EP1566459A2 - Procédé de fabrication de pièces en fonte à graphite sphéroidal de grande précision géométrique et dimensionnelle et à caractéristiques mécaniques améliorées. - Google Patents
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- EP1566459A2 EP1566459A2 EP05290234A EP05290234A EP1566459A2 EP 1566459 A2 EP1566459 A2 EP 1566459A2 EP 05290234 A EP05290234 A EP 05290234A EP 05290234 A EP05290234 A EP 05290234A EP 1566459 A2 EP1566459 A2 EP 1566459A2
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- C22C37/10—Cast-iron alloys containing aluminium or silicon
Definitions
- the present invention relates to a method for the manufacture of Cast iron castings with spheroidal graphite and cast iron as obtained by the implementation of the method.
- Patent FR 2,839,727 discloses a specific process for manufacture of spheroidal graphite cast iron parts, which combines successively combining the techniques of molding, forging and heat treatment.
- the process described in this patent makes it possible to obtain Spheroidal graphite cast iron parts with very high characteristics Mechanical (Rm> 1000 Mpa, Rp 0.2 / Rm> 0.68 and A% between 4 and 14%), with dimensional and geometric accuracy close to that of conventional forging, therefore greater than that obtained by classic foundry techniques.
- the weak point in fatigue stress is located at the level of the burrs that are located at the joint plane generally located at the middle part of the room.
- This embodiment of the method according to the invention makes it possible to obtain a spheroidal graphite cast iron with a structure essentially bainitic, which gives the pieces of very high characteristics mechanical, but with a fatigue limit greater than that obtained with the process according to patent FR 2 839 727.
- Essentially bainitic means here a structure constituted at least 50% of bainite.
- said molded part is cooled calibrated at room temperature freely, controlled or by quenching, to give the piece the mechanical characteristics desired; this in replacement of bainitic stepped quenching.
- This embodiment of the invention makes it possible to obtain a graphite cast iron spheroidal with a structure made up of variable proportions of ferrite and / or perlite; The structure then being essentially ferritic or essentially pearlitic, or ferrito-pearlitic.
- essentially ferritic or essentially pearlitic one means here, and in all that follows, a structure constituted 50% or more of ferrite, or 50% or more of perlite.
- This intermediate operation is intended to rid the draft molded of all its casting appendages, but also if necessary to perfect its geometry or its volume, in view of the calibration operation following.
- This operation may include, in addition, an operation of cleaning of said blank of the workpiece, for example by brushing or another process, in order to rid it of oxides or residues from of the molding operation, before the calibration operation.
- the rate of plastic deformation during the calibration operation is deliberately limited to avoid excessive crushing of nodules of graphite which are oriented in the direction of the flow of the metal.
- the shape given to the molded blank of the piece is determined from the final shape of the piece to allow for a rate of deformation in all parts of the blank during the operation of calibration, between 1 and 20% maximum, and to orient the flow of the metal during this operation in a direction favorable to mechanical characteristics, and in particular to fatigue stresses of the piece in use.
- this cooling is carried out in the open, at blown air, or in a confined atmosphere or environment as the case may be.
- Controlled cooling here refers to a cooling carried out with a speed imposed and controlled for allow to obtain a previously defined and desired structure on the room.
- a heat treatment of income after the cooling operation of the molded part calibrated intended to adjust the structure and / or the characteristics mechanical components of said calibrated molded part.
- the invention also relates to a spheroidal graphite cast iron developed and shaped according to the process of the invention, the structure of which is either essentially bainitic or essentially pearlitic or essentially ferritic, consisting of ferrite and pearlite in variable proportions.
- the cast has undergone a plastic deformation rate limited and contained during the calibration operation, thus limiting the crushing graphite nodules.
- the rate of deformation in all parts of the blank during the operation of calibration is between 1 and 20% maximum, thus allowing to guide the flow of the metal during the calibration operation in a favorable to the mechanical characteristics and in particular to the fatigue loads of the part in service, thus favoring the limitation of deformation of spheroidal graphite nodules.
- the invention also relates to a casting made of cast iron spheroidal graphite cast iron elaborated and shaped according to one any of the embodiments of the method according to the invention.
- the present invention is particularly suitable, without this restrictive, to the manufacture of mechanical parts of automobile engines, as the connecting rod for example, or other moving parts of the engine.
- the invention is particularly well adapted without this being restrictive, to parts that must have a high fatigue limit, with a weight saving compared to steel.
- Another important advantage of the invention is to enable the production of spheroidal graphite cast iron parts with shapes impossible to obtain on steel parts by conventional stamping, as for example hollow forms on the piece located perpendicularly to the joint plane so undercut from to the direction of typing or pressing. Easily obtained by casting in a mold, these shapes already present on the molded blank of the piece only require low plastic deformation rates to be put into the final forms of the piece; these low rates of plastic deformation being compatible with a calibration operation at hot in containers or closed dies with inserts or tools placed in the matrices, as is the case in the various embodiments of the invention.
- the connecting rod of motor where the soul, which is the central part of the connecting rod that connects the head and the foot, has a profile in the form of "H" whose hollows are placed in the direction of the joint plane that is to say in the direction suitable for stamping.
- this profile should be placed perpendicular to the current profile on the part but can not be realized as well as with standard steel stamping techniques.
- the method according to the invention makes it possible to produce the engine connecting rod with the profile of the soul perpendicular to the existing profile, that is to say with the hollow forms of the section of the soul placed perpendicularly by compared to the joint plane, allowing the piece a better hold when mechanical stresses in service.
- the shape to give to the molded rod blank to ensure a deformation rate of said molded rod blank during the calibration operation, between 1 and 20% maximum in all parts of it, and this with a volume of the rod blank substantially identical to that of the connecting rod Calibrated molded mold desired to obtain the molded connecting rod calibrated without lateral burr.
- a roughing volume equal to the volume of the calibrated molded part + 2%.
- Calibration tooling included two closed dies as well that a sliding element in one of the dies for the realization of the bore of the big end; an excess metal housing had been provided at different locations on the perimeter of this bore, where a subsequent machining operation, as well as in a cavity of the foot of connecting rod where there is also a subsequent machining operation.
- the final composition cast 3.7% of VS ; 2.62% Si; 0.19% Mn; 0.3% Ni; 0.4% Cu; 0.15% of Mo, with a residual magnesium content that remained within the range 0.028% - 0.042%, was developed in the electric oven at induction, treated with ferro-silico-magnesium, and then poured between 1380 ° C and 1450 ° C in a metal mold controlled at 270 ° C and coated a protective poteyage.
- the metal mold has four rod draft impressions, so that four rod-shaped rods made of spheroidal graphite cast iron are molded at each cycle of the mold.
- the molded rod blanks have been extracted from the mold at a temperature that has always remained during testing, between 980 ° C and 950 ° C.
- each casting group consisting of four rod blanks was placed in a tool of cutting mounted on a press for separation of the weights and the casting system.
- Each rod draft was then placed immediately into an oven under a controlled nitrogen atmosphere at a temperature of 950 ° C, to ensure temperature homogeneity throughout the entire section of the rod blank before calibration.
- the holding time of each blank in the oven is always remained between 15 and 35 minutes.
- the parts compared here obtained by the process according to the invention and those made simply by molding in a metal mold, have the same metallographic structure, ie predominantly pearlitic or ferritic dominant, since they have undergone the same speed controlled cooling.
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Abstract
Description
- mise au mille améliorée par rapport au procédé classique de forgeage et par rapport au précédent brevet FR 2 839 727 ;
- limite de fatigue améliorée par rapport à celle obtenue par le procédé selon le brevet FR 2 839 727 ;
- caractéristiques mécaniques supérieures à celles obtenues par un procédé classique de fonderie ;
- précision dimensionnelle et géométrique supérieure à celle obtenue par les procédés classiques de fonderie et de forgeage, et à celle obtenue avec le procédé objet du brevet FR 2 839 727 ;
- l'opération de calibrage en conteneurs ou en matrices fermés est réalisée par pressage ou frappe de l'ébauche entre au moins deux outils, ou à l'aide d'éléments et/ou de poinçons mobiles coulissant à l'intérieur des matrices ou des outils, pour permettre notamment une déformation plastique multiaxiale sur l'ébauche ;
- le volume de l'ébauche moulée de la pièce est égal à celui de la pièce moulée calibrée avec une tolérance maximale comprise dans la fourchette 0 à + 6% ;
- le volume de matière en excès sur l'ébauche de la pièce, qui correspond à la tolérance autorisée sur le volume de l'ébauche de la pièce, est orienté lors de l'opération de calibrage dans un logement de métal en excès placé, soit dans un ou plusieurs trous borgnes ou débouchants de la pièce destinés à être usinés, soit dans une ou plusieurs cavités prévues à cet effet sur la pièce dans des zones qui n'affectent pas la précision géométrique de la pièce moulée calibrée ;
- 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, mais peut aussi être un moule non permanent en sable ou autre.
- sur un premier lot de bielles, chaque bielle moulée calibrée du lot a été laissée se refroidir à l'air libre ;
- sur un deuxième lot de bielles, chaque bielle moulée calibrée du lot, dés sa sortie de l'opération de calibrage, a été aussitôt placée dans un four tunnel à passage où une vitesse de refroidissement commandée de 20°C par minute lui était imposée entre 900°C et 500°C, puis ensuite laissée se refroidir à l'air libre ;
- enfin, sur un troisième lot de bielles, chaque bielle moulée calibrée du lot, dés sa sortie de l'opération de calibrage, a été aussitôt placée dans un bain à lit fluidisé de sable de zircon régulé à la température de 360°C, et de volume suffisamment grand pour garantir une variation de température du lit fluidisé inférieure à 5°C, lors de chaque immersion de pièce . Chaque bielle subissait ainsi une trempe étagée bainitique à la température de 360°C, et était maintenue à cette température dans le lit fluidisé pendant une durée de 110 minutes, à l'issue de laquelle chaque bielle était retirée du bain à lit fluidisé et laissée refroidir à l'air jusque la température ambiante conformément à l'invention.
Procédé selon l'invention | Procédé selon FR 2 839 727 | Procédé classique de forgeage | |
Matériau mis en oeuvre | Fonte GS | Fonte GS | Acier |
Quantité de métal mise en oeuvre en Kg | 1520 | 1800 | 1650 |
Quantité de métal de pièces produits en Kg | 1000 | 1000 | 1000 |
Mise au mille | 1,52 | 1,8 | 1,65 |
De même, au niveau de la précision géométrique et dimensionnelle, les mesures réalisées sur les bielles fabriquées selon l'invention sont comparées dans le tableau 2 suivant aux valeurs rencontrées par l'utilisation des autres procédés pour fabriquer les mêmes pièces.
Procédé utilisé | Selon l'invention | Selon brevet FR 2 839 727 | Forgeage classique | Fonderie moule métallique |
Matériau mis en oeuvre | Fonte GS | Fonte GS | Acier | Fonte GS |
Poids moyen de la pièce en gr | 770 | 770 | 835 | 770 |
Précision sur le poids de la pièce | +/- 1,5 % | +/- 2 % | +/- 2 % | +/- 3 % |
Précision dimensionnelle sur la plus grande dimension de pièce (180m/m) en m/m | +/-0,15 | +/-0,3 | +/-0,4 | +/-0,3 |
Précision dimensionnelle sur l'épaisseur de la pièce (25 m/m) en m/m | +/-0,1 | +/-0,2 | +/-0,25 | +/-0,3 |
Rugosité Ra en µm | 5 à 6 | 6 à 7 | 7 à 8 | 7 à 9 |
Angle de dépouille en degrés | 0,5° à 2° | 3° | 3° | 2° |
Procédé utilisé | Selon l'invention | Selon brevet FR 2 839 727 | Forgeage classique | Fonderie moule métallique |
Matériau mis en oeuvre | Fonte GS | Fonte GS | Acier | Fonte GS |
Rm (moyenne) en Mpa | 1070 | 1020 | 915 | 980 |
Rp0,2 (moyenne) en Mpa | 735 | 700 | 570 | 665 |
A% (moyenne) | 6,8 | 5,6 | 10,4 | 6,8 |
LF (moyenne) en Mpa | 380 | 345 | 315 | 345 |
Qualité de fonte | Fonte GS perlitique Pièces de même structure | Fonte GS ferritique Pièces de même structure | ||
Procédé utilisé | Selon l'invention | Fonderie moule métallique | Selon l'invention | Fonderie moule métallique |
Dureté HB (moyenne) | 280 | 260 | 200 | 185 |
Rm (moyenne) en Mpa | 820 | 775 | 505 | 475 |
Rp0,2 (moyenne) en Mpa | 515 | 470 | 350 | 310 |
A% (moyenne) | 4 | 3,8 | 10 | 9,2 |
LF (moyenne) en Mpa | 320 | 295 | 310 | 290 |
Claims (16)
- Procédé de fabrication de pièces en fonte à graphite sphéroïdal à caractéristiques mécaniques améliorées et de grande précision géométrique et dimensionnelle comprenant 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 1 550°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 l'ébauche de la pièce à la température Tf comprise entre 1050°C et AR3 par déformation plastique à chaud, directement dans la chaude de coulée ou après un maintien à la température Tm = Tf + 20° à 50°C pendant une durée comprise entre 10 et 60 mn, pour obtenir la pièce dans sa forme et ses dimensions finales ;e) on trempe ladite pièce directement dans la chaude de formage à une température Tb comprise entre 260°C et 420°C située dans le domaine bainitique et on maintient celle-ci à la dite température Tb pendant une durée tb comprise entre 60 mn et 180 mn ; etf) on refroidit ladite pièce à la température ambiante ;
- Procédé de fabrication de pièces en fonte à graphite sphéroïdal à caractéristiques mécaniques améliorées et de grande précision géométrique et dimensionnelle 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 ayant un volume sensiblement identique à celui 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 calibre en conteneurs ou en matrices fermées ladite ébauche de la pièce à la température Tf comprise entre 1 050°C et AR3 par déformation plastique à chaud, directement dans la chaude de coulée ou après un maintien à la température Tm = Tf + 20°C à 50°C pendant une durée comprise entre 10 et 60 mn, pour obtenir la pièce moulée calibrée sans bavure latérale ;e) on refroidit ladite pièce moulée calibrée à la température ambiante de façon libre ou commandée ou par trempe, pour conférer à la pièce les caractéristiques mécaniques souhaitées.
- Procédé de fabrication de pièces en fonte à graphite sphéroïdal à caractéristiques mécaniques améliorées et de grande précision géométrique et dimensionnelle 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 1 550°C dans un moule permettant d'obtenir une forme approchée de la pièce appelée ébauche de la pièce ayant un volume sensiblement identique à celui de la pièce ;c) on extrait ladite ébauche de la pièce du moule après refroidissement en dessous de AR3 et on la parachève à la température ambiante ;d) on réchauffe et on maintient ladite ébauche de la pièce à une température comprise entre AC3 et 1 050°C pendant une durée comprise entre 10 et 90 minutes pour permettre une bonne homogénéité de température et de composition chimique à l'intérieur de ladite ébauche ;e) on calibre en conteneurs ou en matrices fermées par déformation plastique à chaud ladite ébauche de la pièce à une température comprise entre AC3 et 1 050°C pour obtenir la pièce moulée calibrée sans bavure latérale ;f) on refroidit ladite pièce moulée calibrée à la température ambiante de façon libre ou commandée ou par trempe, selon les caractéristiques mécaniques souhaitées.
- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la forme donnée à l'ébauche moulée de la pièce est déterminée à partir de la forme finale de la pièce pour permettre un taux de déformation dans toutes les parties de l'ébauche lors de l'opération de calibrage, compris entre 1 et 20% maximum et pour orienter l'écoulement du métal lors de cette opération dans un sens favorable aux caractéristiques mécaniques et en particulier aux sollicitations en fatigue de la pièce en service.
- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que l'opération de calibrage en conteneurs ou en matrices fermés est réalisée par pressage ou frappe de l'ébauche entre au moins deux outils ou à l'aide d'éléments et/ou de poinçons mobiles coulissant à l'intérieur des matrices ou des outils pour permettre notamment une déformation plastique multiaxiale sur l'ébauche.
- Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que, entre la sortie de l'ébauche du moule (c) et l'opération de déformation plastique à chaud (d), ou entre la sortie de l'ébauche du moule (c) et l'opération complémentaire de maintien de l'ébauche à la température Tm, on ajoute une opération intermédiaire de séparation des appendices de coulée (masselottes, chenaux de coulée ...) de l'ébauche de la pièce par découpe ou autre procédé, pour obtenir l'ébauche de la pièce seule avec un volume sensiblement identique à celui de la pièce moulée calibrée à obtenir.
- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le volume de l'ébauche moulée de la pièce est égal à celui de la pièce moulée calibrée avec une tolérance maximale comprise dans la fourchette 0 à + 6%.
- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le volume de matière en excès sur l'ébauche de la pièce qui correspond à la tolérance autorisée sur le volume de l'ébauche de la pièce est orienté lors de l'opération de calibrage dans un logement de métal en excès placé, soit dans un ou plusieurs trous borgnes ou débouchants de la pièce destinés à être usinés, soit dans une ou plusieurs cavités prévues à cet effet sur la pièce dans des zones qui n'affectent pas la précision géométrique de la pièce moulée calibrée.
- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, 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, mais peut aussi être un moule non permanent en sable ou autre.
- Procédé selon la revendication 3 caractérisé en ce que l'opération de parachèvement de l'ébauche de la pièce après sa sortie du moule comporte si nécessaire une opération de meulage ou de découpe destinée à permettre d'obtenir le volume de ladite ébauche de la pièce sensiblement identique à celui de la pièce et/ou destinée à parfaire la géométrie de ladite ébauche de la pièce.
- Procédé selon la revendication 2 ou la revendication 3 caractérisé en ce que le refroidissement de la pièce moulée calibrée de façon libre, commandée ou par trempe, est réalisé à l'air libre, à l'air soufflé, ou en atmosphère ou milieu confiné.
- Procédé selon la revendication 2 ou la revendication 3 caractérisé en ce qu'il comporte, en outre , un traitement thermique de revenu situé après l'opération de refroidissement de la pièce moulée calibrée, destiné à ajuster la structure et/ou les caractéristiques mécaniques de ladite pièce moulée calibrée.
- Fonte à graphite sphéroïdal 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%, élaborée et mise en forme selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle a une structure essentiellement bainitique, et ayant subi un taux de déformation plastique limité et contenu lors de l'opération de calibrage, en limitant ainsi les écrasements des nodules de graphite.
- Fonte à graphite sphéroïdal 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%, élaborée et mise en forme selon l'une quelconque des revendications 2, 3, 11 ou 12, caractérisée en ce qu'elle a une structure, soit essentiellement ferritique, soit essentiellement perlitique, soit ferrito-perlitique, et ayant subi un taux de déformation plastique limité et contenu lors de l'opération de calibrage, en limitant ainsi les écrasements des nodules de graphite.
- Fonte selon la revendication 13 ou 14, caractérisée en ce que le taux de déformation dans toutes les parties de l'ébauche lors de l'opération de calibrage est compris entre 1 et 20 % au maximum, en permettant ainsi d'orienter l'écoulement du métal lors de l'opération de calibrage dans un sens favorable aux caractéristiques mécaniques et en particuliers aux sollicitations en fatigue de la pièce en service, en favorisant ainsi la limitation de la déformation des nodules de graphite sphéroïdal.
- Pièce en fonte caractérisée en ce qu'elle est constituée d'une fonte à graphite sphéroïdal selon la revendication 13, ou la revendication 14, ou la revendication 15, cette pièce étant en particulier de forme en creux ou bielle de moteur.
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