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Fontes, aciers et alliages divers
pour moulage de pièces devant résister à l'abrasion, à la corrosion,
ou satisfaire à certaines caractéristiques
Cast irons, steels and various alloys intended to resist abrasion or corrosion,
or to satisfy certain spécifications
PAR E. P O I B O T
INGÉNIEUR E.E.M.I. ET E.S.F.
INGÉNIEUR AlF CENTRE D'INFORMATION BU NICKEL
Rappel sommaire des cas pouvant se présenter dans le choix d'un matériau pour des pièces de.
pompes, de turbines, etc. — Limitation de l'ex- posé à deux cas typiques : « Abrasion » et
« Corrosion » .
L'abrasion peut avoir un caractère peu sévère, et dans ce cas la fonte à graphite sphéroïdat perlitique est indiquée; l'abrasion peut au con- traire être très sévère : suivant que les pièces seront ou non usinées, et subiront ou non des chocs en service, on envisage les fontes marten- sitiques, soit grises, soit blanches, du type Ni- Hard. Les pièces à profil compliqué sont du domaine de l'acier nickel-chrome trempant ù l'air. Les compositions, les propriétés, les condi- tions de réception et le traitement de ces métaux sont ici définis.
La corrosion relève des fontes austénitiques du type Ni-Resist, des aciers inoxydables du type iS/S. des alliages de cuivre et de nickel à haute teneur en nickel dont le type est le métal Monel, ou encore des bronzes d'aluminium au nickel.
Là encore, l'auteur indique les meilleures com- positions, les caractéristiques, ainsi que les conditions d'emploi et d'usinage des divers alliages.
A résumé of problems likelg lo arise when choosing materials for components of machines such as turbines and pumps. Considérations limited to luto typical cases; " Abrasion " and
" Corrosion ".
Abrasion may be slight and in such cases per- lilic cast iron containing spheroidal graphite is indicated. On ihe other hand, where abrasion is acute, grey or Ni-Hard type while marten- sitic cast irons are to be used, according io whether or not the component is to be machin- ed, and whether or not il is lo be subjected to shocks when in use. Components of complical- ed shape are lo be made of air-hardened nickel- chromiiim steel. The composition, properlies, acceptance tests, and treatment of thèse mêlais are defined.
Corrosion makes necessary Ni-Resist type austenitic cast irons, 18/8 type stainless steels, cooper-nickel alloys with a high nickel con- tent as lypified by Monel métal, or even alu- minium bronzes containing nickel. Hère a gain Ihe author indicntes the characlerislics, the besl composition as well as ways of using and machining thèse alloys.
I N T R O D U C T I O N
L e c h o i x d'un m a t é r i a u p o u r des pièces de p o m p e s , de t u r b i n e s , de m a t é r i e l h y d r a u l i q u e , n'est pas t o u j o u r s aisé car elles d o i v e n t s o u v e n t r é p o n d r e à des c o n d i t i o n s de service variées, en m e t t a n t m ê m e de côté les i n f l u e n c e s de l'abra- sion, de la c o r r o s i o n , de l ' é r o s i o n et de la c a v i - t a t i o n . T e l l e p i è c e d e v a n t résister à l ' a b r a s i o n d e v r a aussi a v o i r une r é s i s t a n c e au c h o c accep-
table, ou un bon f r o t t e m e n t ou p o u v o i r être usi- née avec p r é c i s i o n ; de m ê m e t e l l e a u t r e p i è c e
aura à résister à la fois à l ' a b r a s i o n et à la c o r r o s i o n , t e l l e a u t r e e n c o r e , t o u t en r é s i s t a n t à la c o r r o s i o n , d e v r a a v o i r un b o n f r o t t e m e n t , ou une b o n n e résistance à la c h a l e u r , ou être fa- c i l e m e n t m o u l a b l e , e t c . . F a i r e une c l a s s i f i c a t i o n de t o u s les cas d e v a n t l e s q u e l s on p e u t se t r o u - ver et en d é d u i r e le m a t é r i a u à u t i l i s e r serait une é n u m é r a t i o n d i f f i c i l e et f a s t i d i e u s e . C'est p o u r q u o i n o u s avons p r é f é r é c o n s i d é r e r séparé- m e n t les deux cas t y p i q u e s « A b r a s i o n » et
Article published by SHF and available athttp://www.shf-lhb.orgorhttp://dx.doi.org/10.1051/lhb/1955057
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F I G . 1, — Fonte à graphite lamellaire. On voit nettement que les lamelles de graphite à extrémités aiguës entaillent la matrice et en diminuent ainsi les caractéristiques
mécaniques.
« C o r r o s i o n » p o u r lesquels nous i n d i q u e r o n s q u e l q u e s m a t é r i a u x d o n t la q u a l i t é p r e m i è r e est de résister p r i n c i p a l e m e n t à l ' u n de ces p h é n o - mènes et d o n t nous essaierons de faire ressortir d'autres p r o p r i é t é s p e r m e t t a n t de guider le c o n s t r u c t e u r p o u r le c h o i x définitif de tel o u tel a u t r e m é t a l .
L e s m a t é r i a u x d o n t nous allons parler, les fontes alliées s u r t o u t , sont des m é t a u x spé- c i a u x q u i d e m a n d e n t certains soins d ' é l a b o r a t i o n et de m o u l a g e , s o u v e n t de t r a i t e m e n t t h e r m i - que. N o u s insistons d o n c dès à p r é s e n t sur le fait q u e de tels m é t a u x d o i v e n t être c o m m a n d é s à des f o n d e u r s q u i ç n o n t l ' e x p é r i e n c e .
I . — A B R A S I O N
L o r s q u e la q u e s t i o n de résistance à l'abrasion est posée, la r é p o n s e est g é n é r a l e m e n t l ' e m p l o i d'un m a t é r i a u de dureté très élevée : la résistance à l'abrasion est g é n é r a l e m e n t f o n c t i o n de la du- reté, mais i l ne faut pas c o n s i d é r e r cette carac-
t é r i s t i q u e c o m m e seule indispensable. A i n s i , u n e m ê m e d u r e t é p e u t être o b t e n u e avec des m a t é - r i a u x de s t r u c t u r e s différentes; or, u n e s t r u c t u r e p e u t avoir u n e m e i l l e u r e résistance à l'abrasion q u ' u n e a u t r e q u i , d'autre p a r t , d o n n e , par e x e m -
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Fia. 2 et 2 ' . — F o n t e à graphite sphéroïdal. L e graphite cristallisé sous forme de sphères n'affecte plus les caractéristiques mécaniques de la m a t r i c e .
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pie, une dureté élevée au p r i x d'une grande fragilité.
D ' a u t r e part, le c h o i x du m a t é r i a u dépend bien e n t e n d u des c o n d i t i o n s de service. Mais n o t r e étude rapide sera s u r t o u t un e x a m e n des duretés et de la r é p e r c u s s i o n de celles-ci sur d'autres p r o p r i é t é s : usinabilité, résistance m é c a n i q u e . . . ; nous adopterons le plan suivant :
1. ABRASION PEU SÉVÈRE :
— F o n t e à g r a p h i t e sphéroïdal p e r l i t i q u e . 2. ABRASION SÉVÈRE :
a) Fontes grises à structure martensitique (les pièces d o i v e n t être usinées et ne su- bissent pas de chocs i m p o r t a n t s en ser- vice) ;
b) Fontes blanches martensitique s (type Ni- Hard) (les pièces n ' o n t pas à être usinées
et ne nécessitent pas une b o n n e résis- tance aux c h o c s ) .
c) Acier nickel-chrome trempant à l'air (les pièces, d'un profil c o m p l i q u é , d o i v e n t avoir une dureté élevée à coeur et une résistance m é c a n i q u e é l e v é e ) .
1 ) A b r a s i o n p e u s é v è r e
Dans le cas d'abrasion peu sévère, il n'est peut- être pas u t i l e d ' e m p l o y e r des m a t é r i a u x très durs. J u s q u ' i c i on ne p o u v a i t pas n o n plus son- ger à u t i l i s e r une fonte grise n o n alliée à gra- p h i t e l a m e l l a i r e , du fait de ses c a r a c t é r i s t i q u e s m é c a n i q u e s faibles, sa f r a g i l i t é et sa dureté peu élevée. Ces p o i n t s faibles sont dus à la f o r m e m ê m e du g r a p h i t e , c o m m e le m o n t r e la figure 1.
REO-
110 100 90 80 70 60 50 40 30 20
R kg/mm2
1
!
•S - - - Ô
S
-Fontes à graphite sphéroïdal alliées
^ Fontes à graphite sphéroïdal
8 ? 8 9 S S
Fio. 3. — E v o l u t i o n de la résistance à l a traction des fontes n o t a m m e n t depuis ces trente dernières années.
Cette courbe m o n t r e les fortes améliorations obtenues avec les fontes spéciales et les résistances remarquables
obtenues avec les fontes à graphite sphéroïdal.
U n t r a i t e m e n t spécial de la fonte, d é c o u v e r t il y a six ans e n v i r o n , a p e r m i s de faire cristal- liser le g r a p h i t e sous f o r m e de sphères ( * ) (fig. 2 et 2 ' ) . Cette fonte, dont le g r a p h i t e n ' e n t a i l l e plus
la m a t r i c e , a des c a r a c t é r i s t i q u e s m é c a n i q u e s élevées (fig. 3) t o u t en c o n s e r v a n t la f a c i l i t é de m o u l a g e de la f o n t e grise o r d i n a i r e .
E l l e p e u t avoir une s t r u c t u r e soit p e r l i t i q u e o b t e n u e à l'état b r u t de coulée (résistance à la t r a c t i o n élevée, a l l o n g e m e n t s encore, f a i b l e s ) , soit f e r r i t i q u e après r e c u i t (résistance à la trac- t i o n plus faible, mais a l l o n g e m e n t s élevés), soit enfin f e r r i t o - p e r l i t i q u e après r e c u i t de f e r r i - t i s a t i o n i n c o m p l e t ( c a r a c t é r i s t i q u e s m é c a n i q u e s i n t e r m é d i a i r e s ) .
C'est avec une s t r u c t u r e p e r l i t i q u e q u e la fonte à g r a p h i t e sphéroïdal a les duretés les plus éle- vées; c'est donc de ce type d o n t nous p a r l e r o n s s u r t o u t : des p r o p r i é t é s m é c a n i q u e s , de la tenue à la pression, du f r o t t e m e n t , du m o u l a g e , de l ' u s m a b i l i t é .
1° P R O P R I É T É S MÉCANIQUES :
Les c a r a c t é r i s t i q u e s m é c a n i q u e s à l'essai de traction de la f o n t e à g r a p h i t e sphéroïdal p e r l i - t i q u e p e u v e n t varier dans ces l i m i t e s :
R = 58-80 k g / m m2, E = 42-60 k g / m m5, A = 0,5-5 %,• HB = 250-300.
L e s c a r a c t é r i s t i q u e s m i n i m u m sont celles ga- ranties par une spécification des f o n d e u r s li- cenciés p o u r la p r o d u c t i o n de ces fontes.
Les c a r a c t é r i s t i q u e s m a x i m u m sont celles que l'on p e u t atteindre après t r a i t e m e n t de n o r m a - lisation, c'est-à-dire chauffage à 900° C suivi d'un r e f r o i d i s s e m e n t à l'air c a l m e .
L a dureté de cette fonte p e u t s'échelonner, suivant la c o m p o s i t i o n c h i m i q u e , e n t r e 250 et 300 B r i n e l l . Dans le cas de pièces devant résis- ter â une abrasion peu sévère, il sera p r é f é r a b l e de' c h o i s i r les nuances à plus fortes duretés, c'est- à-dire 280-300 B r i n e l l .
D ' a u t r e part, la résistance au c h o c de la f o n t e à g r a p h i t e s p h é r o ï d a l est s u p é r i e u r e à celle des m e i l l e u r e s fontes grises à g r a p h i t e l a m e l l a i r e . P o u r une m ê m e s t r u c t u r e p e r l i t i q u e , la r é s i l i e n c e sur é p r o u v e t t e s de 10 X 10 X 55 m i n n o n en- taillées et cassées sur appuis distants de 40 m m . est de 1 k g m / c m2 e n v i r o n p o u r une f o n t e à gra- p h i t e sphéroïdal, c'est-à-dire b i e n s u p é r i e u r e au travail de r u p t u r e o b t e n u avec une f o n t e à gra- p h i t e l a m e l l a i r e .
(*) Ces nouvelles fontes à graphite sphéroïdal l'ont l ' o b j e t de brevets qui pour l'Europe, sont la p r o p r i é t é de la Mond Nickel Co. de Londres.
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FIG. 4. — T u y a u centrifugé de 250 m m de diamètre intérieur après essai de pression à outrance. Il s'est fissuré pour une pression de 340 k g / c m2.
2 " T E N U E A L A P R E S S I O N :
E A G A N et J A M E S ( * ) o n t p u b l i é les r é s u l t a t s d'essais effectués sur des r é c i p i e n t s à p r e s s i o n en f o n t e grise o r d i n a i r e , fonte alliée, acier m o u l é et f o n t e à g r a p h i t e s p h é r o ï d a l ; ces résul- tats i n d i q u e n t que les pressions d ' é c l a t e m e n t sont s e n s i b l e m e n t p r o p o r t i o n n e l l e s a la c h a r g e de r u p t u r e du m é t a l , ce q u i situe bien la n o u - velle f o n t e . A u c o u r s d'essais de p r e s s i o n o n a r e m a r q u é q u ' e l l e n ' é c l a t a i t pas en f r a g m e n t s , mais q u ' e l l e se fissurait après g o n f l e m e n t (fig. 4) ; citons, par e x e m p l e , des essais de p r e s s i o n effec- tués sur des t u y a u x c e n t r i f u g é s de 11 m m d'épais- seur q u i , en fonte à g r a p h i t e sphéroïdal, n ' o n t cédé que sous une p r e s s i o n de 340 k g / c m2, alors que ceux en f o n t e o r d i n a i r e se r o m p e n t sous 150 à 200 k g / c m2.
3° F R O T T E M E N T :
L e passage de la f o r m e l a m e l l a i r e à la f o r m e sphéroïdale du g r a p h i t e ne semble guère m o d i f i e r cette q u a l i t é . A m ê m e q u a n t i t é de g r a p h i t e et à dureté semblable, la fonte à g r a p h i t e sphéroïdal a s e n s i b l e m e n t le m ê m e f r o t t e m e n t q u e la f o n t e à g r a p h i t e l a m e l l a i r e .
( * ) EAGAN et JAMES : A practical Evaluation of Ductile Cast Iran. I r o n Age, 1949, C L X I V , déc. 8, 75-79, déc. 15, 77, 82.
FIG. 5. — I m p u l s e u r de ventilateur en fonte à graphite sphéroïdal. Les ailettes de 3 mm d'épaisseur sont très
bien venues de fonderie.
L a m a t r i c e de la f o n t e a aussi une i n f l u e n c e sur cette p r o p r i é t é et» p o u r u n b o n f r o t t e m e n t , il
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est r e c o m m a n d é d'utiliser une f o n t e à s t r u c t u r e p e r l i t i q u e .
4° M O U L A G E :
T o u s les m o u l a g e s de petites (fig. 5) ou fortes (fig. 6) d i m e n s i o n s n o r m a l e m e n t coulés en fonte, acier ou n o n f e r r e u x , p e u v e n t être exécutés en fonte à g r a p h i t e sphéroïdal. N é a n m o i n s , i l est i m p o r t a n t de signaler que son aptitude à la retassure est n e t t e m e n t plus m a r q u é e que celle de la f o n t e o r d i n a i r e . Aussi le c o n s t r u c t e u r aura- t-il i n t é r ê t , c h a q u e fois q u e cela sera possible, à éviter dans le profil des pièces tous les chan- g e m e n t s brusques de section et la présence de masses i m p o r t a n t e s .
5 ° U S I N A B I L I T É :
Malgré sa dureté plus élevée, la fonte à gra- p h i t e sphéroïdal s'usine aussi bien que la fonte ordinaire. P a r e x e m p l e la durée de l ' o u t i l est à peu près la m ê m e avec une fonte à g r a p h i t e sphéroïdal de 220 B r i n e l l et une fonte grise or- dinaire de 1 4 5 B r i n e l l . N é a n m o i n s , la c o n s o m -
m a t i o n d'énergie est s u p é r i e u r e p o u r la f o n t e à g r a p h i t e s p h é r o ï d a l .
L e p o l i de surface est, d'autre part, b i e n su- p é r i e u r à c e l u i de la f o n t e o r d i n a i r e et sembla- ble p l u t ô t à c e l u i de l'acier.
2 ) A b r a s i o n s é v è r e
a) Les pièces doivent être usinées et ne subissent pas de chocs importants en service :
F O N T E S G R I S E S M A R T E N S I T I Q U E S :
L e n i c k e l est u n g r a p h i t i s a n t , mais en o u t r e il a une a c t i o n sur la m a t r i c e de la f o n t e . A v e c des additions croissantes de n i c k e l , la dureté c o m m e n c e par c r o î t r e , passe par u n m a x i m u m , puis d é c r o î t , ce q u i c o r r e s p o n d à une m o d i f i c a - t i o n de s t r u c t u r e , c'est-à-dire au passage de la p e r l i t e à la sorbite, puis à la m a r t e n s i t e , puis enfin à l'austénite. L e s duretés les plus élevées c o r r e s p o n d e n t à des t e n e u r s en n i c k e l de 4 à 10 %, c'est-à-dire à u n e s t r u c t u r e m a r t e n s i t i q u e .
I l est, d'autre part, nécessaire de r é g l e r la teneur en n i c k e l en f o n c t i o n de l'épaisseur du m o u l a g e , ainsi, é v i d e m m e n t , que celles en sili- c i u m et c h r o m e . L e tableau I d o n n e les c o m -
FIG. 6. — Superstructure de turbine P e l t o n . Ce moulage de 11 tonnes a été coulé en fonte à graphite sphéroïdal.
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T A B L E A U I
COMPOSITION CHIMIQUE Epaisseur
Epaisseur des pièces
CT Si Mn Ni Cr
5 à 10 mm 3-3,3 2,5-1,8 0,8-1 3,5-4 0,3-0,8 10 à 15 mm
—
2,2-1,0—
3,8-4,5 0,5-115 à 20 mm — 1,8-1,4 — 4 -4,5 0,7-1
20 à 50 mm 1,5-1,2
--
4,2-5 0,8-1,2T A B L E A U II
CT Si Mn Ni Cr
Dureté Vickers 50 kg Hésiliencc kgm/cm-
M i c r o - structure
3,57 0,56 0,43 0 0 540 0,16 carbure + p e r l i t e
3,57 0,56 0,43 0 1,95 576 0,21 carbure + perlite
2,90 0,48 0,36 4,35 1,70 593 0,43 carbure + martensile -l-austénite
T A B L E A U I I I
CT Si Mn Ni Cr
Dureté Vickers 50 kg a s
.2 "
S
A ~*
M i c r o - structure
3,57 0,56 0,43 0 0 540 0,16 carbure -t-perlite
3,57 0,56 0,43 0 1,95 576 0,21 carbure + perlite
3,5'' 0,56 0,56 3,80 1,95 665 0,28 carbure -fmartensite + un peu
d'austénite
p o s i t i o n s préconisées p o u r des m o u l a g e s d'épais- seur m o y e n n e allant de 5 à 50 m m .
Ces fontes, de c o m p o s i t i o n c o r r e c t e m e n t c h o i - sie, d o n n e n t des m o u l a g e s inusinables à l'état b r u t de coulée, mais un r e v e n u à 600-625° C les a d o u c i t et p e r m e t ainsi leur usinage. — A p r è s usinage, les m o u l a g e s p e u v e n t être à n o u v e a u
durcis par chauffage à 850° C suivi d'un r e f r o i - dissement à l'air c a l m e . I l est r e c o m m a n d é de faire suivre ce t r a i t e m e n t d'un revenu à 250- 300° C p o u r d é t r u i r e les tensions i n t e r n e s q u i p e u v e n t se p r o d u i r e au cours de la t r e m p e mar- tensitique. A p r è s ces t r a i t e m e n t s , les m o u l a g e s o n t des duretés de l ' o r d r e de 350-400 B r i n e l l .
C o m m e p o u r les fontes non alliées, le g r a p h i t e p e u t être, aussi dans ce cas, l a m e l l a i r e ou sphé- r o ï d a l . L e g r a p h i t e sphéroïdal p e r m e t d'obtenir des c a r a c t é r i s t i q u e s m é c a n i q u e s élevées, puis- que l ' o n a atteint j u s q u ' à 120 k g / m m2, et des duretés de l'ordre de 450-500 B r i n e l l .
b) Les pièces n'ont pas à être usinées et ne nécessi- tent pas une bonne résilience au choc :
F O N T E S B L A N C H E S M A R T E N S I T I Q U E S D U T Y P E N I - H A R D :
— Les fontes blanches m a r t e n s i t i q u e s per- m e t t e n t d'obtenir les m ê m e s duretés q u ' a v e c les fontes blanches n o n alliées à s t r u c t u r e p e r l i t i - que, mais avec une quantité moindre de car- bure et donc avec moins de fragilité ( T a b l e a u I I ) .
— A quantité équivalente de carbure, les f o n - tes blanches m a r t e n s i t i q u e s o n t des duretés plus élevées que les fontes blanches p e r l i t i q u e s ( T a - bleau I I I ) .
D o n c p o u r une b o n n e résistance à l'abrasion, selon que la pièce en service r i s q u e ou ne ris- que pas de subir des c h o c s , on p e u t e m p l o y e r une f o n t e b l a n c h e m a r t e n s i t i q u e à bas c a r b o n e , c'est-à-dire avec m o i n s de c a r b u r e et par suite m o i n s fragile, ou une fonte b l a n c h e m a r t e n s i - t i q u e plus carburée, à h a u t carbone, c'est-à-dire à dureté élevée.
C O M P O S I T I O N S :
C o m m e p o u r les fontes grises m a r t e n s i t i q u e s , la teneur en n i c k e l d o i t être réglée en f o n c t i o n de l'épaisseur du m o u l a g e . E l l e d o i t être m o i n - dre dans les m o u l a g e s m i n c e s p o u r ne pas y avoir d'austénite résiduelle, et plus élevée dans les m o u l a g e s épais p o u r ne pas y avoir de p e r l i t e . Il faut aussi r é g l e r la t e n e u r en n i c k e l en f o n c - t i o n de la teneur en c a r b o n e
De m ê m e , les teneurs en s i l i c i u m et c h r o m e seront d é t e r m i n é e s par r a p p o r t à l'épaisseur du m o u l a g e . L e c h r o m e a p o u r r ô l e p r i n c i p a l de c o n t r e - b a l a n c e r l ' a c t i o n g r a p h i t i s a n l e du n i c k e l .
T e n a n t c o m p t e de ces c o n s i d é r a t i o n s , n o u s d o n n o n s p o u r des pièces coulées en sable, dans le tableau I V , les c o m p o s i t i o n s de f o n t e N i - H a r d préconisées en f o n c t i o n des épaisseurs des m o u - lages et de la t e n e u r en c a r b o n e .
738 L A H O U I L L E B L A N C H E
T A B L E A U I V
N » 5 - O C T . - N O V . 1955
C O M P O S I T I O N ' C H I M I Q U E
H A U T C A R B O N E G R A N D E D U R E T É BAS C A R B O N E • H A U T E R É S I S T A N C E
C O M P O S I T I O N ' C H I M I Q U E Coulée en sable Coulée en sable
C O M P O S I T I O N ' C H I M I Q U E
Epaisseur ( m m )
12 25 50 75 100
Epaisseur ( m m )
12 25 50 75 100
Carbone Teneur % 3,6-3,2 3,2-2,7
Silicium » 0,7 | 0,6 | 0,5 j 0,5 | 0,4 | 0,4 0,9 j 0,7 j 0,6 j 0,5 | 0,4 | 0,4
Manganèse » 0,3-0,6 0,3-0,6
Soufre » 0,15 max. 0,15 max.
Phosphore » 0,40 max. 0,40 max.
Nickel » 3,8 | 4,0 | 4,2 [ 4,4 J 4,6 | 4,8 4,0 | 4,2 | 4,4 | 4,6 | 4,8 | 5,0
Chrome » 1,6 | 1,8 | 2,0 | 2,2 | 2,4 | 2,6 1,5 | 1,7 | 1,9 ! 2,1 1 2,3 | 2,5
CONDITIONS DE RÉCEPTION :
Si ces c o m p o s i t i o n s ont bien été respectées par le f o n d e u r en f o n c t i o n de l'épaisseur des moulages, les pièces c o u l é e s en sable d o i v e n t avoir des duretés de 550-650 B r i n e l l p o u r celles à h a u t c a r b o n e et 525-625 B r i n e l l p o u r celles à bas c a r b o n e .
Ces duretés d o i v e n t être mesurées avec une bille en c a r b u r e de t u n g s t è n e soit de 10 m m de d i a m è t r e sous une pression de 3 000 kg, soit de 5 m m de d i a m è t r e sous une pression de 750 k g . D ' a u t r e part, les pièces coulées en f o n t e blan- che m a r t e n s i t i q u e du type N i - H a r d , c o m m e cel- les coulées en f o n t e blanche o r d i n a i r e d'ailleurs, sont soumises à des tensions i n t e r n e s q u i les r e n d e n t fragiles. Ces tensions c e p e n d a n t p e u - v e n t être f a c i l e m e n t é l i m i n é e s par u n s i m p l e t r a i t e m e n t de détente. Les pièces doivent donc être livrées après avoir subi un revenu à 200- 230" C pendant trois heures,.plus une heure par 25 mm d'épaisseur supplémentaire. Ce r e v e n u n'altère pas la dureté des pièces.
c) Les pièces, d'un profil compliqué, doivent avoir une dureté élevée à cœur et une résistance mécanique
élevée :
A C I E R N I C K E L - C H R O M E T R E M P A N T A L ' A I R : N o u s c i t e r o n s p o u r m é m o i r e q u e l q u e s nuances d'aciers bien connues c o m m e susceptibles de d o n n e r des duretés élevées dans les m o u l a g e s :
1° Acier à 13 % de chrome : sa dureté peut être a u g m e n t é e par t r e m p e à l ' h u i l e , mais p o u r des m o u l a g e s c o m p l i q u é s on d o i t c r a i n d r e les t a p u r e s ;
2° Acier au chrome-molybdène c o n t e n a n t du n i c k e l p o u r abaisser la vitesse c r i t i q u e de t r e m p e ;
3° Aciers autotrempants au nickel-chrome q u i sont les plus i m p o r t a n t s et p e r m e t t e n t d ' o b t e n i r dans les pièces des duretés à c œ u r élevées sans r i s q u e de tapures.
L a c o n r p o s i t i o n de ces aciers p e u t varier dans les l i m i t e s suivantes :
Cr — 0,25-0,60 M n — 0,60-0,90 Ni — 2,80-4,50 Cr—0,80-1,50
Ces aciers c o n t i e n n e n t aussi la p l u p a r t du t e m p s du m o l y b d è n e q u i a tendance à a u g m e n t e r s e n s i b l e m e n t F a u t o t r e m p e et d i m i n u e efficace- m e n t les p h é n o m è n e s de f r a g i l i t é après r e v e n u ou après r e f r o i d i s s e m e n t lent. L a teneur en cet é l é m e n t est g é n é r a l e m e n t de 0,2 à 0,5 % .
L e t r a i t e m e n t t h e r m i q u e des pièces consiste, après r e c u i t d ' h o m o g é n é i s a t i o n , en u n e t r e m p e à l'air après chauffage à 850° C suivi d'un re- venu. Selon la t e m p é r a t u r e du r e v e n u , les carac- t é r i s t i q u e s m é c a n i q u e s p e u v e n t v a r i e r dans les l i m i t e s suivantes :
R = 90-170 k g / m m2 E = 75-140 k g / m m2 À == 6-16 % K E2= 5-14 k g m / c m2 HB = , 2 7 5 - 5 0 0
OCT.-NOV. 1955 - N ° 5 L A H O U I L L E B L A N C H E 739
I I . — C O R R O S I O N
L e p r o b l è m e de l,a résistance à la c o r r o s i o n est aussi très c o m p l e x e et a fait l ' o b j e t de n o m - breuses et longues études sur une grande diver- sité de m a t é r i a u x . N o u s nous b o r n e r o n s , i c i , à citer ceux q u i sont les plus c o u r a m m e n t em- ployés et que nous avons étudiés plus p a r t i c u - l i è r e m e n t :
— les fontes austénitiques du type Ni-Résist,
— les aciers inoxydables du type 18/8,
— les c u p r o - n i c k e l , et, en p a r t i c u l i e r , le m é t a l M o n e l .
Fontes austénitiques d u t y p e Ni-Resist Il existe p l u s i e u r s types de fontes austéniti- ques ( N i - R é s i s t ) (fig. 7) d o n t nous d o n n e r o n s , en plus de leurs c o m p o s i t i o n s , q u e l q u e s i n d i c a t i o n s sur le m o u l a g e , l'usinabilité, les p r o p r i é t é s méca- n i q u e s , la résistance à la chaleur.
1° COMPOSITIONS :
Les c o m p o s i t i o n s sont i n d i q u é e s dans le ta- bleau V ci-après.
Chacune de ces c o m p o s i t i o n s c o n f è r e à la fonte une p a r t i c u l a r i t é d ' e m p l o i . L e s types I et II sont les plus g é n é r a l e m e n t utilisés.
Type 1. Il est r e c o m m a n d é p o u r la m a n u t e n t i o n d'acides m i n é r a u x dilués.
Type II, I l résiste à u n grand n o m b r e de m i l i e u x c o r r o s i f s et du fait de sa basse teneur en c u i v r e , peut être e m p l o y é dans les cas où cet é l é m e n t est indésirable.
Tijps I a et II b. A basse teneur en carbone, ils o n t une b o n n e résistance m é c a n i q u e et peu-
vent être utilisés p o u r des pièces devant résis- ter à la pression.
Type II b. Ce type à haute l e n e u r en c h r o m e p e u t être e m p l o y é s u r t o u t p o u r résister à des t e m p é r a t u r e s allant j u s q u ' à 810-820° C. E n o u t r e , la dureté plus élevée (170-250 B r i n e l l ) de ce type l u i c o n f è r e une m e i l l e u r e résis- tance à l'abrasion.
Type III. Il est r e c o m m a n d é dans le cas o ù les m o u l a g e s sont s o u m i s à des chauffages et re- f r o i d i s s e m e n t s répétés entre la t e m p é r a t u r e a m b i a n t e et 225°, car il a u n faible coefficient de dilatation.
Type IV. Il est supérieur aux autres types au p o i n t de vue résistance à la chaleur et à la c o r r o s i o n .
Type V. A p p e l é « M 1 N V A R » . II est s u r t o u t uti- lisé p o u r son très faible coefficient de dila- t a t i o n .
2° M O U L A G E :
L ' a p t i t u d e à la retassure de ces fontes est très m a r q u é e et semblable à celle de l'acier. P o u r le tracé des pièces o n p r e n d r a d o n c les m ê m e s p r é - cautions que p o u r c e l u i des m o u l a g e s d'acier;
tous les c h a n g e m e n t s b r u s q u e s de sections sont à éviter. L o r s q u ' i l s'agit de c o u l e r avec c e l l e fonte une pièce h a b i t u e l l e m e n t e x é c u t é e en un autre métal à c a r a c t é r i s t i q u e de s o l i d i f i c a t i o n différente, on devra laisser au f o n d e u r toute lati- tude p o u r modifier le m o d è l e et assurer une a l i m e n t a t i o n c o r r e c t e du m o u l a g e .
E n o u t r e , le r e t r a i t de cette f o n t e est élevé et de l ' o r d r e de 16 %c.
T A B L E A U V
•Type I Type I a Type II Type II a Type II b Type III Type IV Type V
Carbone % 3 max. 2,80 max 3 max 2,80 max 3 max 2,75 max 2,60 max 2,40 max
Silicium % 1 - 2,5 1,5 - 2,75 1 - 2,5 1,5 - 2,75 1 - 2,5 1 - 2 5 - 6 1 - 2 Manganèse % 1 - 1,5 1 - 1,5 0,8 - 1,5 0,8 - 1,5 0,8- 1,5 0,4- 0,8 0,4- 0,8 0,4- 0,8
Nickel % 13,5 -17,5 13,5-17,5 18 -22 18 -22, 18 -22 28 -32 29 -32 34 -36
Cuivre % 5,5 - 7,5 5,5 - 7,5 0,5 max 0,5 max 0,5 max 0,5 max 0,5 max 0,5 max
Chrome % 1,75- 2,5 1,75- 2,5 1,75- 2,5 1,75- 2,5 3 - (i 2,5- 3,5 4,5- 5,5 0,10 max
740 L A H O U I L L E B L A N C H E N » 5 - OCT.-NOV. 1955
F I G . 7. — Corps de vannes et couvercles en fonte austénitique du type N i - R é s i s t .
3° U S I N A B I L I T É :
L ' u s i n a g e à b o n m a r c h é de la fonte N i - R é s i s t la fait souvent p r é f é r e r à u n autre m a t é r i a u résistant bien à la c o r r o s i o n mais d'un usinage plus c o û t e u x .
P o u r une dureté normale de 130-160 Brinell, la N i - R é s i s t s'usine très bien. I l est r e c o m m a n d é d'utiliser dans ce cas des o u t i l s m o u l é s en alliage n o n f e r r e u x tels que stellite 9 8 - M2 q u i p e r m e t - tent des vitesses de c o u p e de 10 à 15 % supérieu- res à celles adoptées avec l'acier rapide.
P o u r des duretés supérieures à 175 Brinell, il faut utiliser des o u t i l s a u x carbures en r é d u i - sant les vitesses sans d i m i n u e r b e a u c o u p les avances.
A u - d e l à de 240 Brinell, i l faut utiliser le ineu- lage.
4° P R O P R I É T É S MÉCANIQUES :
L a charge de r u p t u r e à la t r a c t i o n , p o u r la p l u p a r t des types de cette f o n t e , v a r i e de 17 à 25 k g / m m2. P o u r les types I a et II a à bas car- bone, elle p e u t atteindre 35 k g / m m2.
L a d u r e t é est de l ' o r d r e de 130-180 B r i n e l l . E l l e p e u t atteindre 250 B r i n e l l p o u r des teneurs en c h r o m e élevées, mais dans ce cas l'usinage de- v i e n t difficile.
C o m m e p o u r les fontes o r d i n a i r e s , les fontes grises a u s t é n i t i q u e s p e u v e n t a v o i r leur g r a p h i t e sous f o r m e de sphères, ce q u i leur c o n f è r e des c a r a c t é r i s t i q u e s m é c a n i q u e s intéressantes. O n a p u o b t e n i r ainsi, par e x e m p l e , de 38 à 43 k g / m m2 de c h a r g e de r u p t u r e à la t r a c t i o n avec 10 à 20 % d ' a l l o n g e m e n t . L a l i m i t e élastique, i n e x i s t a n t e chez les fontes grises a u s t é n i t i q u e s à g r a p h i t e l a m e l l a i r e , p e u t a t t e i n d r e p o u r ces fontes à gra- p h i t e sphéroïdal 24-25 k g / m m2. E n o u t r e , q u e l l e que soit la f o r m e du g r a p h i t e , la résistance à la corrosion reste sensiblement la même,
5° RÉSISTANCE A LA CHALEUR :
L e s fontes a u s t é n i t i q u e s o n t une résistance à l ' o x y d a t i o n q u i p e u t aller j u s q u ' à dix fois celle de la f o n t e o r d i n a i r e et une résistance au g o n - flement p o u v a n t être s u p é r i e u r e de douze fois, p o u r des t e m p é r a t u r e s de 700 à 815°.
Cependant, les fontes N i - R é s i s t ne sont pas r e c o m m a n d é e s p o u r des t e m p é r a t u r e s s u p é r i e u - res à 800°, et, d'autre p a r t , l o r s q u e les p r o d u i t s véhiculés c o n t i e n n e n t q u a n t i t é de soufre, la l i - m i t e d ' u t i l i s a t i o n se t i e n t vers 550°. P a r c o n t r e , le type I V , r é s i s t a n t au t e r n i s s e m e n t , a une m e i l - l e u r e t e n u e à des t e m p é r a t u r e s plus élevées et m ê m e en présence de soufre.
OCT.-NOV. 1955 - N° 5 L A H O U I L L E B L A N C H E 741
F I G . 8. — T u r b i n e Francis en acier inoxydable Ni-Cr austéno-ferritique'.
Poids b r u t 3 200 kg (Jacob H o l t z e r ) .
A c i e r s i n o x y d a b l e s
M O U L A G E ET COMPOSITIONS :
L e s aciers i n o x y d a b l e s a u s t é n i t i q u e s (fig. 8) sont p l u s difficiles à m o u l e r q u e les aciers o r d i - naires, du fait d'une r a p i d e p e l l i c u l e q u i se f o r m e à la surface du bain, de leur m a u v a i s e c o u l a b i l i t é , et de leur r e t r a i t i m p o r t a n t q u i p e u t a t t e i n d r e 25 % . L a c o u l a b i l i t é p e u t être a m é l i o r é e
par une a u g m e n t a t i o n des teneurs en c a r b o n e et en s i l i c i u m . U n e t e n e u r en c a r b o n e plus élevée p r é s e n t e c e p e n d a n t l ' i n c o n v é n i e n t de nécessiter un t r a i t e m e n t de m i s e en s o l u t i o n des c a r b u r e s q u i p e u t être délicat p o u r c e r t a i n e s pièces c o m - p l i q u é e s .
D e v a n t les difficultés de m o u l a g e de ces aciers, il est i m p é r a t i f q u e le c o n s t r u c t e u r s'efforce poul- ie f o n d e u r à u n i f o r m i s e r les épaisseurs des pièces.
Les d e u x c o m p o s i t i o n s types p o u r le 18/8 m o u l é sont :
% C < 0 , 7 . C r > 1 8 . N i > 8 . M n < l .
% C s g 0 , 2 0 . C r ^ l 8 . N i > 8 . M n 1.
O n p e u t o b t e n i r : R > 50 k g / m m2 E ^ 23 k g / m m2
Si ^ 2. S et P <C 0,05. M o 2 à 4 Si ^ 1. S et P < 0,05. M o 2 à 4 A ^ 40 % , sur 50 m m HB 200
I l est possible d ' a m é l i o r e r ces c a r a c t é r i s t i q u e s m é c a n i q u e s sans c h a n g e r b e a u c o u p la résis- tance à la c o r r o s i o n en u t i l i s a n t soit des aciers 18/8 c o n t e n a n t un ou p l u s i e u r s é l é m e n t s : s i l i c i u m , e u i v r e , titane, b o r e , a l u m i n i u m . . . et e m p l o y é s après un t r a i t e m e n t t h e r m i q u e d i t de d u r c i s s e m e n t s t r u c t u r a l , soit des aciers à plus f o r t e t e n e u r en c h r o m e (sans c h a n g e r la t e n e u r en n i c k e l o u en l'abaissant) à s t r u c t u r e a u s t é n o - f e r r i t i q u e et q u i p e u v e n t aussi subir le t r a i t e m e n t de d u r c i s s e m e n t s t r u c t u r a l .
742 L A H O U I L L E B L A N C H E N " 5 - O C T . - N O V . 1955
A l l i a g e s à h a u t e t e n e u r en nickel
L E MÉTAL M O N E L :
Ce m é t a l est un alliage n i c k e l - c u i v r e c o m p r e - n a n t e n v i r o n deux tiers de n i c k e l et u n tiers de c u i v r e . Il résiste bien à un bon n o m b r e d'agents c o r r o s i f s tels que le sel m a r i n , les alcalis causti- ques, l'acide s u l f u r i q u e , le sulfate d ' a m m o n i u m . . . et il c o n s e r v e , aux t e m p é r a t u r e s élevées, u n e b o n n e p a r t i e de sa résistance.
Sa c o m p o s i t i o n est c o m p r i s e dans les l i m i t e s suivantes :
Ni = 67 % , Cu = 28 % , Fe = m o i n s de 3,5 % , Si = 0,75-2 %, C = 0,15-0,25 % ,
M n = 0,50 % e n v i r o n , S = le m o i n s possible.
Les c a r a c t é r i s t i q u e s m é c a n i q u e s de ce m é t a l sont c o m p r i s e s dans les l i m i t e s suivantes :
R = 36-52 k g / m m2, E = 17-24 k g / m m2, A = 16-40 % , HJJ = 100-140.
L E S CUPRO-NICKELS A L'ÉTAIN ET AU SILICIUM : Ces alliages p e u v e n t être intéressants p o u r des pièces devant avoir une grande d u r e t é à froid ou à chaud, et un bon f r o t t e m e n t . L e u r c o m p o - sition varie dans les l i m i t e s suivantes : N i = 50 à 65 % , Sn = 2 à 12 %, Si = 1 à 3 % , I m p u r e t é s = 1 à 3,5 % ( F e , M n . . . ) , Cu = le solde.
Ils ont une dureté p o u v a n t dépasser 350 B r i n e l l et q u i reste à peu près c o n s t a n t e p o u r des t e m - pératures allant j u s q u ' à 600".
Ils sont f o r m é s d'une m a t r i c e r e l a t i v e m e n t m o l l e dans l a q u e l l e sont noyés des c r i s t a u x très durs semblables aux c o n s t i t u a n t s des bronzes et d'autant plus n o m b r e u x que les teneurs en étain et s i l i c i u m sont élevées. O n est c e p e n d a n t l i m i t é p o u r les t e n e u r s en ces é l é m e n t s car ils ont ten- dance à favoriser les retassures dans les pièces.
HASTELLOYS :
P e n d a n t l o n g t e m p s le p r o b l è m e de résistance à la c o r r o s i o n par des p r o d u i t s très actifs (aci- des c h l o r h y d r i q u e , s u l f u r i q u e , p h o s p h o r i q u e ) est resté sans s o l u t i o n p r a t i q u e . L a m i s e au p o i n t d'alliages n i c k e l - m o l y b d è n e ou c h r o m e - n i c k e l - m o l y b d è n e , appelés Hastelloys, a p u r é s o u d r e cette q u e s t i o n . Il en existe de n o m b r e u s e s c o m - p o s i t i o n s .
L ' H a s t e l l o y C, par e x e m p l e , de c o m p o s i t i o n : Cr = 14 %, N i = 58 % , M o = 17 %, Fe = 6 % , a, à l'état m o u l é , les c a r a c t é r i s t i q u e s m é c a n i q u e s suivantes :
R = 52-56 k g / m m2, E = 31-33 k g / m m2, A = 10-15 % , HB = 175-215.
Il résiste bien dans les s o l u t i o n s c h l o r h y d r i -
ques et s u l f u r i q u e s c o n t e n a n t des sels o x y d a n t s et j u s q u ' à des t e m p é r a t u r e s de 70° e n v i r o n ; de m ê m e , il a une b o n n e tenue en présence de c h l o r e h u m i d e .
L E S BRONZES D'ALUMINIUM AU NICKEL :
L e n i c k e l a u g m e n t e la résistance m é c a n i q u e et a m é l i o r e les résistances à la c o r r o s i o n , à l'usure et à la c h a l e u r des bronzes d ' a l u m i n i u m p o u r des additions allant j u s q u ' à 5 % . Ces b r o n - zes spéciaux ont, en o u t r e , une b o n n e résistance à la c a v i t a l i o n , à l ' é r o s i o n et à la fatigue sous c o r r o s i o n .
L e type de b r o n z e d ' a l u m i n i u m au n i c k e l le plus e m p l o y é p o u r les m o u l a g e s a la c o m p o s i -
l i o n suivante :
Cu = 7 8 % , A l = 1 0 % , F e = 4 % , M n = 3,5 % , N i = 5,5 % m a x .
Les c a r a c t é r i s t i q u e s m é c a n i q u e s de cet alliage sont :
Brut de coulée Traité
R en k g / m m2 G0-G5 78-80
E en k g / m m2 28-30 43-45
A en % (i 5
H Brinell 190 200
P a r t r e m p e et r e v e n u , la résistance à la trac- tion et la dureté de ce b r o n z e d ' a l u m i n i u m au nickel p e u v e n t être a u g m e n t é e s aux dépens de la d u c t i l i t é , c o m m e l ' i n d i q u e n t les chiffres c i - dessus. G é n é r a l e m e n t , cet alliage est u t i l i s é à l'état b r u t de coulée, n o t a m m e n t p o u r des m o u - lages i m p o r t a n t s ou c o m p l i q u é s . P o u r des m o u - lages plus s i m p l e s où l ' o n désire a u g m e n t e r la dureté, tels que siège et clapets de vannes, le t r a i t e m e n t t h e r m i q u e p e u t être intéressant.
Les bronzes d ' a l u m i n i u m au n i c k e l o n t une très b o n n e résistance à la c o r r o s i o n par l'eau douce ou l'eau de m e r . E n o u t r e , l'alliage d o n t nous avons d o n n é la c o m p o s i t i o n ci-dessus ré- siste bien à la c a v i t a t i o n ou à l ' é r o s i o n . I l c o n - v i e n t donc bien p o u r des i m p u l s e u r s de p o m p e s , corps de vannes ou ponrpes.
Les bronzes d ' a l u m i n i u m au n i c k e l c o n s e r v e n t en grande p a r t i e leur résistance m é c a n i q u e à des t e m p é r a t u r e s p o u v a n t a t t e i n d r e 400° C. Cette p r o p r i é t é , liée à leurs bonnes résistances à la cor- r o s i o n et à l ' o x y d a t i o n , les rend p r o p r e s à être utilisés en présence de vapeurs, dans les m o t e u r s
OCT.-NOV. 1955 - N ° 5 L A H O U I L L E B L A N C H E 743
à c o m b u s t i o n i n t e r n e , et p o u r certaines applica- tions de l ' i n d u s t r i e c h i m i q u e .
E n f i n , du fait de leur d u r e t é r e l a t i v e m e n t éle- vée, les bronzes d ' a l u m i n i u m au n i c k e l p e u v e n t être e m p l o y é s p o u r des pièces devant résister à l'usure soit par f r o t t e m e n t à sec o u avec un peu de l u b r i f i c a t i o n , soit par abrasion. Signalons d'au- tre p a r t que ces bronzes c o n s e r v e n t leur dureté à des t e m p é r a t u r e s plus élevées que les brqnzes o r d i n a i r e s .
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N o u s venons de passer en r e v u e q u e l q u e s - u n s des m é t a u x susceptibles de résister à l'abrasion,
à la c o r r o s i o n , en essayant de faire ressortir, p o u r c h a c u n d'eux, leurs p r o p r i é t é s essentielles p e r m e t t a n t de guider le c h o i x du c o n s t r u c t e u r . E n dehors des nécessités de la m é c a n i q u e , le choix du m a t é r i a u , n o t a m m e n t p o u r l ' h y d r a u - lique, est un cas précis, souvent u n cas d'espèce où la n a t u r e des p r o d u i t s et certaines c o n d i t i o n s de service sont une influence d o m i n a n t e et d é t e r m i n a n t e .
Dans ce texte, l'auteur a utilisé certaines données exposées au cours d'une conférence ie 17 novembre 1954, 10, avenue Hoche, devant les constructeurs de la Chambre Syndicale des Constructeurs de P o m p e s .
