Interprétation des défauts courants tels que les cavités de retrait, la porosité de retrait, les inclusions de scories et le graphite flottant dans les composants en fonte

La fonte ductile, largement développée en Chine au cours des 40 dernières années, est un matériau de coulée solide, résistant et rentable. Sa structure en graphite sphérique réduit la concentration des contraintes, ce qui lui confère une meilleure résistance à la traction, une meilleure plasticité et une meilleure ténacité que les autres fontes. Bien que sa plasticité soit inférieure à celle de l'acier, il offre une résistance à la fatigue comparable et un rapport de limite d'élasticité élevé (0,7 à 0,8), presque deux fois supérieur à celui de l'acier au carbone ordinaire. Cependant, la fonte ductile est également confrontée à des défauts de coulée uniques, tels que :

1 Cavité de retrait et porosité

2 Inclusion de scories

3 Porosité sous-cutanée

4 Graphite flottant

5 Mauvaise sphéroïdisation et récession

Ces défauts affectent les performances et augmentent les taux de rebut. Pour améliorer la qualité et réduire les déchets, il est essentiel d'analyser les causes, de contrôler les facteurs d'influence et d'appliquer des techniques de coulée de précision.

1. Retrait et porosité

1.1. Plusieurs facteurs influencent la formation de cavités de retrait et la porosité dans les pièces moulées en fonte ductile :

1. Équivalent carbone (CE)

• Une teneur plus élevée en carbone augmente l'expansion de la graphitisation et améliore la fluidité, réduisant ainsi le retrait.

• Formule idéale : C% + 1/7Si% > 3,9%

• Un CE trop élevé peut provoquer un flottement du graphite.

  
  

2. Phosphore (P)

• Augmente la plage de solidification et affaiblit la coque de coulée, entraînant davantage de défauts de retrait.

• Doit être contrôlé en dessous de 0,08 %.

3. Terres rares et magnésium (RE et Mg)

• Un excès de RE et de Mg peut réduire la sphéroïdisation du graphite et favoriser la structure blanche, augmentant ainsi les risques de retrait.

4. Épaisseur de paroi

• Les sections épaisses retiennent la chaleur plus longtemps, augmentant ainsi le retrait du liquide.

• Des changements soudains dans l’épaisseur des parois peuvent entraîner des points chauds isolés et une mauvaise alimentation.

5. Température de coulée

• Doit équilibrer fluidité et retrait :
  1 300–1 350 °C est généralement approprié.

• Une valeur trop élevée augmente le retrait du liquide ; trop faible risque un mauvais remplissage.

6. Compacité du moule en sable

• Une compacité faible ou inégale peut provoquer une expansion de la cavité, entraînant une alimentation inadéquate et un rétrécissement.

7. Conception du système de versement et d’alimentation

• Une mauvaise configuration de la colonne montante, du portail ou du refroidissement perturbe la solidification séquentielle et réduit l’efficacité de l’alimentation.

1.2. Pour réduire les cavités de retrait et la porosité de la fonte ductile, les stratégies préventives suivantes doivent être mises en œuvre :

1. Contrôler la composition du fer fondu

• Equivalent carbone élevé : > 3,9%

• Faible teneur en phosphore : < 0,08 %

• Faible magnésium résiduel : < 0,07 %

• Utilisez un alliage terres rares-magnésium et contrôlez les oxydes de terres rares résiduels entre 0,02 et 0,04 %

2. Conception de processus optimisée

• Assurer une alimentation continue à partir des colonnes montantes pendant la solidification.

• Utilisez une taille et une quantité de colonne montante appropriées pour permettre une solidification séquentielle.

3. Utilisation des mesures de refroidissement et des subventions

• Appliquer au besoin pour ajuster la répartition de la température, favorisant ainsi la solidification directionnelle.

4. Paramètres de coulée

• Température de coulée : 1300–1350°C

• Verser complètement dans les 25 minutes pour éviter la récession de sphéroïdisation.

5. Améliorer la qualité du moule

• Compacité du sable : ≥ 90

• Assurer un pilonnage uniforme et une teneur en humidité appropriée pour maintenir la rigidité du moule.

2. Inclusion de scories

2.1. L'inclusion de scories est un défaut courant dans la fonte ductile, principalement causé par les conditions chimiques et physiques lors de la fusion et du coulage. Les principaux facteurs d’influence comprennent :

1. Silicium (Si)

• L'oxyde de silicium est un composant majeur des scories.

• L'excès de silicium augmente le risque de formation de scories.

2. Soufre (S)

• Forme du sulfate à bas point de fusion qui augmente la viscosité du fer fondu, empêchant ainsi la séparation des scories.

• Le soufre doit être maintenu en dessous de 0,06 %.

• Les niveaux supérieurs à 0,09–0,135 % augmentent fortement les inclusions de scories.

3. Terres rares et magnésium (RE et Mg)

• L'oxydation de ces éléments conduit à la formation de scories.

• Les excès de RE et de Mg résiduels doivent être évités.

4. Température de coulée

• Trop faible : Une viscosité élevée empêche la remontée des scories et des oxydes.

• Trop élevé : les scories de surface deviennent fines et s'écoulent dans le moule.

• Une température appropriée doit tenir compte de l’équilibre carbone-silicium.

5. Conception du système de coulée

• Doit inclure des fonctionnalités de blocage des scories.

• Doit minimiser les éclaboussures et les turbulences pour un remplissage en douceur du moule.

6. Qualité du sable de moulage

• Le sable ou le revêtement adhéré peut se combiner avec des oxydes pour former des scories.

• Une compacité inégale entraîne une érosion du métal, créant des composés à bas point de fusion qui provoquent l'inclusion de scories.

2.2. Pour minimiser les défauts d'inclusion des scories, les mesures suivantes doivent être mises en œuvre :

1. Contrôle de la composition du fer fondu

• Maintenir la teneur en soufre < 0,06 %

• Ajouter 0,1 à 0,2 % d'alliage de terres rares pour purifier le fer en fusion

• Réduire les niveaux de silicium et de magnésium résiduel

2. Processus de fusion optimisé

• Augmenter la température de taraudage pour faciliter la séparation des inclusions

• Effectuer une sédimentation (sédation) pour permettre aux inclusions de flotter

• Enlever les scories de surface et appliquer des agents de recouvrement (par exemple, perlite ou cendres végétales) pour empêcher l'oxydation

• Utiliser une température de coulée ≥ 1350°C

3. Conception améliorée du système de coulée

• Assurer un flux de métal fluide

• Incorporer des sacs collecteurs de scories et des dispositifs de blocage des scories (par exemple, des filtres à scories)

• Empêcher l'érosion du sable dans la carotte

4. Assurance qualité des moules

5. Maintenir une compacité uniforme et une résistance adéquate

• Nettoyez soigneusement la cavité du moule avant de fermer la boîte pour éviter les scories liées au sable ou aux débris.

3. Graphite flottant

3.1. Le flottement du graphite se produit lorsque l'excès de graphite se sépare du fer fondu et monte vers la partie supérieure de la pièce moulée, entraînant une structure non uniforme et des propriétés mécaniques affaiblies. Les facteurs clés comprennent :

1. Équivalent carbone (CE)

• Principale cause du flottement du graphite.

• CE élevé → précipitations excessives de graphite → le graphite augmente en raison d'une densité plus faible et de la vapeur de magnésium.

• Les pièces moulées plus grandes et plus épaisses sont plus sujettes à ce défaut.

2. Silicium (Si)

• La réduction de la teneur en silicium (à un CE fixe) contribue à réduire la tendance au flottement.

3. Contenu en terres rares (RE)

• Un faible RE réduit la solubilité du carbone, entraînant davantage de précipitations de graphite et un flottement aggravé.

4. Température de sphéroïdisation et d’inoculation

• Plage optimale : 1 380–1 450 °C

• Une température plus élevée dans cette plage améliore l’absorption du Mg et du RE, réduisant ainsi la ségrégation.

5. Température de coulée

• Une température de coulée plus élevée augmente le flottement du graphite en raison d'un état de fusion prolongé et d'une formation accrue de graphite.

6. Temps de rétention après inoculation

• Les délais entre l'inoculation et le versement permettent au graphite de se former et de flotter.

• Doit être conservé sous 10 minutes pour minimiser les risques.