Piqûres - Imerys

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Description des défauts: Piqûres
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Description des défauts: Piqûres
Piqûres
Assistance à la décision ➝ P. 154
Contrôle du sable ➝ P. 181
Piqûre – soufflures superficielles
Explications
On différencie les piqûres d‘hydrogène, les piqûres d‘azote et les
piqûres dues aux réactions avec les oxydes des crasses.
Piqûres d‘hydrogène et d‘azote-hydrogène
La formation des piqûres se déroule en plusieurs étapes:
1. La vapeur d‘eau et des éléments du métal réagissent en surface en formant des oxydes métalliques et des atomes
d‘hydrogène se diffusent dans le métal liquide. De la même
manières les composés azotés se dissocient à la surface du
métal en fusion et diffusent dans le métal liquide. La dissociation de l‘hydrogène et de l‘azote sous leur forme moléculaire ne se produit pas aux températures habituelles de coulée.
2. En raison de l‘enrichissement en crasses, les oxydes métalliques réagissent avec le carbone lors de la fusion pour former
des molécules de monoxyde de carbone sous forme de petites bulles dans le métal liquide.
3. L‘hydrogène, et parfois l‘azote, diffuse du métal liquide vers
les micro-bulles de CO et augmente leur taille.
Description
Cavités ou petites soufflures à parois lisses. Les soufflures souscutanées sont souvent recouvertes d‘une fine couche de graphite. Il n‘y a pas de différence entre les piqûres d‘hydrogène et
d‘azote-hydrogène combinés.
Les piqûres dues aux réactions avec les oxydes des crasses ont
aussi une paroi lisse. La taille des soufflures sous-cutanées peut
varier considérablement. Les soufflures apparaissent en présence
de crasses riches en oxygène.
Formation du défaut
Les piqûres peuvent être isolées ou en groupes. Toutes les parties
de la pièce peuvent être touchées. Toutefois, les piqûres sont plus
souvent observées sur les parties de la pièce éloignées des attaques. Les piqûres d‘hydrogène et d‘azote-hydrgène concernent
aussi bien les fontes GL que les fontes GS. Les piqûres dues aux
réactions avec les oxydes des crasses apparaissent seulement sur
les pièces en fontes GL.
Fig. 32:
Formation de larges piqûres superficielles à la surface d‘une pièce de fonte GL.
Agrandissement: 10 mm photo = 4 mm
Piqûres dues aux réactions avec les oxydes
Leur apparition est due à une violente réaction d‘oxydation des
crasses liquides (souvent riches en MnO ou/et MnS) avec le
carbone du métal liquide qui forme du monoxyde de carbone
CO. Plus tard dans le procédé, l‘hydrogène peut aussi diffuser
dans ces micro-bulles de CO.
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Causes possibles
Remèdes
Métallurgie
Métaux ferreux
• Taux d‘azote dans le métal trop élevé à cause de la composition de la charge
• Proportion d‘oxydes, d‘hydroxydes (rouille) et d‘impuretés
dans les matières de charge trop élevée
• Taux d‘aluminium dans le métal trop élevé
• Taux de manganèse et de soufre du métal trop élevé.
Métallurgique
• Utiliser des composants de charge à faible teneur en azote,
réduire la quantité de bocages.
• Utiliser des bocages et des matériaux exempts d‘impuretés
telles que rouille, eau, huile. Utiliser des retours de pièces
exempts de sable brûlé, de masselote et de refroidisseur.
• Utiliser des matériaux de charge et des inoculants à faibles
taux d‘aluminium et de titane.
• Désoxyder le métal liquide aussi bien que possible. Eviter les
apports excessifs de titane et d‘aluminium.
• Réduire la formation des crasses et surtout celles qui contiennent du sulfure de manganèse en ajustant les taux de
soufre et de manganèse.
Sable de moulage lié à l‘argile
• Taux d‘azote dans le sable trop élevé
• Humidité du sable trop élevée
• Production de carbone brillant dans le sable trop faible
Fig. 33:
Coupe d‘une pièce en fonte GL avec piqûre. La formation de la piqûre est favorisée par l‘oxydation en surface
reconnaissable à la présence de ferrite. Agrandissement: 10 mm photo = 0,08 mm
Description des défauts: Piqûres
Sable à prise chimique
• Taux d‘azote dans le sable à noyau trop élevé
• Proportion de composés d‘hydrogène et d‘azote dans le liant des noyaux trop élevé
Attaque et coulée
• Canaux de coulée trop longs
• Trop de turbulences et de formation de crasses durant la coulée
Sable de moulage lié à l‘argile
• Réduire le taux d‘azote dans le sable. Diminuer l‘incorporation
de sable à noyau contenant de l‘azote. Ajouter du sable
neuf si nécessaire.
• Réduire le taux d‘humidité du sable.
• Minimiser le taux d‘argile. Améliorer la préparation du sable.
Si nécessaire, réduire les fines inertes. Garder le taux de noir
au niveau minimum.
• Pour maintenir une atmosphère oxydante dans l‘empreinte,
augmenter l‘apport d‘additif carboné dans le moule. Eviter
d‘en ajouter trop.
Sable à prise chimique
• Réduire l‘apport de liant. Utiliser un liant contenant moins
d‘azote.
• Améliorer le dégazage des noyaux, enduire si nécessaire.
• Ajouter de l‘oxyde de fer dans le sable à noyau.
Attaque et coulée
• Augmenter la température de coulée.
• Diminuer les canaux de coulée dans le moule.
• Supprimer les turbulences à la coulée.
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Description des défauts: Piqûres
Informations complémentaires
La différence est faite entre les piqûres causées par l‘hydrogène
ou l‘azote-hydrogène et les soufflures sous-cutanées dues aux
réactions avec les oxydes des crasses.
Mécanisme de formation de la piqûre
Dans la formation des bulles de CO, la tension superficielle du
métal liquide est proportionelle à l‘énergie à dépenser. Selon
Frenkel et Thompson, l‘intensité I de formation de la soufflure est
décrite par l‘équation suivante:
Les bulles de gaz apparaissent dans le métal liquide sous les conditions suivantes:
Fig. 34:
Coupe d‘une piqûre sur une pièce en fonte GL. Le défaut d‘hydrogène et d‘azote est reconnaissable au film de graphite
et à la décarburation autour de la piqûre. Agrandissement: 10 mm photo = 0,05 mm
P
Pression gazeuse nécessaire à la formation
d‘une soufflure
P0
Pression atmosphérique + ferrostatique
σ
Tension superficielle du métal liquide
r
Rayon de la soufflure
Le calcul de la pression à laquelle les soufflures peuvent apparaître, montrent que le métal doit être considérablement sur-saturé
de gaz d‘hydrogène et/ou d‘azote. Les soufflures sous-cutanées
peuvent se former sous des pressions plus basses (limites de phase). De la même manière, lorsque les bulles de CO sont formées
par réaction des oxydes avec le carbone du métal liquide, les gaz
dissous (azote, hydrogène) se diffusent sous forme de poches de
gaz moléculaire et forment les piqûres. Selon Gibbs, la formation
des soufflures de CO moléculaire est déterminée par l‘énergie à
dépenser:
Ak = 4 σr²
3
L‘influence de la tension superficielle sur la formation des piqûres
a été étudiée. Un tension superficielle plus élevée supprime la formation du défaut.1
Tension superficielle à 1400°C
10000
Tension en surface [μN / cm]
P = P0 + 2σ
r
I=A·e
Ak
kT
Pas de piqûres
8000
6000
4000
Pas de piqûres
Piqûres
Piqûres
2000
0
0
0,1
0,2
0,3
0,4
Teneur en aluminium [%]
Fig. 35: Influence du taux d‘aluminium sur la tension superficielle et la sensibilité aux piqûres sur les pièces en
fonte GL.
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Description des défauts: Piqûres
Tension superficielle à 1400°C
Tension en surface [μN / cm]
10000
Pas de piqûres
Tellure
8000
Piqûres d‘hydrogène
6000
4000
Titane
Soufre
2000
Piqûres
0
0
0,1
0,2
0,3
0,4
Total des additives disponibles [ %]
S – Pas de piqûres
S – Piqûres
Piqûres dues aux réactions avec les oxydes
0,2
Dans la formation de ce défaut, les crasses de silicate à faible viscosité, riches en oxyde de manganèse et enrichis en sulfure de
manganèse, réagissent avec le carbone du métal pour former du
CO. Avec un taux de manganèse élevé et de silicium bas, le manganèse réduit la silice des crasses et des garnissages réfractaires,
pour former des oxydes de manganèse très liquides. Les taux de
soufre élevé permettent la formation de MnS, qui enrichis les
crasses en les rendant encore plus réactives.2
Me + H2O ➝ MeO + 2H
L‘atome d‘hydrogène est immédiatement absorbé par le métal
liquide. La vapeur d‘eau provient des matériaux réfractaires humides, des oxydes contenues dans les matériaux, des bentonites
utilisées pour la fabrication des moules, mais également présente
dans l’empreinte du moule lors de la coulée.
Le tableau 1 montre à quelle vitesse le métal absorbe
l‘hydrogène du garnissage du cubilot.
Heure de piquée
7:00
7:20
7:40
9:00
11:00
12:00
14:15
Hydrogène [ppm]
5,6
4,2
3,0
2,2
1,8
1,4
1,6
0,15
Piqûres
Cubilot à vent froid, poids de piquée 400 kg dans chaque cas.
Diamètre du cubilot 140 cm.
Réfractaire de four acide.
Le four a été préalablement habillé 24 heures.
1350°C
0,1
Soufre [ %]
L‘hydrogène est principalement introduit dans le métal par la
réaction, en présence d‘agents liants très oxydant, de la vapeur
d‘eau et des composés métalliques tels que l‘aluminium, le magnésium et le titane.
Ti – Pas de piqûres
Ti – Piqûres
Fig. 37: Influence du soufre, du titane et du tellure sur la tension superficielle et la formation de piqûres sur les pièces
en fonte GL.
1280°C
Sans défaut
0,05
Micrographie d‘un défaut dû aux gaz des crasses sur une pièce en fonte GL.
Agrandissement: 10 mm photo = 0,1 mm
Te – Pas de piqûres
Te – Piqûres
1200°C
0
Fig. 36:
En plus des piqûres de CO pures, les bulles de CO moléculaire peuvent être considérées comme germes des piqûres d‘hydrogène et
d‘azote-hydrogène.
0
0,4
0,8
1,2
1,6
Manganèse [ %]
Fig. 34: Influence des taux de manganèse et de soufre, et de la
température de coulée sur la formation des piqûres.
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Description des défauts: Piqûres
La précipitation de l‘hydrogène est improbable dans un bain homogène. Aux endroits où les germes d‘oxyde ou les bulles de CO
se forment, la précipitation est plus probablement due à la pression métallostatique.
A des températures et sous des pressions élevées, l‘hydrogène
moléculaire réagit avec le carbone du métal pour former du
méthane, qui se dissocie pour former du graphite et de
l‘hydrogène:
Cdissout + 2H2 ➝
CH4
CH4
➝ Cgraphite + 2H2
Fig. 39:
Piqûres sur toute la surface d‘une pièce en fonte GL.
Agrandissement: 10 mm photo = 8 mm
Puisque le carbone dissout réagit avec l‘hydrogène, le graphite
formé n‘est pas dissout par l‘hydrogène surchauffé durant la formation du méthane.
C‘est pour cela que les piqûres d‘hydrogène contiennent une
fine pellicule de graphite. Les bulles de gaz sont entourées d‘une
couche de ferrite dépourvue de perlite.
Les piqûres d‘hydrogène sont habituellement rondes. A
l‘inverse, les piqûres d‘azote ont une forme dendritique. Cela
s‘explique par les différences de vitesse de diffusion des gaz. Les
piqûres d‘azote pures ne contiennent pas de film de graphite.
Elimination des piqûres d‘hydrogène
L‘hydrogène est absorbé par le bain lorsque les apports d‘éléments
réactif sont trop élevés. Le métal liquide doit être exempt de magnésium et surtout d‘aluminium. Un taux d‘aluminium aussi bas
que 0,01 – 0,1 % peut conduire à l‘absorption dangereuse de
l‘hydrogène.
Des taux de titane trop élevés, comme ceux trouvés sur les jets
de coulée, favorisent la formation de piqûre.
Puisque l‘absorption de l‘hydrogène se produit grâce à la formation de vapeur d‘eau, le taux d‘hydroxyde, la rouille, l‘humidité
du sable, l‘eau de constitution de l‘argile, etc, doivent être maintenus aussi bas que possible.
Les piqûres peuvent aussi être éliminées s‘il y a assez de carbone
dans le sable. Une atmosphère réductrice prévient la formation
des bulles de CO. Différents auteurs ont mis en lumière que
l‘ajout de noir minéral et de noir enrichis permet de prévenir le
défaut de piqûre.3 – 5
Piqûres d‘azote-hydrogène
En plus des piqûres d‘hydrogène, les piqûres d‘azote apparaissent avec des liants azotés. De tels défauts sont surtout générés
avec les liants contenant de l‘urée.
Les radicaux azotés et hydrogénés sont dissociés au contact du
métal liquide qui les absorbe immédiatement sous leur forme atomique.
Ces piqûres ont souvent un film de graphite et une couche de
ferrite comme les piqûres d‘hydrogène pures. Elles se forment de
la même façon que les piqûres d‘hydrogène. Beaucoup de rapports ont été publiés sur ce phénomène de piqûre.
Elimination des piqûres d‘azote-hydrogène
Ces piqûres peuvent apparaître lorsque le taux d‘azote du métal est élevé en raison de l‘utilisation de matériaux de charge
tels que les bocages ou de recarburants contenant de l‘azote. De
plus, il y a une contribution cruciale de la combinaison des gaz
de l‘empreinte et du moule lui-même. Tout taux d‘azote élevé,
dans le métal liquide (supérieur à 100 ppm), dans le recarburant, dans le liant des noyaux et dans le sable de moulage, doit
être évité. L‘augmentation du carbone dans le sable de moulage pour créer une l‘atmosphère réductrice dans le moule est démontrée efficace.
Dans le cas des noyaux, l‘addition d‘oxyde de fer et de sulphate de baryum aidera à prevenir ce défaut.
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Piqûres dues aux réactions avec les oxydes
Références
Autres références
Sous certaines conditions, les crasses riches en oxygène peuvent
réagir avec le carbone du métal pour formé du CO. Les crasses riches en oxyde de fer réagissent aussi de cette manière:
1
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Verdeckte Fehler bei Gußstücken aus Gußeisen
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FeO + C ➝ Fe + CO
Le défaut peut être observé à la surface de la pièce, mais il n‘est
parfois visible qu‘après usinage. Toutes les crasses formées durant la fusion et la coulée peuvent devenir très fluides grâce à leur
enrichissement en FeO et MnO, et réagir ensuite avec le carbone
pour former la piqûre.
Les piqûres de ce type proviennent principalement des inclusions de crasses dans les poches, telles que les précipitations de
MnS. La forte influence du MnS sur la formation de la piqûre est
due à la liquéfaction de la crasse qui augmente sa réactivité.
L‘hydrogène a aussi une influence négative sur ce défaut.
2
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3
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4
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Giess.-Prax. 1984, P. 198 – 205
Elimination des piqûres dues aux oxydes
Afin d‘éliminer ce défaut de surface, il est nécessaire d‘augmenter
la température de coulée, de réduire le taux de soufre et de diminuer le taux de manganèse.
Le B.C.I.R.A. recommande aux fonderies de maintenir le taux
de manganèse à 0,7 %.
D‘autres auteurs ont recommandé de ne pas dépasser un taux
de manganése équivalent à 0,4 fois le taux de silicium.
Il est aussi recommandé de laisser peu de possibilité au métal
de s‘oxyder. Les flux de métal liquide doivent être courts. En raison de l‘effet néfaste de la vapeur d‘eau, le taux d‘argile doit
être aussi bas que possible.
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Description des défauts: Piqûres