Etude du défaut de fissuration des lingotières pour la coulée de la fonte en gueuse

Fontes blanche, fonte grise

Selon la fracture on peut observer une cassure blanche ou une cassure grise. Une fracture de couleur blanche indique que c’est une fonte blanche, due présence du carbone chimiquement lié qui forme un carbure très rencontré dans les alliages ferreux et qu’on appelle la cémentite. Ce carbure de fer ou cémentite a la formule chimique Fe3C. La fonte blanche contient donc la cémentite qui est un carbure de Fe : elle est dure, donc fragile, mais a une bonne tenue à l’abrasion et à l’érosion; elle est difficile à usiner. Pour l’obtenir l’alliage doit contenir des éléments qui favorisent la formation du carbone chimiquement lié comme le Mn et assurer à la pièce une vitesse de refroidissement assez grande pourque son refroidissement s’effectue dans le système métastable fer-cémentite.
Une fracture de couleur grise est propre à la fonte grise. Cette couleur provient du C libre ou graphite. Elle contient à la place de la cémentite du graphite. Sa dureté est moins élevée que celle de la blanche, donc elle est moins fragile, elle a une bonne usinabilité. La présence de C libre lui assure un coefficient de frottement peu élevé. Avec ceci elle absorbe les vibrations.
On peut l’obtenir en favorisant un refroidissement assez long et en introduisant des éléments graphitisants comme le silicium. Liquide, elle s’écoule bien et de ce fait elle constitue un bon alliage de fonderie. Elle se refroidit dans le système stable fer-graphite.

Phénomènes constatés pendant le service des augets

Échauffement des augets. Initialement à une température donnée, l’introduction du métal liquide porte sa surface interne à une température très élevée. Une bonne partie de la chaleur est absorbée par le matériau par conduction, alors qu’une partie est évacuée dans le milieu ambiant par effet de convection et de rayonnement thermique. La transmission de la chaleur du lingot vers l’auget se fait dans les premiers instants de la coulée par conduction jusqu’au moment du décollement du lingot refroidit et en contraction.
Ce décollement est très rapide et est irrégulier, il débute entre deux et cinq minutes à partir de la coulée pour se terminer après quelques minutes. Comme l’auget peut être mal chaulé et que la chaleur traverse la couche de chaux, puis s’écoule dans l’épaisseur de la lingotière, la surface intérieure atteint 750 à 800 °C et la surface extérieure est de 670 °C trente minutes après la coulée.
Modifications de structure et gonflement. Ce moule en fonte est soumis donc à des variations de chauffages et de refroidissements qui ne sont que la conséquence des conditions d’utilisation. Ces variations thermiques à lesquelles il est soumis engendrent, outre les contraintes thermiques au sein du matériau, deux conséquences : un effet d’ordre physico-chimique sur la structure de la fonte ; un effet physique, résultant des dilatations ou des contractions inégales dues à la progression en fonction du temps, dans l’épaisseur de l’auget.
Le comportement dilatométrique d’une fonte hématite destinée pour la fabrication de ces moules avec le point de transformation A1-3 situé à 775 °C, on constate : dans le domaine des températures inférieures à A1-3 on assiste à un gonflement dû à l’évolution de la perlite qui se décompose de manière partielle en graphite ;
A la température correspondant à A1-3, on observera une contraction du matériau. A cette contraction au chauffage correspond une dilatation au refroidissement. Ceci est accompagné d’un dépôt de graphite sous forme de fines touffes déposées sur les lamelles préexistantes. Ce dépôt entraîne un gonflement résiduel.
La graphitisation au-dessous de A1-3 intéresse les parties de l’auget dont la température atteint ou dépasse 700 à 720°. Le deuxième phénomène intéresse les régions où la température dépasse A1-3. Ce gonflement est fonction aussi de la teneur en silicium qui conditionne avec la vitesse de refroidissement la structure en graphite. Au contraire de certains alliages ferreux comme les aciers la transformation austénitique se manifeste par une contraction, ce qui n’est pas le cas des fontes où le Si est prépondérant.

L’oxydation

Comme la température est élevée l’oxydation du silicium provoque, elle aussi, un gonflement important de la fonte. D’après certains travaux menées par des auteurs , la paroi intérieure de la lingotière, l’oxydation du silicium peut atteindre 60 % sur 1 à 2 mm pour décroitre ensuite. Elle est moindre dans les angles que sur les faces parce que la température de la lingotière y est moins élevée.
L’oxydation se manifeste comme suit : si un échantillon de fonte est maintenu sous air à une température supérieure à 500°C, sa superficie se couvre d’une pellicule d’oxyde de fer. Cette pellicule d’oxyde peut être divisée en deux couches distinctes par leur composition chimique, selon que l’oxyde formée est cationique ou anionique :
L’oxydation étant externe, l’oxyde est composé de Fer et d’Oxygène. C’est un oxyde dit «cationique» car il est formé par la diffusion des ions Fe++ vers l’extérieur de l’échantillon. L’oxyde interne, composé de fer, d’oxygène et d’éléments d’alliage est dit « anionique », car formé par la diffusion des ions O– vers l’intérieur de l’échantillon. Les ions O- diffusent vers l’intérieur et les ions Fe+ diffusent vers l’extérieur. Comparée aux aciers les fontes sont connues pour leur bonne résistance à l’oxydation, due à la présence du silicium. Cet élément participe dans la formation d’un oxyde interne riche en fayalite Fe2SiO4, (ou FeCr2O4 ou FeAl2O4 formées avec les éléments d’addition) très adhérent et peu perméable à l’oxygène ; ce qui gène l’oxydation. Comme on présenté déjà que les fontes GS ont des teneurs en Si et en C assez élevées, elles ont une bonne résistance à l’oxydation que les fontes courantes. L’oxydation des fontes GS, est beaucoup plus lente que celle des fontes à graphite lamellaire car le réseau formé par les lamelles de graphite favorise la diffusion de l’oxygène vers l’intérieur du matériau.

Trace des lingotieres

Ce comportement à la contrainte thermique mène la conception du tracé du moule. On sait que les épaisseurs minces se fissurent assez rapidement et que les corps épais sont l’objet de craquelures. Réussir un bon tracé en considérant l’aspect économique et l’aspect technique c’est trouver un compromis tributaire des conditions d’utilisation du moule et du produit obtenu ; car les épaisseurs minces ont l’avantage de donner au produit un meilleur état de surface tout en réduisant l’aptitude de l’outil à développer la fissure, avec un minimum de métal à mettre en œuvre pour la confection du moule, d’où un gain financier.
Donc si on résume le comportement du matériau en tenant compte de l’exploitation des augets une élévation non contrôlée de la température favoriserait la graphitisation et provoquera un gonflement dû à l’oxydation du silicium, avec un développement et une rapidité d’apparition du phénomène de fissuration, aussi bien que de la craquelure.
Parmi les raisons qui peuvent provoquer l’augmentation de la température de la lingotière, on peut retenir, excepté la température de coulée qui ne doit pas être excessivement élevée : La température à laquelle la lingotière est remise en service, ce qui pose le problème de la fréquence d’emploi; le préchauffage à des températures bien déterminées n’est pas souvent nécessaire. La protection avec la chaux pour les augets est un moyen de protection mais aussi de vidange facile lors du basculement. Le moule destiné à recevoir du métal liquide porté à très haute température doit être soigneusement préparé. L’accroissement de la température de reprise lors des remplissages augmente la consommation d’augets. Il est indispensable que les augets soient repris à une température inférieure à 100 °C, et le mieux à 40 °C. Malgré le choc thermique que cela constitue, le refroidissement à l’eau est recommandé plutôt que de les réutiliser trop chauds ; lors du refroidissement on doit tenir compte de telle sorte que toute l’eau des fissures et des craquelures s’est évaporé.
La répétition des opérations de remplissage, de séjour, de vidange sur la chaine de production sans interruption assez prolongée laissent s’établir une température moyenne que l’outil exploité conserve comme préchauffage avant d’atteindre la température en cours d’utilisation. Pour ce qui est du temps de séjour du lingot dans l’auget, il ne peut être évacué avant qu’il ne se refroidit convenablement pour se solidifier complètement. Le refroidissement de l’état solide de la gueuse peut se faire en dehors de l’auget.

Influence de la chaleur sur la structure des fontes

Quand une fonte est soumise à des variations de température elle peut être l’objet de changements structuraux dans la matrice. On considère que la microstructure d’une fonte est stable jusqu’à la température de 450°C, température à partir de laquelle elle peut connaître plusieurs évolutions microstructurales.
Certains éléments, tels que le carbone et le silicium, accélèrent la décomposition du carbure de la perlite lorsqu’il y a une activation thermique, par exemple à des températures de recuit. Par conséquent, comme ces éléments sont présents en pourcentages suffisants, la température de maintien de recuit peut être réduite. Par exemple, à une température de 750 °C, la répartition complète de la perlite s’est produite dans la fonte de teneur de silicium supérieure dans une durée de 10 min, tandis que 45 min ont été nécessaires pour la fonte à faible silicium.
Cela montre l’effet du silicium qui ne fait que favoriser la diffusion du carbone dans la fonte. D’autre part, les éléments perlitisants (l’antimoine, l’étain, le vanadium, le chrome, le manganèse, le phosphore, le nickel et le cuivre) retardent la décomposition de perlite.
Au-delà de 450 °C, la cémentite se décompose en Fer et en carbone, d’où la présence de nodules de graphite avec une orientation préférentielle. Avec l’augmentation de la taille des nodules, on provoque un gonflement qui peut atteindre 1% si la matrice est entièrement formée de perlite. L’ajout d’éléments d’alliage carburigènes permet de stabiliser la perlite jusqu’à la température de 600 °C et de retarder le gonflement. Si une pièce est destinée à travailler à des températures supérieures, on choisit une matrice ferritique à condition de ne pas dépasser la température de transformation de la ferrite en austénite. En présence d’éléments carburigènes, la graphitisation est considérablement ralentie ; à partir de 0,2 % de chrome, l’élimination complète des carbures devient pratiquement impossible. De plus, si une pièce possédant en partie, ou en totalité, une structure incluant de la perlite, est soumise à des sollicitations thermiques suffisamment importantes, il peut se produire une décomposition de la perlite en ferrite et graphite.
Cette décomposition entraînera, d’une part, une modification du comportement et, d’autre part, un gonflement de la matrice, générateur de variations dimensionnelles ou de contraintes internes. Ces changements d’encombrement comme le gonflement sont causés par les variations de masse volumique entre les constituants (graphite : 2500kg/m3 , cémentite : 7400kg/m3 , ferrite: 7900kg/m3 , perlite: 7780 kg/m3 ). La masse volumique des fontes à graphite sphéroïdal diminue lorsque la quantité de graphite augmente, en raison de la faible masse volumique du graphite, et varie de 7100 kg/m pour les nuances ferritiques à 7200 kg/m3 pour les nuances perlitiques. L’augmentation de la teneur en graphite de 1 % diminue la masse volumique d’environ 200 à 300 kg/m3 et la ferritisation d’une matrice entièrement perlitique diminue la masse volumique de 80 à 250 kg/m3.

Table des matières

INTRODUCTION
ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE
I-LES FONTES
I-1. Fontes blanche, fonte grise
I-1-1. Système stable, système métastable
I-1-2. Propriétés et rôle des constituants
I-1-2-1. La ferrite
I-1-2-4. Le graphite
I-1-2-5. Les formes de graphite
I-2.COMPORTEMENT DES PIECES SOUMISES AUX CHOCS THERMIQUES
I-3. ROLE DES ELEMENTS DE LA COMPOSITION CHIMIQUE
I-4. EXPLOITATION DES AUGETS ET DES LINGOTIERES
I-4.1. Phénomènes constates pendant le service des augets
I-4.1.1. Échauffement des augets
I-4.1.2. Modifications de structure et gonflement
I-5. L’OXYDATION
I-6. CONTRAINTES THERMIQUES
I-7. TRACE DES LINGOTIERES
I-8. INFLUENCE DE LA CHALEUR SUR LA STRUCTURE DES FONTES
I-9. DEFAUTS ET ANOMALIES
I-9.1. La porosité du gaz
I-9.2. Les pores de retrait
I-10. SOLIDIFICATION DES METAUX FERREUX
I-10.1. Solidification d’une fonte grise hypoeutectique
I-10.2. Interface de solidification
I-10.3. Surfusion thermique
I-10.4. Surfusion de constitution
I-10.5. Les cellules eutectiques
I-11. FATIGUE THERMIQUE ET PHENOMENE DE FISSURATION
I-11.1. Propagation des fissures
I-12. CARACTERISTIQUES MECANIQUES ET PHYSIQUES DES FONTES GRISES
I-12.1. Caractéristiques mécaniques
I-12.2. Coefficient de dilatation thermique
I-12.3. Conductivité thermique
II. DESCRIPTION DU PROBLEME ET METHODOLOGIE
II.1.Description du problème
II.2.Méthodologie de travail
II.2.1. Cycles approchant les conditions pratiques
II.2.2. Partie théorique
II.2.2.1. Etablissement du modèle théorique
II.2.2. 2. Choix des paramètres de calcul
II.2.2.3. Détermination des températures d’interface
II.2.2.4. Evolution du module d’élasticité et du coefficient de dilatation en fonction de la température
III. RESULTATS ET ANALYSE
III.1. Caractérisation du matériau dans son état de réception
III.2. Effet de la température de reprise entre cycles
III.3. Caractérisation du matériau soumis aux cycles thermiques
III.4. Résultats du tracé de la contrainte thermique
III.5. Observations fractographiques
IV- CONCLUSION GENERALE
V- REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES