisant des additions insuffisantes pour forcer la cristallisation sphérolitique du graphite; il y correspond un S final généralement un peu supérieur à celui qu'on trouve dans la fonte franchement nodulaire, coàado donc à prédominance de gra- phite sphérolitiqueo
L'avantage principal de l'effet combiné du Ca et du Li avec limi- tation du Li consiste en l'obtention de la fonte grise de coulée sans inocula- tion secondaire ; celle-ci peut cependant !.être appliquée si on désire obtenir une fonte plus douce, c:à.d. plud ferritique.
.ainsi donc d'après la composition de la fonte et le but que l'on s'est fixé au point de vue nuance de la fonte produite, on fera des additions de 0,2 % à 5 % d'un des alliages de la série précitéeo
Comme exemples citons les compositions et les propriétés de deux fontes nodulaires obtenues par l'addition de 2 % de l'alliage n 1 :
Ct% Si% S% Cu% Ca% Li% Rtkg/mm2 A% a) 4,26 1,93 0,011 0,45 présent présent 42 4,2 b) 3,35 2,40 0,012 0,49 " " 57 1,3
Suivant un troisième mode opératoire préféré de l'invention on fera usage de l'effet combiné des éléments Ca et Li ou Ca, Li et Mg en utilisant de préférence pour le traitement de nodulation un alliage contenant à la fois le Ca et le Li ou le ca, le Li et le Mg, ce dernier, c.à.d.le Mg, étant limité à une teneur résiduelle de 0,02 % au maximum, le Li n'étant pas limité.
Comme le Li est un stabilisateur de carbures assez puissant, il pourra advenir, spécialement dans le cas du traitement de fonte fluide à teneur en S sensiblement supérieure à 0,025 5, que la quantité d'alliage à additionner en vue de l'obtention de la fonte nodulaire sera telle qu'il en résultera un Li résiduel incorporé tel qu'on obtiendra une structure blanche ou truitée à la solidification; lorsqu'on désire une structure grise de solidification on sera donc amené parfois à pratiquer l'inoculation secondaire au Si.
S'il est vrai que, par rapport aux modes opératoires I et 2 à li- mitation du Mg et du Li, le mode opératoire n 3 sans limitation du Li présente, surtout dans le cas du traitement d'une fonte à S sensiblement supérieur à 0,02%, par exemple 0, 03 à 0, 05 %, l'inconvénient de nécessiter l'inoculation secondaire en vue de l'obtention de la structure grise de solidification, le mode opéra- toire n 3 présente par contre, par rapport aux modes opératoires n 1 et 2, l'avantage de mieux convenir pour le traitement des fontes à soufre sensible- ment supérieur à 0,02 %.
Le traitement de nodulation dans le mode opératoire n 3 consiste en l'addition à la fonte liquide d'un alliage contenant à la fois le Ca et le Li ou le Ca, le Li et le Mgo
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Il est conseillé de faire usage d'un alliage contenant outre les éléments d'influence Ca et Li ou Ca, Li et Mg, un, deux ou trois des véhiculants, Si, Cu et Ni.
Les limites de composition des alliages seront les suivants :
Ca = 5 à 40 %
Li = 3 à 30% Mg = 0 à 10 % Si = 30 à 80%
Cu = 0 à 40 % Ni = 0 à 30 %
A titre d'exemples non limitatifs, voici quelques alliages ayant donné de bons résultats :
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<tb> Ca <SEP> Li <SEP> Mg <SEP> Si <SEP> Cu <SEP> Ni
<tb>
<tb>
<tb>
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<tb> 1 <SEP> 20 <SEP> 10 <SEP> 2 <SEP> 48 <SEP> -- <SEP> 20
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<tb>
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<tb> 2 <SEP> 21 <SEP> 10-- <SEP> 49 <SEP> 20
<tb>
<tb>
<tb>
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<tb> 3 <SEP> 20 <SEP> 10 <SEP> 2 <SEP> 48 <SEP> 20 <SEP> -
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<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 4 <SEP> 18 <SEP> 15 <SEP> 2 <SEP> 40 <SEP> 12 <SEP> 13
<tb>
<tb>
<tb>
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<tb> 5 <SEP> 22 <SEP> 6 <SEP> 3 <SEP> 51 <SEP> 18
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 6 <SEP> 18 <SEP> 15 <SEP> -- <SEP> 44 <SEP> 5 <SEP> 18
<tb>
<tb>
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<tb> 7 <SEP> 20 <SEP> 15 <SEP> 4 <SEP> 48 <SEP> 13
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La quantité de l'alliage à ajouter est fonction de la composition de la fonte fluide et principalement de la teneur en S;
suivant la composition de la fonte fluide d'une part et de l'alliage de nodulation d'autre part on fera une addition de 0,3 à 5 % d'un des alliages précitéso
Comme exemples concrets citons les résultats de trois traitements différents appliqués à une même fonte de base titrant :
Ct = 3,30%
SI 1,20 % Mn = 0,30%
P = 0,07 %
S = 0,033% Traitement a) : addition de 1,8 % de l'alliage n 3. éprouvette coulée après ce traitement = truitée inoculation secondaire :0,4% de Si; éprouvette coulée après inoculation secondaire : grise structure obtenue : graphite sphérolitique et graphite compact ou vermiculaire Composition finale :
Ct = 3,32%
Si = 2,405 Mn - 0,29 %
P - 0,07%
S = 0,022 %
Mg 0,009% Ca - présent.
Li = présent Propriétés :
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charge de Jpture Rt 39 kg/mm2 allongement 1% = 096 % dureté Brinell A 17Ù ô .
, Traitement b) : addition de 2,25 % de l'alliage n 30 éprouvette coulée après ce traitement = truitée inoculation secondaire : 0,4% de Si. éprouvette codée après inoculation secondaire :grise.
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Structure obtenue : graphite sphérolitique, c.à.d. donc fonte nodulaire propre- ment dite.
Composition finale :
Ct = 3,26 %
Si = 2,49 %
Mn = 0,29%
P = 0,07 %
S = 0,016%
Mg = 0,012%
Ca= présent
Li = présent Propriétés :
Et = 52 kg/mm2
A% = 2,2 %
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Dureté Brinell û = 214 Traitement c) : addition de 3 % de l'alliage n 3 éprouvette coulée après èe traitement : truitée. inoculation secondaire = 0,4 % de Si. éprouvette coulée après inoculation secondaire : grise.
Structure obtenue : graphite sphérolitique, coàodo donc fonte nodulaire propre- ment dite.
Composition finale : ct = 3,16%
Si = 2,59 % Mn = 0,29%
P = 0,07%
S = 0,014 %
Mg = 0,019 %
Ca= présent.
Li = présenta Propriétés : Rt = 56 kg/mm2
A% = 2.
Dureté Brinell #= 2370
Il est bien entendu que dans les mélanges dont il est question dans la présente description et dans les revendications subséquentes, les proportions en pourcentages sont évaluées en poids.,
REVENDICATIONS.
1. Procédé de fabrication de fonte nodulaire, caractérisé en ce qu'on ajoute à la fonte liquide au moins deux éléments quelconques d'une série d'éléments comprenant le calcium le lithium, le strontium, le baryum, le so- dium, le potassium.
2. Procédé de fabrication de fonte nodulaire, caractérisé en ce qu'on ajoute à la fonte du magnésium et au moins l'un quelconque des éléments d'une série comprenant le calcium, le lithium, le strontium, le baryum, le so- dium et le potassium, la quantité de magnésium étant réglée pour que la teneur de la fonte coulée en magnésium résiduel, mesurée comme décrit ci avant, reste inférieure à 0,02%.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
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MANUFACTURING PROCESS OF NODULAR CAST IRON AND PRODUCTS OBTAINED BY
THIS PROCESS
The present invention relates to a method of manufacturing
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nodular cast iron and products obtained by this process.
The 200 or so publications of the last two years and the descriptive papers filed in support of various patent applications have sufficiently publicized nodular cast irons.
We say that nodular cast iron is a cast iron in which the great majority of graphite is in the form of more or less perfect spheres;
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these graphite particles are called: nodules5) spherulesy spheroidsq spherolites, etc ....
Several elements are capable of forcing spherical crystallization
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rolitics of graphite; we will cite the following: Ce, Mge Li Cap Sra Ba, Na, K, Te. Be9 etc ...
The ask, discovered that the effects of these elements or at least some of them add up and succeeded in producing nodular melts by i'e't; -comb3.né of the elements Ca, Li , Sr, Ba9 Na, K and lg either two to two, ttoisà to three, four to four, five to five ;, six to six or even by the combined effect of these seven elements while limiting the intervention of Mg
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to a maximum of 09 02% residual Mg.
These elements are universally recognized as reducing and desulfurizing elements and their solubility in melting is extremely low or may even be non-existent.
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Added to the cast iron, these elements react with dissolved oxygen or combined in oxidized suspensions, such as silica, with sulfur etc ... to form the oxide sufure e 000 combinations which are insoluble in the melt and precipitate per ascensum as long. that the cast iron is liquidated. Generally, however, the smallest particles will hardly have time
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to eliminate itself from the mass to gather in the head (coaodo dsne the upper part of the casting, possibly the weight). So
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finds the question of the existence of a residual content of one of these elements raised so It is important to define what is meant by residual content of these elements considered insoluble in iron.
No one has so far given a precise definition of the residual content of Ce, Mg, Ca etc ... but no specialist considers the quantity of this element which is bound to sulfur as being part of residual content o
It is common practice to take the metal intended for the determination of the residual content of one of these elements in a part of the part offering the maximum guarantee as to the precipitation of sulphides and other compounds of the element considered. in the case of Mg, for example, a truncated cone is cast having a small base diameter of 50 to 60 mm, a height of 300 mm and a large base diameter of 100 to 120 mmo The truncated cone is arranged vertically, the large base up. It is important that the melt is sufficiently fluid to ensure sufficient precipitation time.
For the backfilling of the residual Mg, for example, the metal will be taken from the base, ie at most some 2 to 4 cm from the lower section which has a diameter of 50 to 60 mmo It is generally accepted that the content of Mg thus found represents te what is called the residual Mg.
In the current state of our knowledge, this notion of residual content of an element such as Mg, Ca, Li .... is therefore quite vague This is even more true for the elements Ca, Li, Ba, Sr, Na and K, of which we do not know a precise method of dosage for proportions of the order of magnitude of a few thousandths to a few hundredths of a poureenta It is a fact, however, that when these elements are added to the cast iron, we can find traces in this cast by qualitative spectral analysis. The currently known quantitative analysis methods do not allow precise determinations of the residual content of these elements in the treated cast iron with a view to obtaining nodular graphite.
The present invention relates to a method of manufacturing nodular fnntes by the combined effect of 2 to 7 aforementioned elements. To a cast iron with a low S content (preferably even a sulfur of less than 0.02%), according to the invention, from 0.05% to 2% of a sum of 2 to 7 of these elements will be added, in the form of elements or alloys, but preferably in the form of an alloy containing the elements in question, and taking care to limit the addition of the element Mg so as not to exceed a residual Mg, determined - born as explained above, by 0.020%.
On qualitative spectral analysis, traces of each of the elements added will be found.
The advantage of limiting the residual Mg lies mainly in the possibility of dispensing with the secondary inoculation while obtaining a gray nodular cast.
For the same purpose it is advantageous to also limit the Li.
The other elements do not seem to stabilize the carbides or at least do not stabilize them to the same extent.
The inventor has recognized that it is desirable if not necessary to start from an ultra low sulfur flowable cast iron.
In the case of procedures I and 2, described below, and which have the great advantage of not requiring secondary inoculation, the sulfur of the fluid pig iron to be treated will preferably be less than 0.02%; the nodulation treatment will moreover remove part of the sulfur and the content of this element in the nodular cast iron obtained will generally be less than 0.015%.
In the case of procedure n ° 3, the liquid cast iron to be treated may possibly have a higher sulfur content and obtaining the desired result, ie nodular graphite, remains perfectly possible by means of larger additions of alloys. richer in Li, optionally in Mg; in this case it becomes difficult to control or limit the residual Li and it follows that, in order to obtain the gray nodular cast iron, inoculation
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secondary or If becomes necessary again.
It is therefore important to have a fluid cast iron with a low S content and preferably as low as possible. For this purpose it is advisable to prepare the cast iron with a basic cupola with a basic slag and as much as possible reducing agent therefore desulfurizing; the basic slag is obtained by adding sufficient basic fluxes and its reducing character can be obtained or reinforced by mixing, for example, calcium carbide with the cokes.
It is currently demonstrated that by this procedure one can
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obtain a cast iron with less than 001% So at the pique of the cupola
We can obviously operate the desulphurization by one of the many conventional methods using either slag compounds (soda) or
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of elements (Mg, Liooo) desuifurantso
Apart from sulfur there are hardly any severe limitations in the content of the other usual elements of cast iron; however, it is advantageous
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tooth, especially with a view to good mechanical properties, to limit the phosphorus content to 0 z3% maxomum since the elongation will be all the higher the lower the phosphorus; preferably an inferior phosphorus will be produced.
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laughing at 0.1%.
Carbon will generally be between 2 and 4.5%, silicon
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between 0, and 4, manganese between 0 and 1.2% 0
In most cases of application, a cast iron whose composition will be between the following limits will be subjected to the nodulation treatment which will be described later:
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C = 2e8 to 4e2% Si. - 0.5 to 2%
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Mn = 0:,> 1 to l% P = 0 to 0.2% S = 0 to 0.02%
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With the exception of the S content none of the other common elements is critical.
It is on the other hand obvious that the cast iron can possibly be allied.
The present invention includes a large number of possible modes of application, in fact as many as there are combinations of 7 elements taken.
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2 to 2, 3 to 39 4 to 4, 5 to 59 6 to 6, adding the combination of the seven together.
It is obvious, however, that certain combinations are more advantageous either because they give better technical results,!) Or because they are more economical, or because the two advantages are combined.
Thus, three procedures will be described which can currently be considered to be most advantageous.
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It is established (see in particular Solo De Sy: I) inoculation and graphite of gray fonts "Belgian memory of exchange at the Congress of Paris (October 9, 1948) published in" foundry "n 37s of January 1949, 2)" Some results of Belgian research on nodular cast iron "preprint n 20 at the international foundry congress in Amsterdam, j1 August-Sept 1949s 3)" The Belgian contribution in the study of nodular cast iron "Revue Universelle des Mines, August 1950), that the addition of calcium in sufficient quantity to a fluid cast iron poor in
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sulfur and at normal temperature (1300 to 1500oC) allows obtaining spherolitic graphite
The addition of Ca (in the form of silicide) to fluid iron has been applied for some 25 years in what is often referred to as "Meehanite";
at the same composition, these cast irons have a higher resistance because, thanks to the Cas treatment, the graphite is made more compact and therefore presents a less notch effect.
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However, it is extremely difficult to achieve, by the addition of calcium silicide, the degree of compactness of the graphite corresponding to a cast iron with a nodular character, ie. exhibiting graphite pherolites and compact graphite.
On the contrary, if one uses a ternary Ca-Si-Cu or Ca-Si-Ni for example, or quaternary Ca-Si-Cu-Ni alloy for example by incorporating one or two of the elements conveying Cu and Ni , a nodular cast iron can be systematically obtained by treating a low sulfur content cast iron with a sufficient quantity, generally 3 to 4%, of the nodulation alloy.
As nodulation alloy, an alloy will advantageously be chosen whose composition limits are:
Ca = 10 to 40%
Si = 30 to 80%
Cu = 0 to 40% Ni = 0 to 30%
Here are some alloys which have given good results by way of nonlimiting examples: Ca Si Cu Ni 1 24 56 20 -
2 26 59 - 15
3 20 46 20 14
As a concrete example of a result, let us quote the case of a cast iron with 0.017% S treated with 4% of the alloy n 1 and having given rise to the obtaining of the nodular structure with 54 kg / mm2 as resistance. tensile strength and 5% as-cast elongation without secondary inoculation; the final sulfur was 0.012%.
The production of nodular iron by treatment with Mg is sufficiently known at present that it does not need to be described here.
According to a first preferred procedure of the invention, use will be made of the combined effect of the elements Ca and Mg, preferably using for the nodulation treatment an alloy containing both the elements Ca and Mg, the latter being limited to an amount ensuring a residual Mg of less than 0.02%.
Compared to the treatment with Ca alone, the combined treatment with Ca-Mg has the great advantage of giving the desired result coàodo the nodular cast iron., For an addition of alloy appreciably two times less, coàodo in the case of the example concrete above 1.5 to 2% instead of 3 to 4% .4 As the alloys recommended for the treatment with Ca alone on the one hand and for the treatment with Ca-Mg on the other hand are priced of practically identical cost, the result is first of all an economic advantage which can currently be evaluated at 600 to 800 francs per tonne of cast iron treated.
On the other hand if we consider the cooling effect of the cast iron resulting from an addition as massive as 3 to 4% and the repercussion of this effect on the flowability and finally on the rejects, we easily realize that the even more important than the direct economy assessed above.
Compared to treatment with Mg alone, treatment with Ca-Mg has the following advantages:
I) no secondary inoculation;
2) no violent effects as in the case of Mg alone,
3) alloys are more economical.
We can conclude by saying that the combined treatment method and mainly that with Ca-Mg presents advantages which will justify its application in certain cases in relation to the final effect aimed at, caàodo the properties of the cast iron produced.
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According to this first procedure, the nodulation treatment consists of the addition to the liquid cast iron of an alloy containing Ca and Mgo. It is advisable to use a ternary alloy, quaternary to the fifth.
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naire of the elements Cal) Nige Si, Cu and Ni preferably containing at least one of the heavy carriers Cu and Ni and whose composition limits are as follows: Ca - 5 to 40%
Si = 30 to 80%
Cu = 0 to 40%
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Ni - 0 to 30%
Mg = I at 10%
Here are some alloys which have given good results by way of nonlimiting examples:
Ca Si Mg Cu Ni
1 33 64 3 - -
2 24 54 2 20
3 26 57 2.5 - 14.5
4 22 51 2 15 10
5 26 57 2 15 -
The amount of the alloy to be added depends on the composition of the cast iron, mainly on the content of S and Si., And on the aim pursued: obtaining a ferritic matrix or one predominantly of ferrite 'or of perlite with nodular graphite or possibly even the desired intermediate variety
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generally known by one of the names: compact, vermicular quasi-flakes., etc .. ,,
This last variety can be obtained systematically by making additions insufficient to force the spherolitic crystallization of the graphite;
there corresponds a final S generally a little higher than that which one finds in a frankly nodular coodular cast iron therefore predominantly of spherolitic graphite.
The main advantage of the combined effect of Ca and Mg with Mg limitation consists in obtaining the gray cast iron without secondary inoculation; this can however be applied if you want a font
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softer coaodo more ferritic
So according to the composition of the cast iron and the goal that we have set for the nuance point of view of the cast iron produced, we will make additions
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from 0.2% to 5% of one of the alloys of the aforementioned series
In many cases I at 2% of the nodulation alloy will be more than sufficient
Examples include the compositions and properties of two
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Nodular cast irons obtained by adding I% of the above alloy n 2:
CJ cg Si% Mn% S% Cu% Mg% Cs% R t au a) 3.76 3.39. 1.93 0.19 0.013 0.2 0.011 present 49 9 b) 3.07 2.59 2.41 0.40 0.009 0.22 0.018 fi 56 4 According to a second preferred procedure of the invention, use will be made of the combined effect of the elements Ca and Li preferably using for the nodulation treatment an alloy containing both the elements Ca and Li, the latter being limited in the amount added so as to obtain the gray solidification structure without resorting to at secondary inoculation.
The nodulation treatment consists of the addition to the liquid iron of the alloy containing both the elements Ca and Li. It is advisable to use a ternary, quaternary or quintenary alloy of the elements.
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Cay Li, Sig Cu and Ni preferably containing at least one of the heavy vehicles Cu and Ni and whose composition limits are as follows:
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Ca - 5 to 40% Li = 2 to 10%
Si = 30 to 80%
Cu = 0 to 40% Ni = 0 to 30%
Here are some alloys which have given good results by way of nonlimiting examples:
Ca Si Li Cu Ni
1 22 50 5 23 -
2 24 53 5 18
3 20 46 4. 15 15
The quantity of the alloy to be added depends on the composition of the cast iron, mainly on the S and Si content, and on the objective pursued:
obtaining a ferritic or predominantly ferrite or perlite matrix with nodular graphite or possibly even the intermediate variety generally designated by one of the names: quasi-flake, compact, vermicular, etc ...
This last variety can be obtained systematically by making additions insufficient to force the spherolitic crystallization of the graphite; there corresponds a final S generally a little higher than that found in frankly nodular cast iron, coàado therefore predominantly of spherolitic graphite.
The main advantage of the combined effect of Ca and Li with limitation of Li consists in obtaining the gray cast iron without secondary inoculation; however, this can be applied if it is desired to obtain a smoother cast, ie. ferritic plud.
.so therefore according to the composition of the cast iron and the goal that has been set in terms of the shade of the cast iron produced, additions of 0.2% to 5% of one of the alloys of the aforementioned series
As examples, let us cite the compositions and the properties of two nodular cast irons obtained by the addition of 2% of alloy n 1:
Ct% Si% S% Cu% Ca% Li% Rtkg / mm2 A% a) 4.26 1.93 0.011 0.45 present present 42 4.2 b) 3.35 2.40 0.012 0.49 "" 57 1.3
According to a third preferred operating mode of the invention, use will be made of the combined effect of the elements Ca and Li or Ca, Li and Mg, preferably using for the nodulation treatment an alloy containing both Ca and Li or ca, Li and Mg, the latter, ie Mg, being limited to a residual content of 0.02% at most, Li not being limited.
Since Li is a fairly powerful carbide stabilizer, it may happen, especially in the case of the treatment of fluid cast iron with an S content substantially greater than 0.025 5, that the quantity of alloy to be added in order to obtain the nodular cast iron will be such that there will result an incorporated residual Li such that a white or truit structure will be obtained on solidification; when a gray solidification structure is desired, it will therefore sometimes be necessary to carry out secondary inoculation with Si.
While it is true that, compared to procedures I and 2 with limited Mg and Li, procedure n 3 without limitation of Li present, especially in the case of the treatment of a cast iron with a substantially higher S at 0.02%, for example 0.03 to 0.05%, the disadvantage of requiring the secondary inoculation in order to obtain the gray solidification structure, operating mode n 3 present on the other hand, with respect to procedures no. 1 and 2, the advantage of being more suitable for the treatment of sulfur irons substantially greater than 0.02%.
The nodulation treatment in procedure 3 consists of the addition to the liquid iron of an alloy containing both Ca and Li or Ca, Li and Mgo
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It is advisable to use an alloy containing, in addition to the influence elements Ca and Li or Ca, Li and Mg, one, two or three of the carriers, Si, Cu and Ni.
The composition limits of the alloys will be as follows:
Ca = 5 to 40%
Li = 3 to 30% Mg = 0 to 10% Si = 30 to 80%
Cu = 0 to 40% Ni = 0 to 30%
By way of nonlimiting examples, here are some alloys which have given good results:
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<tb> Ca <SEP> Li <SEP> Mg <SEP> Si <SEP> Cu <SEP> Ni
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1 <SEP> 20 <SEP> 10 <SEP> 2 <SEP> 48 <SEP> - <SEP> 20
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 2 <SEP> 21 <SEP> 10-- <SEP> 49 <SEP> 20
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 3 <SEP> 20 <SEP> 10 <SEP> 2 <SEP> 48 <SEP> 20 <SEP> -
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 4 <SEP> 18 <SEP> 15 <SEP> 2 <SEP> 40 <SEP> 12 <SEP> 13
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 5 <SEP> 22 <SEP> 6 <SEP> 3 <SEP> 51 <SEP> 18
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 6 <SEP> 18 <SEP> 15 <SEP> - <SEP> 44 <SEP> 5 <SEP> 18
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 7 <SEP> 20 <SEP> 15 <SEP> 4 <SEP> 48 <SEP> 13
<tb>
The quantity of the alloy to be added depends on the composition of the fluid cast iron and mainly on the S content;
depending on the composition of the fluid cast iron on the one hand and of the nodulation alloy on the other hand, an addition of 0.3 to 5% of one of the aforementioned alloys will be made.
As concrete examples, let us cite the results of three different treatments applied to the same basic cast iron titrating:
Ct = 3.30%
SI 1.20% Mn = 0.30%
P = 0.07%
S = 0.033% Treatment a): addition of 1.8% of alloy n 3. specimen cast after this treatment = secondary inoculation truit: 0.4% Si; specimen cast after secondary inoculation: gray structure obtained: spherulitic graphite and compact or vermicular graphite Final composition:
Ct = 3.32%
Si = 2.405 Mn - 0.29%
P - 0.07%
S = 0.022%
Mg 0.009% Ca - present.
Li = present Properties:
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Breaking load Rt 39 kg / mm2 elongation 1% = 096% Brinell hardness A 17Ù ô.
, Treatment b): addition of 2.25% of the alloy n 30 specimen cast after this treatment = trout secondary inoculation: 0.4% of Si. Coded specimen after secondary inoculation: gray.
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Structure obtained: spherolitic graphite, i.e. therefore nodular cast iron proper.
Final composition:
Ct = 3.26%
Si = 2.49%
Mn = 0.29%
P = 0.07%
S = 0.016%
Mg = 0.012%
It = present
Li = present Properties:
Et = 52 kg / mm2
A% = 2.2%
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Brinell hardness û = 214 Treatment c): addition of 3% of alloy n 3 casting specimen after treatment: trout. secondary inoculation = 0.4% Si. specimen cast after secondary inoculation: gray.
Structure obtained: spherolitic graphite, coodo therefore nodular cast iron proper.
Final composition: ct = 3.16%
Si = 2.59% Mn = 0.29%
P = 0.07%
S = 0.014%
Mg = 0.019%
It = present.
Li = presenta Properties: Rt = 56 kg / mm2
A% = 2.
Brinell hardness # = 2370
It is understood that in the mixtures referred to in the present description and in the subsequent claims, the proportions in percentages are evaluated by weight.
CLAIMS.
1. Process for the production of nodular cast iron, characterized in that at least any two elements of a series of elements comprising calcium, lithium, strontium, barium, sodium, sodium and carbonate are added to the liquid iron. potassium.
2. A method of manufacturing nodular cast iron, characterized in that one adds to the melting of magnesium and at least any one of the elements of a series comprising calcium, lithium, strontium, barium, so- dium and potassium, the quantity of magnesium being adjusted so that the content of the cast iron of residual magnesium, measured as described above, remains less than 0.02%.
** ATTENTION ** end of DESC field can contain start of CLMS **.