De façon plus précise, l'invention concerne un mode d'élaboration et de mise en forme de pièces en fonte à graphite sphéroïdal à haute ténacité, c'est à dire à résistance mécanique élevée. Par haute ténacité, il faut entendre typiquement des fontes présentant une résistance à la traction qui s'établit entre 1000 et 1700 Mpa un rapport limite d'élasticité sur résistance à la traction RpO. 2/Rm zu 0.68 et un allongement à la rupture qui est compris entre 4% et 14% environ.

L'évolution de certaines techniques impose de disposer de fontes ou plus généralement de matériaux à hautes caractéristiques capables de résister aux sollicitations mécaniques de plus en plus élevées. C'est en particulier le cas dans le domaine de l'industrie automobile avec l'augmentation des performances des moteurs des véhicules automobiles qui entraîne elle- mme l'élévation du niveau des sollicitations des divers composants des organes mécaniques.

Actuellement de nombreuses nuances de fonte moulée sont disponibles pour ces applications mécaniques. Elles représentent des gammes très diversifiées de caractéristiques adaptées à divers types de sollicitation et elles constituent souvent des matériaux concurrents d'autres matériaux et en particulier d'aciers forgés à haute performance pour la fabrication d'organes soumis à des sollicitations très importantes.

Cependant, pour certaines applications, les contraintes économiques du fait de la concurrence sont de plus en plus sévères et il est donc particulièrement intéressant de pouvoir étendre la gamme de matériaux de construction qui puissent satisfaire aux conditions très sévères d'utilisation et qui répondent à l'attente des constructeurs pour réaliser différentes pièces.

Pour atteindre ce but, l'invention concerne un procédé d'élaboration et de mise en forme de pièces en fonte à graphite sphéroïdal à caractéristiques mécaniques élevées 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% deC ; 1. 7 à 3 % de Si ; 0. 1 à 0. 7 % de Mn ; 0 à 4 % de Ni ; 0 à 1. 5% de Cu ; Oà O. 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 ;

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 par déformation plastique à chaud directement dans la chaude de coulée, l'ébauche de la pièce pour obtenir la pièce dans sa forme et ses dimensions finales, à la température Tf comprise entre 1050°C et AR3 ; e) On trempe ladite pièce directement dans la chaude de formage à une température Tb située dans le domaine bainitique et on maintient celle-ci à la dite température Tb pendant une durée tb ; et f) On refroidit ladite pièce à la température ambiante.

Le terme « trempe » ou « trempe étagée bainitique » est utilisé, ici et dans toute la suite, au sens large, c'est-à-dire qu'il s'agit d'un refroidissement suffisamment rapide pour obtenir une structure qui n'est pratiquement pas ferrito-perlitique et qui n'est pratiquement pas non plus martensitique.

La trempe ou trempe étagée bainitique, est destinée à conférer à la pièce une structure essentiellement bainitique, c'est-à-dire constituée de plus de 50% de bainite.

Pour les nuances de fonte mises en oeuvre selon ladite composition, la vitesse de refroidissement correspondant à la trempe étagée bainitique est comprise entre 15°C/sec et 150°C/sec.

Dans ce premier mode de réalisation du procédé selon l'invention et également dans celui qui suit lorsque Ts est supérieure à Tf, toutes les étapes successives nécessaires à la réalisation de la pièce en fonte depuis l'étape de coulée jusque l'étape de refroidissement de la pièce à la température ambiante, sont réalisées dans la chaude de coulée c'est-à-dire sans réchauffage intermédiaire entre les dites étapes. Ces deux modes de réalisation du procédé de l'invention sans réchauffage intermédiaire entre les étapes successives nécessaires à la réalisation de la pièce en fonte sont particulièrement performants au niveau énergie consommée part rapport aux procédés classiques de mise en forme et de traitement thermique. Ils sont donc particulièrement économiques pour produire une fonte à graphite sphéroïdal à caractéristiques mécaniques élevées.

Dans un autre mode de réalisation du procédé selon l'invention, on pratique, entre l'étape c) et l'étape d) c'est-à-dire entre la sortie de l'ébauche du moule et la mise en forme par déformation plastique à chaud de celle-ci, une étape complémentaire où on maintient l'ébauche à une température Tm supérieure à la température de forgeage Tf de 20°C à 50°C pendant une durée comprise entre 10 min et 60 min de façon à assurer une homogénéité de température à l'intérieur de l'ébauche, ceci lorsque la température Ts de sortie de l'ébauche du moule est supérieure à la température Tf souhaitée pour le forgeage ;

ou lorsque la température Ts de sortie de l'ébauche du moule est plus faible que la température Tf souhaitée pour le forgeage on réchauffe et on maintient l'ébauche à la température Tm supérieure de 20°C à 50°C à la température de forgeage Tf pendant une durée comprise entre 10 min et 60 min.

Dans un autre mode de réalisation du procédé selon l'invention, l'étape e) destinée à réaliser une trempe étagée bainitique directe, est remplacée par l'un des deux traitements suivants : 1) après déformation plastique à chaud, on refroidit la pièce jusque dans le domaine intercritique à une température Tir comprise entre AR1+20°C et AR3, on la maintient à cette température Tir pendant une durée comprise entre 15 min et 60 min pour permettre une homogénéisation de la structure et on réalise une trempe étagée bainitique à une température Tb située dans le domaine bainitique et on maintient la pièce à la température Tb pendant une durée tb ; 2) après déformation plastique à chaud, on laisse refroidir la pièce en dessous de la température AR1, puis on réchauffe la pièce et on la maintient à une température Tic comprise entre AC1+20°C et AC3 c'est-à-dire dans le domaine intercritique de la composition de la fonte pendant une durée comprise entre 30 min et 180 min pour permettre une homogénéisation de la structure et on réalise une trempe étagée bainitique à une température Tb située dans le domaine bainitique et on maintient la pièce à la température Tb pendant une durée tb.

AR1, AR3, AC1, AC3 représentant les limites de l'intervalle critique, appelé aussi domaine intercritique, de ladite composition mesurées respectivement au refroidissement (indice R) et au chauffage (indice C) ; La température Tic ou Tir de maintien dans le domaine intercritique ou intervalle critique, étant comprise entre 740°C et 850°C, selon la composition de fonte considérée.

Le traitement 2) moins économe sur le plan énergétique que le traitement 1) est cependant préférable car il permet un réglage plus facile de la structure de la fonte au niveau taux de ferrite et taux d'austénite avant la trempe étagée bainitique.

Ce mode de réalisation de l'invention avec traitement dans le domaine intercritique préalablement à la trempe étagée bainitique permet de diminuer la dureté obtenue sur les pièces et permet ainsi de faciliter leur usinage ultérieur, quand c'est le cas ; il favorise aussi une très haute ténacité du matériau par la présence d'une plus grande proportion de ferrite dans la structure obtenue sur la fonte après trempe étagée bainitique. De fait la structure est constituée dans ce cas de deux variétés de ferrite, une ferrite I résultant du traitement dans le domaine intercritique et une ferrite II résultant du traitement dans le domaine bainitique, et d'austénite ; la ferrite II et l'austénite représentant la bainite.

Dans un autre mode de réalisation du procédé selon l'invention l'étape e) consistant à réaliser une trempe étagée bainitique est précédée d'un traitement de maintien à une température comprise entre 950°c et 900°c pendant une durée comprise entre 15 min et 60 min destiné à homogénéiser les différentes parties de la pièce en température et donc en composition chimique avant le traitement de trempe étagée bainitique qui suit.

Dans un autre mode de réalisation du procédé selon l'invention enfin, on ajoute une étape complémentaire de calibrage à froid de la pièce après l'étape f) de refroidissement à la température ambiante de la pièce, qui est réalisée entre deux matrices au moins aux formes de la pièce finie pour améliorer la précision dimensionnelle de celle-ci et augmenter les caractéristiques mécaniques et la tenue en fatigue du matériau de la pièce par écrouissage de surface ; préalablement à cette opération de calibrage à froid on effectue un grenaillage qui sert à enlever la calamine et à engendrer des contraintes de compression en surface permettant de renforcer encore l'effet d'écrouissage dû au calibrage.

Le procédé d'élaboration et de mise en forme de pièces en fonte à graphite sphéroïdal selon l'invention dans ses différents modes de réalisation permet d'obtenir une fonte dont la structure peut tre essentiellement bainitique ou présenter une structure constituée de deux variétés de ferrite : ferrite I et ferrite II et d'austénite, la ferrite I étant celle qui résulte du séjour dans l'intervalle critique à la température Tir ou Tic et la ferrite II celle qui résulte du traitement dans le domaine bainitique à la température Tb, et dont les caractéristiques mécaniques à 20°C sont typiquement une résistance à la traction Rm comprise entre 1000 MPa et 1700 MPa, un rapport limite d'élasticité sur résistance à la traction : RpO. 2/Rm supérieur à 0.68, un coefficient d'allongement à la rupture compris entre 4% et 14%. La température Tic ou Tir de maintien dans le domaine intercritique ou intervalle critique, est comprise entre 740° et 850° C, selon la composition de fonte considérée.

Le terme « déformation plastique à chaud » désigne dans tout ce qui précède et dans tout ce qui suit une déformation dont le taux se situe globalement dans la plage 2% à 60%.

Les meilleurs résultats obtenus pour un bon compromis résistance-ténacité correspondent à des taux de déformation plastique à chaud compris entre 20% et 50% selon les températures de forgeage utilisées entre 1050°C et AR3 de la fonte, car au-delà de 50% on observe une déformation importante des nodules de graphite préjudiciable aux caractéristiques mécaniques. Les taux de déformation indiqués ici sont définis comme étant la différence entre l'épaisseur initiale de la section de pièce soumise au forgeage par écrasement et l'épaisseur finale de celle-ci après forgeage, rapportée à l'épaisseur initiale de ladite section de pièce et multipliée par 100 pour exprimer le résultat en pourcent.

Le terme « déformation plastique à chaud » ou le terme « forgeage » désigne dans tout ce qui précède et dans tout ce qui suit principalement une opération d'estampage à une température supérieure à AC3 ou AR3 de la dite composition de la fonte, mais désigne aussi

d'autres modes de déformation plastique à chaud réalisés à une température supérieure à AC3 ou AR3 de la dite composition de la fonte comme le forgeage libre, le matriçage, le laminage, l'hydroformage ou autres.

Pour réaliser cette déformation plastique à chaud dans le cadre de l'invention il est nécessaire que !'ébauche de la pièce moulée qui est une forme approchée de la pièce, possède au moins une de ces dimensions supérieure à celle de la pièce proprement dite pour permettre ladite déformation plastique à chaud.

De préférence, le moule utilisé pour la coulée de l'ébauche de pièce est un moule permanent constitué d'au moins deux demi parties métalliques revtues d'un poteyage, cependant le moule peut aussi tre semi permanent en sable constitué d'au moins deux parties de moule carapace en sable placées dans un moule métallique ou tre aussi un moule non permanent en sable chimique ou en sable à vert silico-argileux.

Dans le cas de l'utilisation de moules en sable, l'ébauche de la pièce doit tre brossée à chaud ou sablée à chaud pour la débarrasser des grains de sable adhérents, avant l'opération de forgeage.

La température Tb de trempe étagée bainitique est comprise entre 260°C et 420°C. De préférence cette température Tb est choisie entre 260°C et 300°C lorsque on recherche un rapport RpO. 2/Rm élevé avec une résistance à la traction Rm élevée egalement ; à l'inverse lorsque on recherche une résistance à la traction Rm voisine de 1000 MPa ou 1100 MPa on choisit alors Tb supérieure à 300 °C.

Pour obtenir une structure correctement formée, contenant de la bainite constituée de ferrite et d'austénite saturée en carbone, la durée tb de maintien à la température Tb de trempe étagée bainitique doit tre comprise de préférence entre 60 min et 180 min.

L'invention concerne donc également une fonte à graphite sphéroïdal à caractéristiques mécaniques élevées élaborée et mise en forme selon le procédé de l'invention dont la structure est essentiellement bainitique et dont les caractéristiques mécaniques à 20°c sont : - Résistance à la traction Rm : 1000 MPa : Rm < 1700 MPa - Rapport limite d'élasticité RpO. 2 sur résistance à la traction Rm : RpO. 2/Rm ; 0. 68 -Allongement à la rupture A : 4% < A < 14%.

L'invention concerne enfin une fonte à graphite sphéroïdal à caractéristiques mécaniques élevées élaborée et mise en forme selon le procédé de l'invention, dont la structure est composée de deux variétés de ferrite : ferrite I et ferrite II, et d'austénite, la ferrite I étant celle qui résulte du séjour dans l'intervalle critique à la température Tir ou Tic et la ferrite II étant celle qui résulte du traitement dans le domaine bainitique à la température Tb, et dont les caractéristiques mécaniques à 20°c sont : - Résistance à la traction Rm : 1000 MPa s Rm s 1700 MPa - Rapport limite d'élasticité RpO. 2 sur résistance à la traction Rm : RpO. 2/Rm 0.68

- Allongement à la rupture A : 4% < A < 14%.

La présente invention est particulièrement adaptée, sans que cela soit restrictif, à la fabrication de pièces mécaniques de moteur automobile comme les bielles par exemple ou autres pièces en mouvement du moteur. Plus légères et à caractéristiques mécaniques égales voire supérieures à l'acier forgé actuellement utilisé sur les moteurs, les bielles en fonte à graphite sphéroïdal à caractéristiques mécaniques élevées élaborées et mises en forme selon le procédé de l'invention peuvent permettre un rendement énergétique meilleur au moteur et donc un gain de consommation en carburant de ce dernier.

D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit de deux modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemple non limitatif.

On a fait des essais sur différentes éprouvettes en fonte à graphite sphéroïdal dont les compositions sont les suivantes : Rep C % Si % Mn % Ni % Cu % MO %'Mg % 1 3.54 2.61 0.17 traces 1.02 Traces 0.040 2 3.6 2.40 0.12 0.7 0.9 0.15 0.042 3 3.72 2.42 0.24 Traces 0.6 Traces 0.045 4 3.7 2.70 0.13 0.3 0.5 0.28 0.045 Conformément à l'invention ces différentes fontes repérées 1 à 4 ont été élaborées, ici au four électrique à induction, traitées au ferro-silico-magnésium et ont été coulées entre 1460°c et 1500°c dans un moule métallique régulé à 280°C et revtu d'un poteyage protecteur.

Sur chaque composition de fonte on a coulé cinq ébauches d'éprouvettes ayant la forme d'une plaque parallélépipédique dont les dimensions étaient les suivantes : Repère de l'ébauche Section en mm Longueur en mm A 20x10 150 B 20x12 150 C 20x15 150 D 20x18 150 E 20x24 150 A chaque coulée d'un moule, un jeu complet d'ébauches d'éprouvettes était fabriqué.

Quatre coulées par composition ont été réalisées.

Conformément à un mode de réalisation de l'invention, les ébauches d'éprouvettes ont été extraites du moule à une température qui est toujours restée comprise lors des essais entre 1000°C et 980°C et placées immédiatement dans un bain à lit fluidisé de sable siliceux régulé à la température de 980°C de façon à assurer une mme température de forgeage de chaque ébauche.

Dix minutes après avoir été placées dans le bain à lit fluidisé régulé à 980°C les ébauches étaient retirées l'une après l'autre toutes les 10 sec. environ et étaient mises en forme par déformation plastique à chaud par estampage entre 2 matrices comportant la forme en creux de l'éprouvette. Chaque ébauche était ainsi déformée plastiquement à une température comprise en 960°C et 940°C par estampage pour ramener la section finale de chaque éprouvette à 20mm x 10mm.

Dans ces conditions, le taux de déformation subi par chaque ébauche d'éprouvette a été le suivant : Repère ébauche Section initiale Section finale Taux de déformation en mm en mm en % 20X10 20X10 0% B 20 X 12 20 X 10 (12-10)/12 x 100 = 16, 7 % 20 X 15 20 X 10 (15-10)/15 x 100 = 33, 3 % D 20 X 18 20 X 10 (18-10)/18 x 100 = 44, 4 % E 20 X 24 20 X 10 (24-10) /24 x 100 = 58,3 % Immédiatement après estampage, chaque éprouvette a subi une opération d'ébavurage à la presse et a été aussitôt placée dans un bain à lit fluidisé de sable de zircon régulé à la température de 300°C et de volume suffisamment grand pour garantir une variation de température du lit fluidisé inférieure à 5°C lors de l'immersion des différentes éprouvettes toutes les 10 secondes environ. Chaque éprouvette subissait ainsi une trempe étagée bainitique à la température de 300°C et était maintenue à cette température dans le lit fluidisé pendant une durée de 110 min à l'issue de laquelle chaque éprouvette était retirée du bain à lit fluidisé et laissée refroidir à l'air jusque la température ambiante conformément à l'invention.

Le tableau de la figure 1 montre les résultats obtenus. Ce tableau montre qu'on obtient effectivement les caractéristiques mécaniques escomptées c'est-à-dire : -Résistance à la traction Rm : 1000 MPa < Rm < 1700 MPa ; - Rapport limite d'élasticité RpO. 2 sur résistance à la traction Rm : Rp0. 2/Rm zut 0. 68 ;

- Allongement à la rupture A : 4% < A < 14% ; avec une structure essentiellement bainitique constituée de ferrite et d'austénite.

Une autre série d'essais a été entreprise conformément à un autre mode de réalisation de l'invention, avec la composition de fonte repère 2 : dans ce nouvel essai, les conditions d'élaboration des ébauches d'éprouvettes et des éprouvettes ont été conformes à l'essai précédent sauf qu'une étape complémentaire de maintien en température des éprouvettes dans le domaine intercritique a été réalisée entre l'opération d'estampage et ébavurage et l'opération de trempe étagée bainitique. De fait, après forgeage et ébavurage conformément à l'essai précédent, les éprouvettes ont été placées immédiatement dans un lit fluidisé régulé à la température Tic de 810° C, située dans le domaine intercritique et comprise entre Acl + 20°C et AC3 pendant une durée de 60 min à l'issue de laquelle les éprouvettes ont été trempées dans le domaine bainitique dans le lit fluidisé régulé à la température Tb de 300°C et maintenues à cette température pendant une durée de 110 min, conformément à l'essai précédent et rigoureusement dans les mmes conditions. A l'issue de ce traitement de trempe étagée bainitique, les éprouvettes étaient retirées du bain à lit fluidité et laissées refroidir à l'air jusque la température ambiante, conformément à l'invention.

Le tableau de la figure 2 montre les résultats obtenus. Ce tableau montre qu'on obtient effectivement les caractéristiques mécaniques escomptées c'est-à-dire : - Résistance à la traction Rm : 1000 MPa s Rm s 1700 MPa ; - Rapport limite d'élasticité RpO. 2 sur résistance à la traction Rm : Rp0. 2/Rm 0. 68 ; - Allongement à la rupture A : 4% < A < 14% ; avec une structure constituée de deux variétés de ferrite : une ferrite I résultant du maintien dans le domaine intercritique à la température Tic ou Tir et une ferrite II et de l'austénite, la ferrite II provenant du traitement dans le domaine bainitique réalisé à la température Tb.