Procédé de fabrication de pièces en fonte à graphite sphéroidal de grande précision géométrique et dimensionnelle et à caractéristiques mécaniques améliorées.

Description

[0001] La présente invention concerne un procédé pour la fabrication de pièces coulées en fonte à graphite sphéroïdal et la fonte telle qu'obtenue par la mise en oeuvre du procédé.

[0002] Par grande précision géométrique et dimensionnelle et à caractéristiques mécaniques améliorées, il faut entendre ici des pièces en fonte à graphite sphéroïdal dont l'état de surface, la précision géométrique et dimensionnelle, ainsi que les caractéristiques mécaniques, sont supérieures à celles habituellement rencontrées avec les procédés classiques de fonderie.

[0003] On connaît par le brevet FR 2 839 727 un procédé spécifique de fabrication de pièces en fonte à graphite sphéroïdal, qui combine en les associant successivement les techniques de moulage, de forgeage et de traitement thermique. Le procédé décrit dans ce brevet permet d'obtenir des pièces en fonte à graphite sphéroïdal à très hautes caractéristiques mécaniques (Rm>1 000 Mpa ; Rp 0,2/ Rm > 0,68 et A% compris entre 4 et 14 %), avec une précision dimensionnelle et géométrique voisine de celle du forgeage classique, donc supérieure à celle obtenue par les techniques classiques de fonderie.

[0004] Cependant, selon ce procédé breveté, toutes les étapes de fabrication sont réalisées dans la chaude de coulée ; cela nécessite des opérations intermédiaires de maintien en température entre certaines phases de fabrication, car toutes les étapes n'ont pas la même durée. C'est particulièrement le cas des opérations de moulage et de forgeage, mais aussi de forgeage et de traitement thermique de trempe étagée bainitique. La mise en oeuvre du procédé nécessite donc une chaîne de production spécifique et coûteuse, c'est à dire que le procédé est bien adapté à la grande série, type automobile par exemple, mais mal adapté à la moyenne et petite série.

[0005] D'autre part, de nombreuses pièces mécaniques ne nécessitent pas de caractéristiques mécaniques aussi élevées que celles obtenues par le brevet FR 2 839 727 avec des structures de type bainitique ou austeno-ferritique, par ailleurs difficiles à usiner.

[0006] On a constaté également dans l'application du procédé à certains types de pièces nécessitant de forts taux de déformation plastique pour l'opération d'estampage, des endommagements subis par les pièces lors de l'opération d'ébavurage, à cause des déformations parfois importantes des nodules de graphite et de leur alignement dans certaines zones de pièces proches du cordon de bavure et dans le cordon de bavure lui même, qui favorisent une déchirure du métal dans ces endroits au moment du passage de l'outil de découpe.

[0007] De plus, pour certaines géométries de pièces, le point faible en sollicitation de fatigue se situe au niveau des bavures qui sont localisées au plan de joint généralement situé au niveau de la partie médiane de la pièce.

[0008] Dans l'application du procédé selon le brevet FR 2 839 727, il s'avère difficile de contrôler les bavures qui sont inhérentes à l'estampage en matrices ouvertes et par là même de contrôler le taux de déformation de la fonte dans ces endroits, et donc le taux de déformation des nodules de graphite.

[0009] Par ailleurs, les constructeurs souhaitent de plus en plus réduire les coûts d'achat des pièces brutes et demandent des pièces brutes de plus en plus précises, nécessitant le moins d'opérations d'usinage possible.

[0010] Dans ces conditions, pour être encore plus compétitif économiquement par rapport au procédé classique de forgeage de pièces en acier, notamment pour la fabrication de pièces en grandes séries type automobile, mais aussi pour la fabrication de pièces en séries plus faibles, le procédé breveté doit être amélioré.

[0011] Le but de la présente invention est de répondre à cet objectif et de remédier à ces inconvénients en proposant un procédé de fabrication de pièces en fonte à graphite sphéroïdal ayant les caractéristiques suivantes :

• mise au mille améliorée par rapport au procédé classique de forgeage et par rapport au précédent brevet FR 2 839 727 ;
• limite de fatigue améliorée par rapport à celle obtenue par le procédé selon le brevet FR 2 839 727 ;
• caractéristiques mécaniques supérieures à celles obtenues par un procédé classique de fonderie ;
• précision dimensionnelle et géométrique supérieure à celle obtenue par les procédés classiques de fonderie et de forgeage, et à celle obtenue avec le procédé objet du brevet FR 2 839 727 ;

les pièces en fonte à graphite sphéroïdal ainsi obtenues possèdent une précision dimensionnelle et géométrique suffisante pour supprimer, dans certains cas, les opérations de pré-usinage des surfaces de référence.

[0012] A cet effet, l'invention concerne un procédé de fabrication de pièces en fonte à graphite sphéroïdal de grande précision dimensionnelle et géométrique, et à caractéristiques mécaniques améliorées, comprenant les étapes suivantes :

a) on prépare un mélange à l'état liquide ayant la composition pondérale suivante : 3 à 4 % de C ; 1,7 à 3 % de Si ; 0,1 à 0,7% de Mn ; 0 à 4% de Ni ; 0 à 1,5% de Cu ; 0 à 0,5% de Mo, avec une teneur en Mg résiduel adaptée à l'épaisseur des pièces comprise entre 0,025% et 0,080%, le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration ; les impuretés sont notamment le S dont la teneur est inférieure à 0,015% et le P dont la teneur est inférieure à 0,10% ;

b) on coule ce mélange à l'état liquide à une température comprise entre 1350°C et 1 550°C dans un moule permettant d'obtenir une forme approchée de la pièce appelée ébauche de la pièce ;

c) on extrait ladite ébauche de la pièce du moule à une température Ts comprise entre le solidus et AR3, le solidus et AR3 représentant les températures limites du domaine austénitique de ladite composition ;

d)on met en forme l'ébauche de la pièce à la température Tf comprise entre 1050°C et AR3 par déformation plastique à chaud, directement dans la chaude de coulée ou après un maintien à la température Tm = Tf + 20°C à 50°C pendant une durée comprise entre 10 et 60 mn, pour obtenir la pièce dans sa forme et ses dimensions finales ;

e) on trempe ladite pièce directement dans la chaude de formage à une température Tb comprise entre 260°C et 420°C située dans le domaine bainitique et on maintient celle-ci à la dite température Tb pendant une durée tb comprise entre 60 mn et 180 mn ; et

f) on refroidit ladite pièce à la température ambiante ;

caractérisé en ce que l'ébauche de la pièce obtenue par moulage possède un volume sensiblement identique à celui de la pièce et que l'opération de mise en forme par déformation plastique à chaud est une opération de calibrage en conteneurs ou en matrices fermées permettant d'obtenir la pièce moulée calibrée sans bavure latérale.

[0013] Ce mode de réalisation du procédé selon l'invention permet d'obtenir une fonte à graphite sphéroïdal avec une structure essentiellement bainitique, ce qui confère aux pièces de trés hautes caractéristiques mécaniques, mais avec une limite de fatigue supérieure à celle obtenue avec le procédé selon le brevet FR 2 839 727.

[0014] Par essentiellement bainitique, on entend ici une structure constituée de 50% au moins de bainite.

[0015] Dans un autre mode de réalisation du procédé selon l'invention après l'opération de calibrage par déformation plastique à chaud pour obtenir la pièce moulée calibrée sans bavure latérale, on refroidit ladite pièce moulée calibrée à la température ambiante de façon libre, commandée ou par trempe, pour conférer à la pièce les caractéristiques mécaniques souhaitées ; ceci en remplacement de la trempe étagée bainitique. Ce mode de réalisation de l'invention permet d'obtenir une fonte à graphite sphéroïdal avec une structure constituée en proportions variables de ferrite et/ou de perlite ; La structure étant alors essentiellement ferritique ou essentiellement perlitique, ou ferrito-perlitique.

[0016] Par essentiellement ferritique ou essentiellement perlitique on désigne ici, et dans tout ce qui suit, une structure constituée respectivement de 50% au moins de ferrite, ou de 50% au moins de perlite.

[0017] Les caractéristiques mécaniques ainsi obtenues sur les pièces, dont notamment la limite de fatigue, bien qu'inférieures à celles résultant de l'application du procédé, selon le brevet FR 2 839 727, sont améliorées par rapport à celles rencontrées sur les pièces en fonte à graphite sphéroïdal simplement moulées, grâce à l'effet de compactage et d'écrouissage obtenu par l'opération de calibrage.

[0018] Dans ces 2 premiers modes de réalisation du procédé selon l'invention, entre la sortie de l'ébauche du moule (c) et l'opération de déformation plastique à chaud (d), ou entre la sortie de l'ébauche du moule (c) et l'opération complémentaire de maintien de l'ébauche à la température Tm, on ajoute une opération intermédiaire de séparation des appendices de coulée (masselottes, chenaux de coulée ...) de l'ébauche de la pièce par découpe ou autre procédé, pour obtenir l'ébauche de la pièce seule avec un volume sensiblement identique à celui de la pièce moulée calibrée à obtenir.

[0019] Cette opération intermédiaire est destinée à débarrasser l'ébauche moulée de tous ses appendices de coulée, mais aussi si nécessaire à parfaire sa géométrie ou son volume, en vue de l'opération de calibrage qui suit. Cette opération peut comporter, en outre, une opération de nettoyage de ladite ébauche de la pièce, par exemple par brossage ou autre procédé, afin de la débarrasser des oxydes ou des résidus provenant de l'opération de moulage, avant l'opération de calibrage.

[0020] Dans un autre mode de réalisation du procédé selon l'invention, après l'opération de coulée de l'ébauche de la pièce et avant l'opération de calibrage de celle-ci en conteneurs ou en matrices fermées par déformation plastique à chaud, on extrait ladite ébauche de la pièce du moule après refroidissement en dessous de AR3, et on la parachève à la température ambiante, on réchauffe et on maintient ladite ébauche de la pièce à une température comprise entre AC3 et 1 050°C pendant une durée comprise entre 10 et 90 minutes pour permettre une bonne homogénéité de température et de composition chimique à l'intérieur de ladite ébauche.

[0021] Le parachèvement de l'ébauche moulée de la pièce, qui comprend le démasselottage, le meulage, les éventuelles opérations d'ébarbage et le grenaillage, est facilité, dans ce mode de réalisation du procédé selon l'invention, car il s'effectue à la température ambiante ; le procédé est ainsi simplifié dans sa mise en oeuvre, car les opérations de moulage et de calibrage sont dissociées.

[0022] Dans ce mode de réalisation du procédé selon l'invention, on peut en outre inclure dans l'opération de parachèvement, une opération de meulage et/ou de découpe destinée à permettre d'obtenir le volume de ladite ébauche de la pièce sensiblement identique à celui de la pièce et/ou destinée à parfaire la géométrie de ladite ébauche de la pièce.

[0023] Dans les différents modes de réalisation du procédé selon l'invention, le taux de déformation plastique lors de l'opération de calibrage, est volontairement limité pour éviter des écrasements trop importants des nodules de graphite qui s'orientent dans le sens de l'écoulement du métal.

[0024] La suppression de la bavure latérale, par l'utilisation d'une ébauche de volume sensiblement identique à la pièce à obtenir et par l'utilisation de matrices fermées, élimine par là même les zones de faiblesse en sollicitation de fatigue dues à la grande déformation des nodules dans ces endroits.

[0025] Par ailleurs, l'opération de découpe de la bavure latérale n'est plus nécessaire et les risques de déchirure du métal dans ces zones supprimés.

[0026] Dans les différents modes de réalisation du procédé selon l'invention, la forme donnée à l'ébauche moulée de la pièce est déterminée à partir de la forme finale de la pièce pour permettre un taux de déformation dans toutes les parties de l'ébauche lors de l'opération de calibrage, compris entre 1 et 20% maximum, et pour orienter l'écoulement du métal lors de cette opération dans un sens favorable aux caractéristiques mécaniques, et en particulier aux sollicitations en fatigue de la pièce en service.

[0027] Selon d'autres caractéristiques de l'invention dans ces différents modes de réalisation du procédé :

• l'opération de calibrage en conteneurs ou en matrices fermés est réalisée par pressage ou frappe de l'ébauche entre au moins deux outils, ou à l'aide d'éléments et/ou de poinçons mobiles coulissant à l'intérieur des matrices ou des outils, pour permettre notamment une déformation plastique multiaxiale sur l'ébauche ;
• le volume de l'ébauche moulée de la pièce est égal à celui de la pièce moulée calibrée avec une tolérance maximale comprise dans la fourchette 0 à + 6% ;
• le volume de matière en excès sur l'ébauche de la pièce, qui correspond à la tolérance autorisée sur le volume de l'ébauche de la pièce, est orienté lors de l'opération de calibrage dans un logement de métal en excès placé, soit dans un ou plusieurs trous borgnes ou débouchants de la pièce destinés à être usinés, soit dans une ou plusieurs cavités prévues à cet effet sur la pièce dans des zones qui n'affectent pas la précision géométrique de la pièce moulée calibrée ;
• le moule utilisé pour la coulée de l'ébauche de la pièce est de préférence un moule permanent constitué d'au moins deux demi parties métalliques revêtues d'un poteyage, mais peut aussi être un moule non permanent en sable ou autre.

[0028] Dans les modes de réalisation du procédé selon l'invention qui comportent un refroidissement de la pièce moulée calibrée de façon libre, commandée ou par trempe, ce refroidissement est réalisé à l'air libre, à l'air soufflé, ou en atmosphère ou milieu confiné selon le cas.

[0029] Le refroidissement de façon commandée désigne ici un refroidissement réalisé avec une vitesse imposée et contrôlée pour permettre d'obtenir une structure définie préalablement et souhaitée sur la pièce. Dans les cas où la structure définie et souhaitée n'est pas obtenue directement à la suite du refroidissement effectué de façon libre, commandée ou par trempe, on inclut en outre un traitement thermique de revenu situé après l'opération de refroidissement de la pièce moulée calibrée, destiné à ajuster la structure et/ou les caractéristiques mécaniques de ladite pièce moulée calibrée.

[0030] L'invention concerne également une fonte à graphite sphéroïdal élaborée et mise en forme selon le procédé de l'invention dont la structure est, soit essentiellement bainitique, soit essentiellement perlitique, soit essentiellement ferritique, soit constituée de ferrite et de perlite en proportions variables.

[0031] De préférence, la fonte a subi un taux de déformation plastique limité et contenu lors de l'opération de calibrage, en limitant ainsi les écrasements des nodules de graphite. Avantageusement, le taux de déformation dans toutes les parties de l'ébauche lors de l'opération de calibrage est compris entre 1 et 20 % au maximum, en permettant ainsi d'orienter l'écoulement du métal lors de l'opération de calibrage dans un sens favorable aux caractéristiques mécaniques et en particulier aux sollicitations en fatigue de la pièce en service, en favorisant ainsi la limitation de la déformation des nodules de graphite sphéroïdal.

[0032] L'invention concerne également une pièce en fonte constituée d'une fonte à graphite sphéroïdal élaborée et mise en forme selon l'un quelconque des modes de réalisation du procédé selon l'invention.

[0033] La présente invention est particulièrement adaptée, sans que cela soit restrictif, à la fabrication de pièces mécaniques de moteur automobile, comme la bielle par exemple, ou autres pièces en mouvement du moteur.

[0034] Plus légères et à caractéristiques mécaniques voisines, voire supérieures à l'acier forgé, les pièces en fonte à graphite sphéroïdal moulées et calibrées par déformation plastique à chaud présentent un état de surface, une précision dimensionnelle et géométrique meilleurs que ceux obtenus avec les procédés classiques de forgeage ou de moulage en grande série.

[0035] L'invention est particulièrement bien adaptée, sans que cela soit restrictif, aux pièces qui doivent présenter une limite de fatigue élevée, avec un gain de masse par rapport à l'acier.

[0036] Un autre avantage important de l'invention est de permettre la réalisation de pièces en fonte à graphite sphéroîdal avec des formes impossibles à obtenir sur des pièces en acier par estampage classique, comme par exemple des formes en creux sur la pièce situées perpendiculairement au plan de joint donc en contre-dépouille par rapport à la direction de frappe ou de pressage. Obtenues facilement par coulée dans un moule, ces formes déjà présentes sur l'ébauche moulée de la pièce ne nécessitent plus que de faibles taux de déformation plastiques pour être mises aux formes finales de la pièce ; ces faibles taux de déformation plastique étant compatibles avec une opération de calibrage à chaud en conteneurs ou matrices fermées avec inserts ou outils placés dans les matrices, comme c'est le cas dans les divers modes de réalisation de l'invention.

[0037] Comme exemple non limitatif, on peut citer le cas de la bielle de moteur où l'âme, qui est la partie centrale de la bielle qui relie la tête et le pied, possède un profil en forme de « H » dont les creux sont placés dans le sens du plan de joint c'est-à-dire dans le sens adapté à l'estampage. Pour une meilleure tenue de la pièce en service ce profil devrait être placé perpendiculairement au profil actuel sur la pièce, mais ne peut être réalisé ainsi avec les techniques classiques d'estampage sur pièce en acier. Le procédé selon l'invention permet de réaliser la bielle de moteur avec le profil de l'âme perpendiculaire au profil existant, c'est-à-dire avec les formes en creux de la section de l'âme placées perpendiculairement par rapport au plan de joint, permettant à la pièce une meilleure tenue lors des sollicitations mécaniques en service.

[0038] D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit , d'un de ses modes de réalisation donné à titre d'exemple non limitatif.

[0039] On a fait des essais sur une bielle automobile d'une masse de 770 grammes, habituellement réalisée en acier forgé et fabriquée selon l'invention. Cette pièce, dont la plus grande dimension est de 180 mm, possède une épaisseur dans sa partie la plus forte de 25 mm.

[0040] Conformément à l'invention, à partir de la forme finale de la bielle moulée calibrée souhaitée, nous avons déterminé la forme à donner à l'ébauche de bielle moulée pour assurer un taux de déformation de ladite ébauche de bielle moulée lors de l'opération de calibrage, compris entre 1 et 20% maximum dans toutes les parties de celle-ci, et ceci avec un volume de l'ébauche de bielle sensiblement identique à celui de la bielle moulée calibrée souhaitée pour permettre d'obtenir la bielle moulée calibrée sans bavure latérale. Pour les calculs de déformation, nous avons choisi un volume d'ébauche égal au volume de la pièce moulée calibrée + 2%.

[0041] Par des études de déformation plastique sur logiciel de simulation numérique de forgeage, nous avons déterminé la forme géométrique et A partir de cette forme de l'ébauche de bielle, nous avons dimensionné les formes de l'outillage de calibrage en matrices fermées, ainsi que celles de l'outillage de moulage constitué de deux demi-coquilles métalliques, en tenant compte des retraits de refroidissement de l'ébauche de bielle et de la bielle moulée calibrée et des dilatations des outillages de moulage et de calibrage.

[0042] L'outillage de calibrage comprenait deux matrices fermées ainsi qu'un élément coulissant dans une des matrices pour la réalisation de l'alésage de la tête de bielle ; un logement de métal en excès avait été prévu à différents endroits sur le périmètre de cet alésage, là où subsiste une opération d'usinage ultérieure, ainsi que dans une cavité du pied de bielle où subsiste également une opération d'usinage ultérieure.

[0043] Conformément à l'invention, la fonte de composition finale : 3,7% de C ; 2,62% de Si ; 0,19% de Mn ; 0,3% de Ni ; 0,4% de Cu ; 0,15% de Mo, avec une teneur en magnésium résiduel qui est restée comprise dans la fourchette 0,028 %- 0,042 %, a été élaborée au four électrique à induction, traitée au ferro-silico-magnésium, et ensuite coulée entre 1 380°C et 1 450°C dans un moule métallique régulé à 270°C et revêtu d'un poteyage protecteur.

[0044] Le moule métallique présente quatre empreintes d'ébauche de bielle, de sorte que quatre ébauches de bielle en fonte à graphite sphéroïdal sont moulées à chaque cycle du moule.

[0045] Conformément à l'invention, les ébauches de bielle moulées ont été extraites du moule à une température qui est toujours restée comprise lors des essais, entre 980°C et 950°C.

[0046] Immédiatement après leur sortie du moule, chaque grappe de coulée constituée de quatre ébauches de bielle était placée dans un outil de découpe monté sur une presse pour séparation des masselottes et du système de coulée.

[0047] Chaque ébauche de bielle était ensuite placée immédiatement dans un four sous atmosphère d'azote régulé à la température de 950°C, de façon à assurer une homogénéité de température dans toute la section de l'ébauche de bielle avant son calibrage.

[0048] La durée de maintien de chaque ébauche dans le four est toujours restée comprise entre 15 et 35 minutes.

[0049] Chaque ébauche était ensuite calibrée à la presse par déformation plastique à la température de 930°C dans l'outillage de calibrage préalablement réalisé.

[0050] Après l'opération de calibrage, trois types de refroidissement ont été pratiqués sur trois lots différents de bielles moulées calibrées :

• sur un premier lot de bielles, chaque bielle moulée calibrée du lot a été laissée se refroidir à l'air libre ;
• sur un deuxième lot de bielles, chaque bielle moulée calibrée du lot, dés sa sortie de l'opération de calibrage, a été aussitôt placée dans un four tunnel à passage où une vitesse de refroidissement commandée de 20°C par minute lui était imposée entre 900°C et 500°C, puis ensuite laissée se refroidir à l'air libre ;
• enfin, sur un troisième lot de bielles, chaque bielle moulée calibrée du lot, dés sa sortie de l'opération de calibrage, a été aussitôt placée dans un bain à lit fluidisé de sable de zircon régulé à la température de 360°C, et de volume suffisamment grand pour garantir une variation de température du lit fluidisé inférieure à 5°C, lors de chaque immersion de pièce . Chaque bielle subissait ainsi une trempe étagée bainitique à la température de 360°C, et était maintenue à cette température dans le lit fluidisé pendant une durée de 110 minutes, à l'issue de laquelle chaque bielle était retirée du bain à lit fluidisé et laissée refroidir à l'air jusque la température ambiante conformément à l'invention.

[0051] Différentes mesures ont été réalisées sur les bielles ainsi fabriquées selon l'invention afin de déterminer leur mise au mille, leur précision géométrique et dimensionnelle et leurs caractéristiques mécaniques. Ainsi, pour caractériser la précision dimensionnelle et géométrique des mesures dimensionnelles, de rugosité et de dispersion de poids ont été pratiquées ; pour les caractéristiques mécaniques, les mesures suivantes ont été réalisées : resistance mécanique (Rm : limite de rupture de la pièce sollicitée en traction), limite d'élasticité (Rp0.2), capacité d'allongement (A%) ainsi que limite de fatigue en traction-compression à 3 millions de cycles (LF).

[0052] Au niveau de la mise au mille, qui est le rapport entre la quantité globale de métal mise en oeuvre et la quantité de métal représentée par les pièces produites (1 000 Kg), les mesures obtenues sont reportées dans le tableau 1 suivant, comparativement aux valeurs obtenues avec les autres procédés pour fabriquer la même bielle.

tableau 1

	Procédé selon l'invention	Procédé selon FR 2 839 727	Procédé classique de forgeage
Matériau mis en oeuvre	Fonte GS	Fonte GS	Acier
Quantité de métal mise en oeuvre en Kg	1520	1800	1650
Quantité de métal de pièces produits en Kg	1000	1000	1000
Mise au mille	1,52	1,8	1,65

[0053] Elles montrent que le procédé selon l'invention permet de réduire la quantité de métal mis en oeuvre pour produire les pièces ; il améliore ainsi la mise au mille par rapport au précédent brevet FR 2 839 727, et par rapport au procédé classique de forgeage sur pièces en acier.
De même, au niveau de la précision géométrique et dimensionnelle, les mesures réalisées sur les bielles fabriquées selon l'invention sont comparées dans le tableau 2 suivant aux valeurs rencontrées par l'utilisation des autres procédés pour fabriquer les mêmes pièces.

tableau 2

Procédé utilisé	Selon l'invention	Selon brevet FR 2 839 727	Forgeage classique	Fonderie moule métallique
Matériau mis en oeuvre	Fonte GS	Fonte GS	Acier	Fonte GS
Poids moyen de la pièce en gr	770	770	835	770
Précision sur le poids de la pièce	+/- 1,5 %	+/- 2 %	+/- 2 %	+/- 3 %
Précision dimensionnelle sur la plus grande dimension de pièce (180m/m) en m/m	+/-0,15	+/-0,3	+/-0,4	+/-0,3
Précision dimensionnelle sur l'épaisseur de la pièce (25 m/m) en m/m	+/-0,1	+/-0,2	+/-0,25	+/-0,3
Rugosité Ra en µm	5 à 6	6 à 7	7 à 8	7 à 9
Angle de dépouille en degrés	0,5° à 2°	3°	3°	2°

[0054] Ce tableau montre qu'on obtient effectivement une précision géométrique et dimensionnelle supérieure à celle obtenue avec les procédés classiques de fonderie et de forgeage et supérieure à celle obtenue avec le procédé objet du précédent brevet FR 2 839 727.

[0055] D'autre part, les valeurs des mesures de caractéristiques mécaniques obtenues sur les bielles moulées calibrées à structure essentiellement bainitique, obtenues par trempe étagée à 360°C pendant 110 minutes, sont reportées dans le tableau 3 suivant, comparativement aux valeurs obtenues sur les mêmes bielles par l'utilisation des autres procédés.

tableau 3

Procédé utilisé	Selon l'invention	Selon brevet FR 2 839 727	Forgeage classique	Fonderie moule métallique
Matériau mis en oeuvre	Fonte GS	Fonte GS	Acier	Fonte GS
Rm (moyenne) en Mpa	1070	1020	915	980
Rp0,2 (moyenne) en Mpa	735	700	570	665
A% (moyenne)	6,8	5,6	10,4	6,8
LF (moyenne) en Mpa	380	345	315	345

[0056] Ces résultats montrent que les caractéristiques mécaniques sont améliorées par rapport aux procédés classiques de fonderie et de forgeage, et par rapport au procédé selon le brevet FR 2 839 727. En particulier la limite de fatigue, déterminée ici en traction - compression à 3 millions de cycles, est sensiblement améliorée par rapport au précédent brevet FR 2 839 727.

[0057] Les mesures réalisées sur les lots de bielles à structure essentiellement perlitique ou essentiellement ferritique sont reportées dans le tableau 4 suivant comparativement aux valeurs obtenues sur les bielles réalisées avec la même fonte à graphite sphéroïdal, refroidies dans les mêmes conditions, mais simplement moulées en moule métallique, c'est à dire sans calibrage par déformation plastique à chaud.

tableau 4

Qualité de fonte	Fonte GS perlitique Pièces de même structure		Fonte GS ferritique Pièces de même structure
Procédé utilisé	Selon l'invention	Fonderie moule métallique	Selon l'invention	Fonderie moule métallique
Dureté HB (moyenne)	280	260	200	185
Rm (moyenne) en Mpa	820	775	505	475
Rp0,2 (moyenne) en Mpa	515	470	350	310
A% (moyenne)	4	3,8	10	9,2
LF (moyenne) en Mpa	320	295	310	290

[0058] Les pièces comparées ici, obtenues par le procédé selon l'invention et celles réalisées simplement par moulage en moule métallique, possèdent la même structure métallographique, soit à dominante perlitique ou à dominante ferritique, puisqu'elles ont subi la même vitesse de refroidissement commandée.

[0059] Ce tableau montre qu'on obtient effectivement avec le procédé selon l'invention des caractéristiques mécaniques supérieures à celles obtenues par un procédé classique de fonderie, et ceci pour la même structure métallographique, c'est à dire pour le même taux de perlite et/ou de ferrite de la fonte.

Revendications

1. Procédé de fabrication de pièces en fonte à graphite sphéroïdal à caractéristiques mécaniques améliorées et de grande précision géométrique et dimensionnelle comprenant les étapes suivantes :

a) on prépare un mélange à l'état liquide ayant la composition pondérale suivante : 3 à 4 % de C ; 1,7 à 3 % de Si ; 0,1 à 0,7% de Mn ; 0 à 4% de Ni ; 0 à 1,5% de Cu ; 0 à 0,5% de Mo , avec une teneur en Mg résiduel adaptée à l'épaisseur des pièces comprise entre 0,025% et 0,080%, le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration ; les impuretés sont notamment le S dont la teneur est inférieure à 0,015% et le P dont la teneur est inférieure à 0,10% ;

b) on coule ce mélange à l'état liquide à une température comprise entre 1350°C et 1 550°C dans un moule permettant d'obtenir une forme approchée de la pièce appelée ébauche de la pièce ;

c) on extrait ladite ébauche de la pièce du moule à une température Ts comprise entre le solidus et AR3, le solidus et AR3 représentant les températures limites du domaine austénitique de ladite composition ;

d) on met en forme l'ébauche de la pièce à la température Tf comprise entre 1050°C et AR3 par déformation plastique à chaud, directement dans la chaude de coulée ou après un maintien à la température Tm = Tf + 20° à 50°C pendant une durée comprise entre 10 et 60 mn, pour obtenir la pièce dans sa forme et ses dimensions finales ;

e) on trempe ladite pièce directement dans la chaude de formage à une température Tb comprise entre 260°C et 420°C située dans le domaine bainitique et on maintient celle-ci à la dite température Tb pendant une durée tb comprise entre 60 mn et 180 mn ; et

f) on refroidit ladite pièce à la température ambiante ;

caractérisé en ce que l'ébauche de la pièce obtenue par moulage possède un volume sensiblement identique à celui de la pièce et que l'opération de mise en forme par déformation plastique à chaud est une opération de calibrage en conteneurs ou en matrices fermées permettant d'obtenir la pièce moulée calibrée sans bavure latérale.

2. Procédé de fabrication de pièces en fonte à graphite sphéroïdal à caractéristiques mécaniques améliorées et de grande précision géométrique et dimensionnelle qui se caractérise en ce qu'il comprend les étapes suivantes :

a) on prépare un mélange à l'état liquide ayant la composition pondérale suivante : 3 à 4 % de C ; 1,7 à 3 % de Si ; 0,1 à 0,7% de Mn ; 0 à 4% de Ni ; 0 à 1,5% de Cu ; 0 à 0,5% de Mo , avec une teneur en Mg résiduel adaptée à l'épaisseur des pièces comprise entre 0,025% et 0,080%, le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration ; les impuretés sont notamment le S dont la teneur est inférieure à 0,015% et le P dont la teneur est inférieure à 0,10% ;

b) on coule ce mélange à l'état liquide à une température comprise entre 1350°C et 1550°C dans un moule permettant d'obtenir une forme approchée de la pièce appelée ébauche de la pièce ayant un volume sensiblement identique à celui de la pièce ;

c) on extrait ladite ébauche de la pièce du moule à une température Ts comprise entre le solidus et AR3, le solidus et AR3 représentant les températures limites du domaine austénitique de ladite composition ;

d) on calibre en conteneurs ou en matrices fermées ladite ébauche de la pièce à la température Tf comprise entre 1 050°C et AR3 par déformation plastique à chaud, directement dans la chaude de coulée ou après un maintien à la température Tm = Tf + 20°C à 50°C pendant une durée comprise entre 10 et 60 mn, pour obtenir la pièce moulée calibrée sans bavure latérale ;

e) on refroidit ladite pièce moulée calibrée à la température ambiante de façon libre ou commandée ou par trempe, pour conférer à la pièce les caractéristiques mécaniques souhaitées.

3. Procédé de fabrication de pièces en fonte à graphite sphéroïdal à caractéristiques mécaniques améliorées et de grande précision géométrique et dimensionnelle qui se caractérise en ce qu'il comprend les étapes suivantes :

a) on prépare un mélange à l'état liquide ayant la composition pondérale suivante : 3 à 4 % de C ; 1,7 à 3 % de Si ; 0,1 à 0,7% de Mn ; 0 à 4% de Ni ; 0 à 1,5% de Cu ; 0 à 0,5% de Mo , avec une teneur en Mg résiduel adaptée à l'épaisseur des pièces comprise entre 0,025% et 0,080%, le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration ; les impuretés sont notamment le S dont la teneur est inférieure à 0,015% et le P dont la teneur est inférieure à 0,10% ;

b) on coule ce mélange à l'état liquide à une température comprise entre 1350°C et 1 550°C dans un moule permettant d'obtenir une forme approchée de la pièce appelée ébauche de la pièce ayant un volume sensiblement identique à celui de la pièce ;

c) on extrait ladite ébauche de la pièce du moule après refroidissement en dessous de AR3 et on la parachève à la température ambiante ;

d) on réchauffe et on maintient ladite ébauche de la pièce à une température comprise entre AC3 et 1 050°C pendant une durée comprise entre 10 et 90 minutes pour permettre une bonne homogénéité de température et de composition chimique à l'intérieur de ladite ébauche ;

e) on calibre en conteneurs ou en matrices fermées par déformation plastique à chaud ladite ébauche de la pièce à une température comprise entre AC3 et 1 050°C pour obtenir la pièce moulée calibrée sans bavure latérale ;

f) on refroidit ladite pièce moulée calibrée à la température ambiante de façon libre ou commandée ou par trempe, selon les caractéristiques mécaniques souhaitées.

4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la forme donnée à l'ébauche moulée de la pièce est déterminée à partir de la forme finale de la pièce pour permettre un taux de déformation dans toutes les parties de l'ébauche lors de l'opération de calibrage, compris entre 1 et 20% maximum et pour orienter l'écoulement du métal lors de cette opération dans un sens favorable aux caractéristiques mécaniques et en particulier aux sollicitations en fatigue de la pièce en service.

5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que l'opération de calibrage en conteneurs ou en matrices fermés est réalisée par pressage ou frappe de l'ébauche entre au moins deux outils ou à l'aide d'éléments et/ou de poinçons mobiles coulissant à l'intérieur des matrices ou des outils pour permettre notamment une déformation plastique multiaxiale sur l'ébauche.

6. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que, entre la sortie de l'ébauche du moule (c) et l'opération de déformation plastique à chaud (d), ou entre la sortie de l'ébauche du moule (c) et l'opération complémentaire de maintien de l'ébauche à la température Tm, on ajoute une opération intermédiaire de séparation des appendices de coulée (masselottes, chenaux de coulée ...) de l'ébauche de la pièce par découpe ou autre procédé, pour obtenir l'ébauche de la pièce seule avec un volume sensiblement identique à celui de la pièce moulée calibrée à obtenir.

7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le volume de l'ébauche moulée de la pièce est égal à celui de la pièce moulée calibrée avec une tolérance maximale comprise dans la fourchette 0 à + 6%.

8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le volume de matière en excès sur l'ébauche de la pièce qui correspond à la tolérance autorisée sur le volume de l'ébauche de la pièce est orienté lors de l'opération de calibrage dans un logement de métal en excès placé, soit dans un ou plusieurs trous borgnes ou débouchants de la pièce destinés à être usinés, soit dans une ou plusieurs cavités prévues à cet effet sur la pièce dans des zones qui n'affectent pas la précision géométrique de la pièce moulée calibrée.

9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le moule utilisé pour la coulée de l'ébauche de la pièce est de préférence un moule permanent constitué d'au moins deux demi parties métalliques revêtues d'un poteyage, mais peut aussi être un moule non permanent en sable ou autre.

10. Procédé selon la revendication 3 caractérisé en ce que l'opération de parachèvement de l'ébauche de la pièce après sa sortie du moule comporte si nécessaire une opération de meulage ou de découpe destinée à permettre d'obtenir le volume de ladite ébauche de la pièce sensiblement identique à celui de la pièce et/ou destinée à parfaire la géométrie de ladite ébauche de la pièce.

11. Procédé selon la revendication 2 ou la revendication 3 caractérisé en ce que le refroidissement de la pièce moulée calibrée de façon libre, commandée ou par trempe, est réalisé à l'air libre, à l'air soufflé, ou en atmosphère ou milieu confiné.

12. Procédé selon la revendication 2 ou la revendication 3 caractérisé en ce qu'il comporte, en outre , un traitement thermique de revenu situé après l'opération de refroidissement de la pièce moulée calibrée, destiné à ajuster la structure et/ou les caractéristiques mécaniques de ladite pièce moulée calibrée.

13. Fonte à graphite sphéroïdal ayant la composition pondérale suivante: 3 à 4% de C ; 1,7 à 3% de Si ; 0,1 à 0,7% de Mn ; 0 à 4% de Ni ; 0 à 1,5% de Cu ; 0 à 0,5% de Mo, avec une teneur en Mg résiduel adaptée à l'épaisseur des pièces comprise entre 0,025% et 0,080%, le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration ; les impuretés sont notamment le S dont la teneur est inférieure à 0,015% et le P dont la teneur est inférieure à 0,10%, élaborée et mise en forme selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle a une structure essentiellement bainitique, et ayant subi un taux de déformation plastique limité et contenu lors de l'opération de calibrage, en limitant ainsi les écrasements des nodules de graphite.

14. Fonte à graphite sphéroïdal ayant la composition pondérale suivante: 3 à 4% de C 1,7 à 3% de Si ;0,1 à 0,7% de Mn ; 0 à 4% de Ni ; 0 à 1,5% de Cu ; 0 à 0,5% de Mo, avec une teneur en Mg résiduel adaptée à l'épaisseur des pièces comprise entre 0,025% et 0,080%, le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration ; les impuretés sont notamment le S dont la teneur est inférieure à 0,015% et le P dont la teneur est inférieure à 0,10%, élaborée et mise en forme selon l'une quelconque des revendications 2, 3, 11 ou 12, caractérisée en ce qu'elle a une structure, soit essentiellement ferritique, soit essentiellement perlitique, soit ferrito-perlitique, et ayant subi un taux de déformation plastique limité et contenu lors de l'opération de calibrage, en limitant ainsi les écrasements des nodules de graphite.

15. Fonte selon la revendication 13 ou 14, caractérisée en ce que le taux de déformation dans toutes les parties de l'ébauche lors de l'opération de calibrage est compris entre 1 et 20 % au maximum, en permettant ainsi d'orienter l'écoulement du métal lors de l'opération de calibrage dans un sens favorable aux caractéristiques mécaniques et en particuliers aux sollicitations en fatigue de la pièce en service, en favorisant ainsi la limitation de la déformation des nodules de graphite sphéroïdal.

16. Pièce en fonte caractérisée en ce qu'elle est constituée d'une fonte à graphite sphéroïdal selon la revendication 13, ou la revendication 14, ou la revendication 15, cette pièce étant en particulier de forme en creux ou bielle de moteur.