L’effet des éléments Ni, Cr, Mo sur la soudabilité da la fonte GS avec un acier moulé

L’effet des éléments Ni, Cr, Mo sur la soudabilité da la fonte GS avec un acier moulé

FADEL Nabil, AZZAZ Hamza, LEMDANI Ferroudja, DAHMOUN Djaffar Département de science des matériaux, faculté de génie mécaniques et génie des procédés

Université des Sciences et de la technologie Houari Boumediene BP 32 El Alia 16111 BAB Ezzouar Alger, Algérie

fadelnabil@hotmail.fr

Résumé—Dans cette étude, l’effet des éléments Ni, Cr, Mo sur la soudabilité en soudage par arc électrique d’une fonte GS ferritique avec un acier moulé. Les Microstructure et les analyses chimique ont été effectués l’aide d’un microscope électronique à balayage MEB. Le long de l'interface de soudage fonte métal d’apport, la diffusion mutuelle de carbone, chrome et molybdène ont été observés sur le côté de la fonte GS. D'autre part, la présence de Ni (élément non carburigène), empêche le déplacement du graphite vers la zone fondue.

Mots-clés — soudage hétérogène, fonte GS, carbures, analyse chimique, graphite, traitement thermique.

I. INTRODUCTION

Le développement des fontes à graphite sphéroïdal est une avancée importante dans la technologie des fontes ductiles.

Depuis leur entrée dans le domaine commercial en 1948, les pièces en fonte GS se sont révélées être l'alternative au point de vue prix pour les pièces en fonte malléable, en acier coulé, les pièces forgées et assemblées [1]…, ceci pour de multiples raisons dont certaines sont expliquées aux pages suivantes.

Elles trouvent aujourd'hui une place prépondérante dans de nombreuses applications : pièces de mécanique générale, d'usure, engrenages, vilebrequins, prototypes de bielles, fourchettes pour arbres à transmission, pièces pour l'industrie ferroviaire.

Les propriétés mécaniques des fontes ont beaucoup évolués. En 1998, cinquante ans après la découverte, la production mondiale de fonte à graphite sphéroïdal, a été estimée à 15 millions de tonnes, soit près de la moitié du tonnage d'acier moulé [2].

Bien qu'aujourd'hui les formes complexes des pièces de fonderie aient permis de remplacer bien des assemblages de composants, il existe différentes applications où ces dites pièces restent toujours des sous-ensembles. Dans bien des cas ceci impliquera de souder la fonte GS à des parties en acier.

Cependant cette pratique a ses limites techniques [3]. Durant la soudure, la fonte GS rendue liquide se solidifiera avec une structure au moins partiellement « carburigène » ce qui amoindrit fortement la résistance de la zone soudée. Eviter la

formation de carbures dans cette zone représente une tâche délicate. Aussi l'objectif pour la rédaction des procédures de soudage de la fonte GS à l'acier sera de réduire l'effet néfaste de cette zone en réduisant au minimum son étendue. Cet article présente les résultats d'une étude qui avait pour objectif de bien comprendre les phénomènes qui existent dans l’interface de la zone fondue.

II. LESTRAVAUXEXPERIMENTAUX

La structure entièrement ferritique de la fonte GS a été obtenue selon la première austénitisation du matériau brut de coulée par maintien à 900 ° C pendant 4h, refroidissement à 700 ° C suivi par le second traitement thermique à cette température pendant 4 h et un refroidissement final [4].

Les compositions chimiques de la fonte à graphite sphéroïdale et de métal d’apport E NiCrMo-5 sont données dans les tableaux 1 et 2.

TABLEAU I. COMPOSITION CHIMIQUE DU METAL D’APPORT E NICRMO-5

Elément C max

Cr Ni Mo W Fe Si

max

%massique 0.08 16 rest 17 4.5 6 1 TABLEAU II. COMPOSITION CHIMIQUE DE LA FONTE GS.

Elément C Si Mn S

% massique 3.92 2.94 0.23 0.0081

Le choix du métal d’apport utilisé est selon la norme AWS:

le soudage est réalisé par l’arc électrique avec électrode enrobée.

La soudure est réalisée en trois passes (pénétration, beurrage et finition)

On note qu’on chauffe la fonte GS à une température de 180 C°, pour avoir presque la même dilatation thermique à celle de l’acier. Afin d’évité les fissurations.

III. RÉSULTATSETDISCUSSIONS A. l’essai de traction

L’éprouvette de traction de soudage de la fonte GS avec l’acier moulé a un diamètre de 14 mm et une longueur L0 de 80 mm (fig 1).

Fig. 1. l’éprouvette de traction

Le tableau V.8 représente Les dimensions et les résultats des essais de traction sur les éprouvettes de soudage fonte GS avec l’acier moulé.

TABLEAU III. LES RESULTATS DE TRACTION

L0

mm

Diamètre mm

Section Mm²

Re

MPA Rm MPA A%

TrS1 80 14 615,75 406 406 4 TrS2 80 14 615,75 340,9 340,9 4

La figure 2 représente la courbe (

σ

Fig. 2. La courbe de premier essai de traction

Les deux éprouvettes de traction ont donnés des résultats un peu fragiles. On remarque bien que pour les deux essais, la

limite d’élasticité et la limite de traction sont les mêmes 406 MPa pour la première et 341 MPa pour la seconde.

On note que toutes les ruptures des éprouvettes de traction ont été au niveau de la zone affecté thermique de la fonte.

B. Résultats de l’examen Micrographique

Dans notre étude nous avons fait deux examens micrographiques de la fonte GS ;

 le premier examen est sans attaque chimique afin de voir le taux et sur quelle forme se présente le graphite dans la fonte.

 le deuxième examen micrographique avec une attaque chimique pour voir la matrice de la fonte.

1) La Micrographie pour Observer la Forme de Graphite sur la Fonte GS :La figure 3 représente l’observation microscopique de la fonte GJS-400-15 avant le traitement thermique de ferritisation (fig a) et la micrographie de la fonte GJS-400-15 après le traitement de ferritisation (fig b) sans

’attaque chimique qui nous donne la forme et le taux de présence de graphite.

Fig. 3. la forme de graphite avant et après le traitement thermique (Gx200) On remarque très bien dans la figure 3.a que la taille de graphite est très petite et même il ne se présente pas complètement sous forme sphérique. Dans la figure 3.b on remarque que le taux de graphite est plus grand que la figure 3.a, sa forme est plus sphérique et plus grand. Ce changement est dû au traitement thermique qui oblige la libération de graphite à partir de la perlite.

Acier moulé

Cordon de soudure Fonte GS

L₀

a

b

2) La Micrographie pour Observer la Matrice de la Fonte GS : La figure 4 représente la micrographie de la fonte EN- GJS-400-15 sous l’attaque chimique (Nital 4%) avec et sans traitement thermique. Pour observer les déférentes phases présentes dans la matrice avant le traitement de ferritisation et après.

Fig. 4. la matrice de la fonte avant et après le traitement thermique (Gx100) On remarque très bien dans la figure 4.a que la matrice de la fonte est ferrito-perlitique et on remarque aussi que la ferrite fait entourer le graphite [5]. La structure est appelée bull's eyes (en œil-de-bœuf). Dans la figure 4.b, on remarque que la perlite se disparait pour donner lieu à une matrice complètement ferritique. Ce changement est dû au traitement thermique qui oblige la décomposition de la cémentite pour former la ferrite et du graphite [6]. La présence de 2.94% de Si dans la matrice facilite cette décomposition.

C. Analyse chimique à la zone de liaison entre la fonte et de métal d’apport

La figure 5 représente le profil de concentration de l’ensemble des éléments C, Mo, W, Cr, Ni et Fe sur l’interface fonte GS-métal d’apport avec un grossissement X250.

Fig. 5. le profil de l’analyse chimique dans la zone de liaison Le tableau IV indique l’évolution des pourcentages massique des éléments chimiques, à partir de métal d’apport vers la fonte à graphite sphéroïdal.

TABLEAU IV. LES POURCENTAGES MASSIQUES DE POINT 1 A 8

M% P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8

C 3.72 9.15 7.23 9.28 4.07 4.06 3.84 5.17 W 02,23 03.77 06.01 04.44 06.98 13.88 07.93 06.83 Mo 00.47 03.74 04.24 11.54 02.95 28.44 15.14 14.01 Cr 00.68 04.55 04.32 16.20 06.27 10.96 11.73 12.20 Fe 84.15 74.43 72.02 53.73 58.97 14.82 20.32 18.08 Ni 03.34 03.78 05.69 04.01 20.01 27.21 40.18 42.90 La figure 6 présente les courbes des pourcentages massique des éléments chimiques essentiel de profil de l’analyse chimique dans la zone de contacte de métal d’apport vers la fonte à graphie sphéroïdal.

Fig. 6. la répartition des éléments dans l’interface de soudage.

Métal d’apport Fonte

Carbure s a

b

Métal d’apport Fonte

 La migration du carbone vers la zone de liaison avec le métal d’apport P2, P3 et P4 (9.19%, 7.23%, 9.28%) conduit à une formation des carbures CrxCy, particulièrement sous forme (Cr23C6) et la formation aussi des carbures de molybdène MoXCY (figure 5).

La présence des carbures de chrome et de molybdène de haute dureté dans l’interface s’explique par le grand pouvoir carburigène de chrome et de molybdène présent dans le métal d’apport.

 On constate que dans La zone de liaison qui sépare la fonte de métal d’apport à base de nickel P5, il y a un appauvrissement en chrome et en molybdène 6.27%, 2.95% respectivement. Le grand pouvoir carburigène de ces deux éléments les a poussés à migrer dans la zone affectée thermiquement pour former des carbures de chrome et les carbures de molybdène.

 On constate que la présence de Ni (élément non carburigène), empêche le déplacement du graphite vers la zone fondue [7].

D. Les Résultats de l’examen micrographique sur la soudure La figure 7 présente l’observation microscopique de l’interface de soudage fonte GS-Métal d’apport d’un agrandissement X50, avec une attaque chimique (Nital 4%).

Fig. 7. L’interface fonte GS-métal d’apport (X50).

On constate dans la figure 7 la migration du graphite vers l’interface de contact de soudage, afin de diffuser dans le métal d’apport afin de former des carbures avec le Cr, Mo et W. Il entraine un appauvrissement de carbone dans certaine zone de la fonte.

La figure 8 présente l’observation microscopique de l’interface de soudage fonte GS-Métal d’apport d’un agrandissement X100, avec une attaque chimique (Nital 4%).

Fig. 8. L’interface fonte GS-métal d’apport (X100).

La diffusion de chrome, molybdène et le tungstène a favorisé la formation des carbures stables. Sachant que le chrome et le molybdène participent énergiquement à la formation de la perlite figure 8.

L’existence de Nickel en portion importante (est soluble dans le fer et a un pouvoir graphitisant), il a permet de modifier la structure de métal. Il modifie celle-ci qui passe de la perlite en martensite (fig8).

IV. CONCLUSION

L’électrode enrobée utilisé à base de nickel, nous a permis d’atténuer l’inconvénient des soudures des fontes, généralement rencontré dans la pratique (les fissurations au niveau de l’interface métal de base - cordon de soudure). Les images qui ont été prises par le microscope électronique à balayage au niveau de l’interface ont montré une bonne cohésion entre la fonte GS et le métal d’apport. La présence importante de nickel a réduit la diffusion de graphite vers le cordon de soudure, d'où la réduction de la formation des carbures alliés plus dur qui fragilisent la cohésion. Mais la présence avec des portions importantes des éléments carburigène (Cr, Mo, W), a entrainé la formation des carbures plus durs.

Le soudage s'accompagne d'un transport d'atomes dans les deux directions à travers l'interface fonte-métal d’apport. Cela se traduit par un enrichissement de l’interface avec du carbone, et la fonte avec des atomes de chrome et molybdène.

Le Résultats de l’enrichissement en carbone la formation de carbures de chrome et de molybdène qui sont distribués principalement aux joints de grains [8].

Afin de compléter ces travaux il serait utile d’étudier plus précisément les mécanismes généré par le soudage hétérogène.

Il serait également intéressant de connaître l’influence de la microstructure du métal d’apport à base nickel qui donne une bonne homogénéisation à la soudure fonte GS-acier.

REFERENCES

[1] P.Pellier et R.Koch : « Manuel des fontes moulées », Editions techniques des industries de la fonderie-PARIS 1983.

Martensite Perlite

Graphite

Zone de contact

[2] M.Colombie et Coll : « Matériaux métalliques »,2e édition DUNOD.2008

[3] M. Gagné, S. Leclerc, S. Helgee, N. Stenbacka et J. Tani,

“Welding Ductile Iron to Steel: A Reality ”, AFS Transactions, vol. 114, 2006..

[4] E.M. El-Banna, “Effect of preheat on welding of ductile cast iron”, Materials Letters 41 _1999. 20–26.

[5] Sedat Kolukisa “The effect of the welding temperature on the weldability in diffusion welding of martensitic (AISI 420) stainless steel with ductile (spheroidal graphite-nodular) cast iron”, Journal of Materials Processing Technology 186 (2007) 33–36.

[6] Wade, N., Ueda, Y. “Isothermal austenitizing of spheroidal graphite.” Transaction of the Iron and Steel Institute of Japan, 1980 .

[7] Jiyoung Yu, Taikmin Jung, Sulae Kim et Sehun Rhee, “Laser welding of cast iron and carburized steel for differential gear,”

Journal of Mechanical Science and Technology 25 (11) (2011) 2887~2893.

[8] Radosław Winiczenkoa, Mieczysław Kaczorowskib, “Friction welding of ductile iron with stainless steel”. Journal of Materials Processing Technology,2013.pp 453– 462