III. Effets de l'ajout de FeSi dans la fonte
A. Aspect chimique de la réaction
Suite aux recherches de H. Fredriksson [3] On
observe ce qui se passe suite à l'ajout de FeSi dans un bain de fonte
dans une poche à 1300°C.
Figure 2 : Dissolution d'une particule de FeSi dans la
fonte. Observé au microscope optique (Grossissement : (a) 100x ; (b)
500x) [4].
La Figure 2 montre la microstructure qui entoure une particule
de FeSi lors de sa dissolution. La fonte a été trempée
juste après l'inoculation du FeSi dans le bain afin de figer le
processus de dissolution. Huit zones distinctes représentent des
microstructures différentes:
6
Zone 1 et 2 : On y trouve la particule originelle de FeSi avec en
zone 2 des cristaux de SiC sont mis en évidence, à la microsonde
de Castaing, sous forme de petit précipités à facettes.
Zone 3 : Des précipités plus grossiers de SiC
précipitent à la périphérie proche de la particule
de FeSi.
Zone 4 : On observe des nodules de graphite dans les SiC.
D'autres sont observables dans le liquide figé entre les SIC.
Zone 5 : Du graphite sphéroïdal est observable.
Zone 6 : Le graphite devient de moins en moins régulier au
fur et à mesure que l'on s'éloigne de la particule de FeSi.
Zone 7 : Apparait du graphite pro-eutectique. Zone 8 : On peut
voir du graphite lamellaire.
Figure 3 : composition des microstructures mises en
évidence dans la Figure 2 [4]
La figure 2 nous présente les structures
observées précédemment (Figure 2)
schématisées ainsi qu'un récapitulatif des phases en
présence. De plus des mesures à la microsonde ont
été effectuées afin de déterminer le taux de
Carbone et de Silicium dans le liquide figé.
Des tendances inverses d'évolution de concentration
sont observables pour le carbone et le silicium. Plus on s'éloigne de la
particule, plus le taux de carbone augmente alors que celui du silicium
décroit.
7
Ces évolutions s'expliquent très facilement, On
ajoute un alliage riche en Silicium dans un autre riche en Carbone. Les deux
vont attirer les éléments qui leur font défaut
jusqu'à obtenir un équilibre chimique.
Figure 4 : Projection du liquidus pour un système
Fe-C-Si à 1300°C [4]
Dans ce diagramme, le FeSi est représenté par le
point 1 alors que la fonte liquide est représentée pas le point
8. Entre les deux points on peut voir qu'il y a différentes zones
où sont placés des points représentant les
différentes microstructures étudiées
précédemment.
La particule de FeSi va finir par se dissoudre, puis les
particules de SiC et de graphite formées vont se dissoudre aussi par
contre Fredriksson observe une dynamique de dissolution qui peut être
beaucoup plus lente que pour le FeSi car les distances de diffusion se trouvent
grandies.
Il va subsister une
hétérogénéité chimique au sein du liquide
que l'on recherche dans le cadre d'une inoculation. De plus, en fonction de la
taille de la particule de FeSi, le temps avant d'obtenir l'activité de
carbone initiale en tout point du liquide peut s'avérer assez long comme
nous le montrent Wang et Fredriksson [4]
8
Figure 5 : Activité du carbone dans un bain de
fonte à 1400°C en fonction du temps pour différentes taille
de
particules de FeSi [4]
Plus la particule est grosse et plus le temps
nécessaire afin de rétablir de nouveau l'activité initiale
du carbone dans le bain. Dans le cadre d'une inoculation avant coulée,
cette tendance est plutôt bénéfique, le gradient
d'activité du carbone favorisera la diffusion de celui-ci et donc la
précipitation de graphite. Dans le cadre d'une correction où
seule l'augmentation du taux de Si est recherchée, une telle
durée d'homogénéisation est inacceptable. Un passage dans
un four à induction est donc nécessaire afin de brasser la fonte
mécaniquement à l'aide du mouvement convectif induit par les
bobines du four.
9
B. Aspect thermique de la réaction
S.A. Argyropoulos 5 a étudié l'effet
exothermique de l'ajout de FeSi dans un bain d'acier. Son expérience ce
déroulait de la manière suivante :
? Fusion d'une charge de 90kg ? Mise à température
1600°C
? Immersion du cylindre de FeSi relié à une
cellule de charger et à un thermocouple dans le bain d'acier
On obtient les courbes suivantes
Figure 6 : Résultats expérimentaux du
transfert de masse durant l'immersion d'une barre de FeSi 75 dans un
bain
d'acier.
La courbe 1 représente la température du bain
d'acier. La courbe 2 illustre la mesure effectuée par la cellule de
charge et peut se diviser en six segments :
? A-B : Période avant l'immersion du cylindre de FeSi
dans l'acier
? B-G : Mesure chaotique due à la mise en branle de la
machine, les vibrations dues à la descente du cylindre donne des valeurs
mesurées confuses
? G-C : Immersion de la barre. La diminution de la charge
mesurée est due à la poussée d'Archimède
exercée par le métal en fusion.
? C-K : Représente la période où une
coquille d'acier solide se forme autour du barreau de FeSi (cf. Figure 2Figure
7). A l'interface entre le FeSi et l'acier solide ont lieu des
phénomènes micro-exothermiques dus à la combinaison d'une
part du FeSi et de l'acier solide en un eutectique FeSi.
? K-D : Suite à la refusion de la coque d'acier solide
préalablement formée d'abord à l'interface FeSi/Acier
solide par la formation d'un eutectique puis de l'extérieur par un
échange convectif avec le liquide. Le FeSi se dissout dans l'acier
liquide. Cette réaction est vivement exothermique.
? D-E : La partie immergée du cylindre a fondu il n'y a
plus de réaction.
La courbe 3 représente la température au sein du
cylindre de FeSi et le point F indique le moment où la mesure
n'était plus pertinente. On remarque que ce dernier se situe peu de
temps après la transition réaction micro exothermique /
réaction macro exothermique.
10
Figure 7 : Cylindre de FeSi 75 immergé quelques
secondes dans un bain d'acier. Formation d'une coquille d'acier solide
autour du cylindre.
L'ajout de FeSi 50% dans l'acier provoque aussi une
réaction exothermique d'après les résultats publiés
par S.A. Argyropoulos [5-6] mais la cinétique est plus
lente.
11
Figure 8 : Résultats expérimentaux du
transfert de masse durant l'immersion d'une barre de FeSi 50 dans un
bain
d'acier.
On observe sur cette courbe une cinétique plus lente
par rapport au FeSi 75 concernant la transition entre la phase de
réaction micro-exothermique et celle macro-exothermique. Ceci mis
à part l'allure des courbes reste là même.
Le point de perte de relevance de la prise de
température se situe 100°C plus haut. La réaction
étant moins exothermique, le cylindre fond de manière moins
turbulente et donc le thermocouple se retrouve moins vite au contact de la
fonte liquide.
Par contre c'est n'est pas le cas dans les fontes.
D'après Arthur F. Spengler [7], dans le cas des fontes.
Concernant les alliages de FeSi dont le taux de Si est inférieur
à 62%, la réaction est endothermique. Au-dessus de 62% de Si la
réaction est, elle, toujours exothermique.
Le caractère exothermique ou endothermique de la
réaction de dissolution d'un ferro-alliage dans un bain de fonte
provient de la manière dont il se dissout dans le bain en fusion.
12
Figure 9 : Différentes tendances de fusion ou
dissolution des ferroalliages dans la fonte liquide [8].
J. R. Lampman [8] nous explique qu'il y a 4
tendances générales de dissolution et/ou fusion de l'additif dans
le bain en fusion. Universellement, l'addition de ferroalliage à
température ambiante dans le métal liquide, les grains vont se
retrouvés enrobé d'une carapace de fonte solidifiée.
Ensuite les tendances divergent :
? Tendance 1 : La particule fond dans sa carapace solide. La
fusion démarre à l'interface Ferroalliage/carapace puis
évolue vers le centre. La carapace refond ensuite par échange
convectif avec le bain. Le métal d'apport fondu se diluera à la
fusion de cette dernière.
? Tendance 2 : La carapace précédemment
formée fond par échange convectif avec le bain, puis la particule
se dissout dans le bain.
? Tendance 3 : Le métal d'apport et la fonte dans la
carapace se combinent pour former un alliage eutectique à bas point de
fusion. La carapace se dissout en faveur de l'eutectique ainsi formé.
Suite à la fusion totale de la carapace et à la dilution de
l'eutectique formé, la particule se trouve de nouveau en contact du bain
mais sa température n'a toujours pas atteint celle du bain. Une nouvelle
carapace se solidifie autour de la particule. C'est le cas de particules
à très faible conductivité thermique.
13
? Tendance 4 : La carapace refond par échange convectif
avec le bain. La particule ayant un point de fusion supérieur à
la température du métal en fusion, la particule restera en
suspension dans le bain si sa densité est proche de celle de l'alliage
corrigé sinon elle se décantera ou flottera.
Le FeSi 75 a une tendance de dissolution qui s'apparente aux
tendances 2 ou 4 en fonction de la température de fusion de la fonte et
du taux de Si dans le FeSi. Le caractère exothermique est dû
à la fusion de la carapace qui débute de l'interface avec la
particule vers le bain de fonte.
1340°C
1230°C
60 w%
75 w%
Figure 10 : Diagramme de phases binaire FeSi
[9]
Le FeSi 60 aussi communément utilisé a une
dissolution endothermique comme décrit par Spengler [7]. Sa
température de liquidus à 1230°C nous porte à
supposer que sa tendance de dissolution suit la tendance 1 de Lampman
[8] où les particules fondent totalement dans la carapace
solidifiée puis le liquide se dilue dans le bain lors de la refusion des
dites carapaces.
Alors qu'un FeSi 75, dont la température de liquidus
s'élève à 1340°C, suivra plutôt une
cinétique de dissolution proche de la tendance 2 avec une fusion de la
carapace solidifiée qui débutera à l'interface avec le
FeSi. Dans le cas d'une introduction du FeSi dans une fonte trop froide on
risque de se retrouver dans le cas n°4 où la particule ne fond pas
car sa température de liquidus est trop élevée par rapport
au liquide et donc elle se dissoudra lentement par diffusion chimique.
14
|