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Influence et rôle du silicium dans la fonte à  graphite sphéroà¯dale

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par Yassir Ramdani
Université de Lorraine - Master SIMM option Métallurgie Avancée 2013
  

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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:

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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.

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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]

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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? 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.

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"En amour, en art, en politique, il faut nous arranger pour que notre légèreté pèse lourd dans la balance."   Sacha Guitry