[0001] La présente invention concerne d'une manière générale l'emploi de lanthane lors de
l'élaboration d'alliages ferreux tels que fonte lamellaire et/ou à graphite sphéroldal,
ou aciers.
[0002] Plus précisément, la présente invention concerne un procédé de préparation d'alliages
ferreux permettant d'améliorer leurs propriétés mécaniques grâce à l'emploi de lanthane,
notamment sous forme d'alliages inoculants à faible teneur en cérium ou de manière
générale à faible teneur en Terres Rares ( y compris le cérium), c'est-à-dire avec
un rapport en poids lanthane/Terres Rares (excepté le lanthane) au moins supérieur
à 2/1 ou de préférence supérieur à 10/1 et pour certains emplois particuliers supérieur
à 100/1. L'invention concerne également les alliages inoculants au lanthane pour la
mise en oeuvre du procédé ainsi que les alliages ferreux obtenus par le procédé de
l'invention.
[0003] Par ailleurs, le procédé de l'invention permet de réduire ou de supprimer certains
des défauts des alliages ferreux tels que piqûres, cavités ou retassures, carbures
dans les fontes à graphite sphéroldal; de supprimer la présence des carbures en fonte
grise lamellaires; d'améliorer la coulabilité, l'aptitude au laminage et/ou de réduire
l'anisotropie des aciers.
[0004] Les piqûres et les cavités constituent deux défauts prépondérants affectant les pièces
moulées, en particulier les fontes à graphite sphéroidal. Ces cavités sont aussi appelées
"retassures" et constituent le défaut genre B221 de la classification internationale
des défauts de fonderie. Les piqûres mentionnées précédemment sont généralement situées
sous la peau de la pièce et sont révélées par un grenaillage de celle-ci et constituent
le défaut genre B 123 de la classification internationale des défauts de fonderie.
[0005] L'anisotropie constitue un défaut des aciers qui possèdent souvent des propriétés
mécaniques différents dans le sens longitudinal par rapport au sens transversal, notamment
en résilience.
[0007] Le magnésium est ajouté soit sous forme de métal pur, soit plus fréquemment sous
forme d'alliages Fe - Si - Mg. Certains de ces derniers alliages contiennent du cérium
(0,2 à 0,4% de l'alliage) qui est destiné à combattre l'effet éventuel des éléments
Pb, Bi, As, tous éléments anti-nodulisants. La fonte ainsi traitée se solidifie suivant
les deux diagrammes "Fe - CFe
3" et"Fe - graphite".
[0008] On doit noter que l'introduction du magnésium dans la fonte conduit :
a) à une tendance à la solidification suivant le diagramme métastable Fe - CFe3 qui donne naissance à des carbures.
b) Ce type de solidification implique des surfusions notables. L'importance de ces
surfusions est fonction du type de solidification dont une partie s'effectue suivant
le diagramme "Fe - CFe3" et dont l'autre partie s'effectue suivant le diagramme "Fe -graphite". Actuellement,
le cycle de solidification n'est pas contrôlé par le processus d'élaboration.
c) Une inoculation importante permet généralement de revenir au diagramme Fe - graphite,
mais les résultats sont irréguliers car fonction des modules de refroidissement des
pièces moulées (ou des parties des pièces).
[0009] Ce procédé permet dans les fontes grises lamellaires de supprimer la présence des
carbures. De précédents essais. effectués sur les fontes grises lamellaires, ou l'acier,
à l'aide de mischmétal (mélange très variable de 15 éléments de Terres Rares) ou de
siliciuresde Terres Rares ont donné des résultats parcellaires, discordants et non
utilisables en pratique industrielle.
[0010] La présente invention a donc pour but d'éliminer les inconvénients précités et de
fournir une solution qui permette de réduire ou supprimer certains défauts des alliages
ferreux tels que piqûres, cavités en fonte à graphite sphérotdal, carbures en fonte
lamellaire., anisotropie des aciers, qui soit utilisable en pratique industrielles
et qui permette autant que possible d'améliorer les propriétés mécaniques desdits
alliages ferreux.
[0011] La solution consiste selon l'invention en un procédé de préparation d'alliages ferreux
caractérisé en ce qu'il comprend l'incorporation d'au moins 0,0001 % en poids à environ
0,5 à 2% en poids de lanthane audit alliage ferreux lors de son élaboration. De préférence,
ce procédé comprend l'incorporation d'environ 0,0001% à environ 0,01 % en- poids (soit
100 ppm) de lanthane audit alliage ferreux lors de son élaboration.
[0012] Selon une caractéristique davantage préférée, on peut incorporer d'environ 0,001%
en poids (soit 10 ppm) à environ 0,01% en poids, de préférence à environ 0,003% (soit
30 ppm) en poids à l'alliage ferreux lors de son élaboration.
[0013] Selon une autre caractéristique de la présente invention, le lanthane peut être incorporé
sous forme d'alliage (s) avec tout métal susceptible de former un composé homogène
avec le lanthane, c'est-à-dire présentant un diagramme de solubilité avec le lanthane
seul ou associé à d'autres Terres Rares dans une proportion de 0,01 à 90% en poids
; ou sous forme de composés tels que chlorure fluorure, oxyde obtenu à partir de lanthanides,
ou leurs mélanges, dans la mesure où le rapport en poids lanthane/Terres Rares (excepté
le lanthane est au moins supérieur à 2/1 ou de préférence supérieur à 10/1 et pour
certains emplois particuliers supérieur à 100/1.
[0014] A ce sujet, on peut signaler que l'addition de mischmétal (à forte proportion de
cérium) dans l'acier modifie la nature des sulfures en les rendant moins nuisibles
mais n'améliore pas la propreté de l'acier qui reste chargé d'une quantité importante
d'inclusions. L'invention résout ce problème .
[0015] On peut signaler qu'éventuellement dans certains cas on peut utiliser le lanthane
sous forme de lanthane métal pur ayant de préférence une pureté supérieure à 99%.
Les alliages inoculants au lanthane de la présente invention particulièrement préférés
sont des alliages à base Si-La-Al, La-Ni , La-Fe-Si, La-Fe-Mn, Si-Ca-Mg-La, La-Cr,
Si-La-Mn et où le fer peut constituer le solde. Dans le cas où ces alliages inoculants
au lanthane contiennent d'autres Terres Rares, y compris le cérium, le rapport précité
lanthane/Terres Rares (excepté le lanthane) doit être dans tous les cas satisfait.
[0016] Selon le procédé da la présente invention, on réduit ou supprime certains défauts
de la fonte tels que des défauts sous forme de piqûres et cavités ou retassures et
on réduit l'anisotropie des aciers en permettant ainsi d'obtenir des alliages ferreux
ayant de meilleures propriétés mécaniques.
[0017] A ce sujet, la demanderesse a découvert que les défauts précités de la fonte à graphite
sphéroldal tels que piqûres et cavités sont dus à la rétention à divers stades d'un
gaz émis lors de la solidification. Ce gaz semble être un gaz réducteur car les parois
des cavités sont lisses et non oxydées et on peut penser qu'il s'agit soit de C0,
soit d'hydrogène, soit d'une combinaison des deux.
[0018] L'apparition de ce gaz réducteur (CO tout au moins) ne serait pas accidentelle, comme
prétendu jusqu'à ce jour (matière première oxydée, atmosphère oxydante, etc) mais
systématique: à certains stades de la solidification, vraisemblablement au passage
du liquidus.
[0019] En utilisant les propriétés métallurgiques et thermodynamiques de chacun des éléments
des Terres Rares, la demanderesse a mis en évidence que celles-ci sont bien spécifiques
et parfois antagonistes. En effet, la demanderesse a mis en évidence que :
- le cérium et le lanthane présentent une miscibilité totale dans le fer liquide ;
-la solubilité du cérium dans le fer à 600°C s'établit entre 0,35 et 0,40%. Cet élément
forme alors des composés tels que Ce-Fe5 (dur et cassant), Ce-Fe2 etc.
- le lanthane a par contre une faible solubilité dans le fer (pas de composés définis
La-Fe).
[0020] Il résulte de ce qui précède que l'activité de Ce sera faible étant donné qu'il se
trouve sous forme de composés inter-métalliques tandis que le lanthane aura une activité
forte car il reste disponible pour des réactions avec l'oxygène et le soufre.
[0021] L'utilisation du lanthane sous forme d'alliages composites (nodulisants, inoculants,
désulfurants) permet d'obtenir ainsi une purification plus importante du bain en oxygène
et en soufre ce qui conduit à une plus grande ferritisation de la matrice et permet
d'améliorer les caractéristiques mécaniques des alliages ferreux obtenus.
[0022] On doit noter que la présence de cérium, en quantités relativement importantes, c'est-à-dire
déjà à partir d'environ 1%, seul ou en combinaison avec d'autres Terres Rares, excepté
le lanthane, par rapport à la proportion de lanthane, comme dans le cas du mischmétal
utilisé auparavant, ne permet pratiquement pas d'obtenir les améliorations obtenues
avec le lanthane selon la présente invention ayant une faible teneur en cérium car
la demanderesse a découvert que le cérium a un effet néfaste et antagoniste au lanthane
qui se manifeste dès que la teneur en cérium est déjà d'environ 1% par rapport à la
proportion de lanthane.
[0023] D'autres buts, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront
plus clairement à la lumière de la description explicative qui va suivre faite en
référence aux exemples suivants donnés simplement à titre d'illustration et qui ne
sauraient donc en aucune façon limiter la portée de la présente invention. Les exemples
1 à 4 sont illustrés par les figures 1 à 10 des dessins.
[0024]
Les figures 1 à 6 représentent des courbes de solidification de fonte à graphite sphéroidal
dans lesquelles la température est mentionnée en ordonnées tandis que le temps est
mentionné en abscisses.
Les figures 7 à 10 montrent les cavités ou retassures obtenues sur des pièces préparées
selon l'art antérieur (figures 7, 9 et 10) et selon la présente invention (figure
8).
[0025] Dans les exemples, les teneurs des composants sont données en pourcentage en poids.
Exemple 1
[0027] Cette fonte est élaborée sans inoculation et sert de référence. La courbe de solidification
obtenue sur un creuset MECI, à couple Cr-Ni pour une telle fonte de référence est
représentée à la figure 1. Ce creuset MECI ne modifie pas la solidification du lingotin
et assure en particulier une solidification tout à fait comparable à celle deune pièce
dans un moule en sable. Le palier eutectique est repérable par une anomalie dans la
courbe de refroidissement qui est caractérisée par un changement d'inflexion de la
courbe enregistrée (voir figure 1)
[0028] Lorsqu'on incorpore à la fonte précitée, lors de son élaboration, 0,3% en poids d'alliage
Si-La-Al (Si=63%; La = 2,1% ; Al = 1,45%, le reste étant du fer), c'est-à-dire 0,0063%
en poids de lanthane, soit 63 ppm, on obtient des pièces moulées qui ne présentent
pas de cavité. La courbe de solidification obtenue, représentée à la figure 2, montre
un allongement de l'intervalle de solidification de l'ordre de 37% par rapport à la
courbe de la figure 1 ainsi qu'un décalage en augmentation de 13°C de la température
du palier de transformation. Ce déplacement de la position du palier eutectique implique
un passage au diagramme Fe-graphite et l'allongement de l'intervalle de solidification
permet un dégazage effectif ce qui conduit à la formation de la pièce saine précitée.
Exemple 2
[0030] La courbe de solidification obtenue, en utilisant un creuset MECI, est représentée
à la figure 3. Les pièces obtenues présentent des défauts d'aspect tels que cavités.
[0032] On obtient la courbe de solidification représentée à la figure 4 qui montre un allongement
de l'intervalle de solidification de l'ordre de 30% et un accroissement de la température
du palier de transformation de l'ordre de 10°C. Les pièces obtenues sont dépourvues
de cavité.
Exemple 3
[0034] A cette fonte, on incorpore lors de son élaboration 0,4% de l'alliage inoculant habituellement
utilisé en fonde- i rie mentionné à l'exemple 2. On obtient la courbe de refroidissement
représentée à la figure 5, qui a été enregistrée sur des creusets spéciaux tltellure-S"
élec- tronite. Ces creusets sont revêtus d'un enduit carbu- rigène et assurent un
refroidissement dans le seul dia- ) gramme métastable "Fe-CFe
3". Bien que moins représentatif de la solidification pratique des pièces, ce type
de creusets permet d'obtenir un palier eutectique bien marqué ce qui permet de comparer
plus aisément les longueurs différentes des paliers eutectiques.
[0035] Selon le procédé de la présente invention, on incorpore, lors de l'élaboration de
cette fonte, 0,4% de l'alliage au lanthane, sensiblement exempt de cérium, mentionné
à l'exemple 2. On obtient la courbe de refroidissement représentée à la figure 6 qui
montre un accroissement de la longueur du palier de transformation de l'ordre de 260%
et une augmentation de la température de transformation de 10°C environ par rapport
à celle de la figure 5.
[0036] Les pièces coulées avec l'alliage de la présente invention sont pratiquement saines,
les masselotes ne présentent qu'une faible retassure dendritique tandis que les pièces
coulées selon le procédé antérieur présentent des cavités et des piqûres.
[0037] Afin de comparer l'amélioration des propriétés mécaniques obtenues par le procédé
de la présente invention, on a préparé des éprouvettes de traction que l'on a testées,
les résultats obtenus sont mentionnés dans le Tableau I suivant :

[0038] Les gains importants obtenus sur l'allongement et la résilience confirment l'influence
de la structure fer- ritique sur les caractéristiques mécaniques.
Exemple 4
[0039] A partir d'une fonte de base telle que C = 3,65; Si=2,6
5; Mn = 0,08 ; S = 0,010 et préparée dans le cadre d'un procédé spécial de nodulisation
de la fonte dans le moule (procédé inmold), on a utilisé les deux alliages suivants
afin de mettre en évidence l'action du lanthane sur l'aptitute aux cavités ("retassures")
de la fonte coulée par ce procédé. Ces deux alliages ont été élaborés à partir d'un
alliage mère Fe - Si - Mg :

[0040] Le mischmétal utilisé présente la composition suivante :

- Solde = autres Terres Rares.
[0041] Les pièces obtenues, en incorporant 1% des alliages 1 et 2, sont représentées en
coupe, respectivement aux figures 7 et 8. A partir des figures 7 et 8, on peut constater
que l'alliage 2 selon la présente invention permet d'obtenir des masselottes ne présentant
qu'une retassure primaire-dendritique tandis que la masselotte préparée avec le mischmétal
antérieur présente une cavité ou retassure importante. On doit noter que le rapport
lanthane/Terres Rares dans le mischmétal est égal à 0,25. Ce rapport selon la présente
invention doit être comme mentionné précédemment, au moins égal à 2, de préférence
au moins égal à 10 et encore de préférence au moins égal à 100.
[0042] Des essais mécaniques ont été effectués sur des blocs pour éprouvette obtenus après
incorporation de l'alliage 1 ou de l'alliage 2 et sont résumés dans le tableau II
suivant :

[0043] Les résultats obtenus confirment l'heureuse influence du lanthane sur la structure
(ferritisation) et sur la compacité des pièces coulées.
[0044] Afin de confirmer l'action spécifique du lanthane et de mettre en évidence l'action
antagoniste du cérium, deux essais complémentaires ont été effectués dans lesquels
on incorpore à la fonte, respectivement, 1% des deux alliages suivants :
Alliage 3 : Si = 48,2% ; Ca = 0,58% ; Mg = 5,8% ;Ce = 1% (mischmétal 2%) ; Fe = le
reste.
[0045] Le mischmétal utilisé présente la composition mentionnée précédemment pour l'alliage
1.
[0046] Alliage 4 identique à l'alliage 3 sauf que l'on emploie 0,50% de cérium apporté sous
forme de Fe-Ce au lieu de Mischmétal.
[0047] Les pièces obtenues avec incorporation des alliages 3 et 4 sont représentées, respectivement,
aux figures 9 et 10. On peut constater qu'il n'y a pas de diminution de l'importance
des cavités même dans le cas de l'alliage 3 pour lequel on a une teneur finale en
La = 0,4% ce qui permet de constater que la présence de cérium en quantité supérieure
à 1% en poids par rapport au poids de lanthane inhibe l'effet bénéfique du lanthane.
Exemple 5
[0049] On obtient une fonte ayant la composition mentionnée au tableau III avec les caractéristiques
physiques mentionnées également au tableau III.
[0051] Dans le cas des aciers, le lanthane peut résoudre les problèmes connexes à la désoxydation
de l'acier. A ce sujet, pour utiliser au mieux les propriétés désulfurantes du lanthane,
il importe de désoxyder préalablement l'acier de manière classique, par exemple par
désoxydation préalable au four par addition de 0,8 à 1% en poids d'aluminium que l'on
complète par une désoxydation en poche en utilisant des taux de lanthane dans les
intervalles précédemment mentionnés, c'est-à-dire en une quantité comprise avantageusement
entre 10
-4 % et 10-2%, soit de 1 à 100 ppm, et de préférence de 1-10 à 30 ppm.
[0052] Ainsi du fait de la faible quantité de lanthane ajouté, il y a très peu d'inclusions,
celles-ci étant bien réparties en éliminant ainsi les viscosités des inclusions ce
qui aboutit à un bain d'acier très fluide, à la solidification, et en dernier lieu
à un acier très propre.
[0053] En outre, la désulfuration quasi complète de l'acier diminue de même la tension superficielle
de celui-ci et conduit à une amélioration de sa coulabilité.
[0054] Ces observations sont confirmées par l'exemple suivant.
Exemple 6
[0056] Pour cela, à partir d'un acier de composition classique, on réalise une cculée de
13570 kg dans un four auquel on ajoute 0,07% de carbonne et 0,15% de Mn.
[0057] Pour réaliser un affinage de la teneur en oxygène, on effectue une désoxydation préalable
au four, selon la méthode traditionnelle, par addition d'environ 0,8% d'aluminium.
Après l'addition de l'aluminium, on prélève directement du four un échantillon d'acier
dont on obtient la composition suivante :

[0058] L'analyse cristallographique montre que cet acier comporte des macro-inclusions d'aluminate
et de silicate et des micro-sulfures.
[0059] Selon la présente invention, après ladésoxydation au four précitée à l'aluminium,
on réalise une désoxydation en poche en ajoutant 27 kg d'un alliage au silico-lanthane
comprenant 45% de Si, 0,5% de La, le reste étant du fer, soit une addition d'environ
0,20% de l'alliage au lanthane ce qui correspond à une addition d'environ 10
-3 % de lanthane soit environ 10 ppm.
[0060] On prélève un échantillon d'acier dans la poche après la désoxydation à l'alliage
inoculant au lanthane de la présente invention et on obtient un acier ayant la composition
suivante :

L'analyse cristallographique de cet acier montre que l'on obtient un acier comportant
des micro-inclusions d'aluminate et de silicate en obtenant des globules réfractaires
de diamètre moyen faible de l'ordre de 1 à 2 microns et en nombre limité.
[0061] Par ailleurs, le lanthane selon la présente invention en alliage avec d'autres métaux,
y compris avec des Terres Rares dans la mesure où on respecte le rapport précité lanthane/Terres
Rares, donne la possibilité, dans le cours de la cinétique de désoxydation,de désulfuration,
de dénitruration et de déshydratation, de. prévoir et d'obtenir le nombre d'inclusions
à la taille et à la composition souhaitées pour les applications de l'acier que l'on
souhaite produire ce qui constitue un résultat industriel particulièrement remarquable.
[0062] Ainsi l'addition de lanthane, dans les conditions de la présente invention, permet
de réduire l'anisotropie des aciers et d'améliorer de ce fait le rapport des résiliences
longitudinale et transversale obtenues.
[0063] On doit noter de manière générale que le lanthane se trouve dans l'alliage ferreux
sous forme de composés tels qu'oxydes, et/ou sulfures, et/ou nitrures, et/ou hydrures,
et/ou carbures formant des inclusions non gênantes dans les alliages ferreux.
[0064] En outre, lors de l'élaboration de l'alliage ferreux, si la fonte ou l'acier décante
bien, on doit avoir 70% des composés de lanthane formés qui remontent dans le laitier.
Ainsi, on trouve en général moins de 30% de composés de lanthane dans l'alliage ferreux
obtenu.
[0066] Les aciers préparés par le procédé de la présente invention peuvent être notamment
des aciers de construction, des aciers spéciaux, des aciers inoxydables, de moulage
ou de laminage mais ne sont pas limités à ceux- ci.
[0067] Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits
et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En paxticulier, elle comprend
tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens, ainsi que leurs
combinaisons si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans
le cadre des revendications qui suivent.
1. Procédé de préparation d'alliages ferreux permettant de réduire ou supprimer certains
défauts desdits alliages ferreux tels que piqûres et cavités des fontes à graphite
sphéroidal, carbures de la fonte grise lamellaire, d'améliorer la coulabilité, Inaptitude
au laminage et l'isotropie des aciers, et d'améliorer les propriétés mécaniques desdits
alliages ferreux, caractérisé en ce qu'il comprend l'incorporation d'au moins 0,0001%.
à environ 0,5 à 2% en poids de lanthane audit alliage ferreux lors de son élaboration.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend l'incorporation
d'environ 0,0001% à environ 0,01% en poids de lanthane audit alliage ferreux lors
de son élaboration.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend l'incorporation
d'environ 0,001 à environ 0,003 à 0,01% en poids de lanthane audit alliage ferreux,
lors de son élaboration.
5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le lanthane
est incorporé sous forme d'alliages avec tout métal susceptible de former un composé
homogène avec le lanthane, c'est-à-dire présentant un diagramme de solubilité avec
le lanthane seul ou associé à d'autres Terres Rares (y compris le cérium) dans la
proportion de 0,01 à 90% en poids de lanthane, pourvu que l'alliage au lanthane ait
une faible teneur en cérium seul ou associé à d'autres Terres Rares.
6. Procédé selon l'une des revendications 1 à.4, caractérisé en ce que-le lanthane
est incorporé sous forme de composé tel que chlorure, fluorure, oxyde obtenu à partir
de lanthanides, ou de mélanges desdits composés pourvu que ces composés de lanthanide
aient une faible.teneur en cérium seul ou associé à d'autres Terres Rares.
7. Procédé selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que le rapport en poids
lanthane/Terres Rares (excepté le lanthane) dans les alliages précités ou composés
de lanthanides précités est au moins supérieur à 2/1 ou de préférence supérieur à
10/1 et encore de préférence supérieur à 100/1.
8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le lanthane
est incorporé sous forme de lanthane-métal ayant de préférence une pureté supérieure
à 99%.
9. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le lanthane est incorporé
sous forme d'un alliage à base Si-La-Al, La-Ni, La-Fe-Si, La-Fe-Mn, Si-Ca-Mg-La, La-Cr,
Si-La-Mn, et où le fer peut constituer le solde.
10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce gue le lanthane est incorporé
sous forme d'un alliage ayant la composition suivante (en % en poids) :
11. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que le lanthane est incorporé
sous la forme d'un alliage ayant la composition suivante (% en poids)
12. Alliages ferreux; caractérisés en ce qu'ils sont préparés par le procédé selon
l'une quelconque des revendications précédentes.
13. Alliages ferreux, caractérisés en ce qu'ils possèdent du lanthane libre ou combiné
sous forme d'oxydes et/ou de sulfures, et/ou d'hydrures, et/ou de nitrures et/ou de
carbures, formant des inclusions non gênantes dans lesdits alliages ferreux.
14. Alliages ferreux selon la revendication 12 ou 13, caractérisés en ce qu'il s'agit
de fonte, en particulier de la fonte à graphite sphéroidal et/ou à graphite lamellaire.
15. Alliages ferreux selon la revendication 12 ou 13, caractérisés en ce qu'il s'agit
d'aciers tels que notamment aciers de construction, aciers spéciaux, aciers inoxydables,
de moulage ou de laminage.