Etude de l'influence des impuretés et des éléments à l'état de traces sur les mécanismes de croissance du graphite dans les fontes

Study of the effect of impurities and trace elements on the mechanisms of graphite growth in cast irons

• Auteur / Autrice : Koenraad Theuwissen
• Direction : Jacques Lacaze, Lydia Laffont
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance le 27/09/2013
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre interuniversitaire de recherche et d'ingenierie des matériaux / CIRIMAT

Mots clés

Mots clés libres

Graphite

Fontes

Solidification

Microscopie électronique en transmission

Caractérisation

Microstrucrure

Graphite

Cast irons

Solidification

Transmission electron microscopy

Caractérisation

Microstrucrure

Résumé

Les fontes de fer sont des alliages eutectiques de fonderie dont la structure consiste en des précipités de graphite dans une matrice riche en fer. Les propriétés mécaniques de ces alliages peuvent être grandement modifiées en agissant sur la matrice et sur la forme des précipités de graphite. Industriellement, les formes de graphite les plus courantes sont lamellaire et sphéroïdal, et l'on passe de l'une à l'autre par un traitement de sphéroïdisation (ajout de 0,02-0,05% massique de cérium ou de magnésium). D'autres morphologies peuvent apparaître en fonction des conditions de refroidissement et de la composition chimique de la fonte liquide. De fait, de très nombreux éléments d'alliage ou à l'état de traces peuvent diminuer l'efficacité du traitement de sphéroïdisation et modifier la forme du graphite. L'objectif de cette étude a été double, d'une part caractériser la structure fine de différentes formes de graphite, d'autre part réaliser des expériences de laboratoire destinées à étudier l'effet de quelques éléments, O, Ce et Sb, sur la croissance du graphite primaire. Dans cette étude, différents types de graphite (sphéroïdal, lamellaire et morcelé) issus de fontes commerciales ont été étudiés par microscopie optique, microscopies électroniques à balayage et en transmission, et spectrométrie de masse des ions secondaires. Leur caractérisation a permis de mettre en évidence certaines similitudes à l'échelle nanométrique malgré les différences de morphologies à l'échelle micrométrique. Des expériences consistant à fondre du fer pur dans des creusets de graphite, avec ou sans ajout délibéré d’antimoine ou de cérium, ont été réalisées. Les échantillons ont été élaborés par chauffage soit sous air soit sous vide primaire, puis refroidis lentement et maintenus au dessus de la température eutectique afin de faire croître de gros précipités de graphite primaire, et enfin rapidement pour figer en une structure fine le liquide résiduel. Les différentes formes de graphite obtenues lors de ces expériences ont fait l'objet des mêmes analyses métallographiques que les fontes industrielles. L’antimoine a favorisé la formation de lamelles de graphite incurvées. Les courbures de ces lamelles ont lieu par des changements dans leur direction de croissance. Le cérium a produit du graphite sous forme de plaquettes courtes et épaisses dans les échantillons élaborés sous air et du graphite sphéroïdal ou explosé dans les échantillons élaborés sous vide. Ainsi, l’un des rôles de cet élément est de désoxyder la fonte, ce qui a été confirmé par l’observation de différents oxydes de cérium dans les échantillons. L’observation de morphologies de graphite particulières dans ces échantillons suggère que le rôle du cérium ne se limite pas à la désoxydation de la fonte et des mécanismes d’action de ces éléments ont été discutés. Les caractérisations microstructurales, et en particulier la microscopie électronique en transmission, montrent que le graphite peut s’adapter à différentes conditions de croissance et adopter diverses morphologies dans les fontes. Les résultats de ces travaux ont permis une meilleure compréhension de l’effet des éléments d’addition sur la croissance du graphite et un modèle de croissance permettant de décrire les observations a été proposé.

Cast irons are eutectic foundry alloys with a structure consisting of graphite precipitates within an iron-rich matrix. The mechanical properties of these alloys can be modified by changing the nature of the matrix and the shape of the graphite precipitates. The most usual graphite shapes are lamellar and spheroidal, this modification being achieved through a spheroidisation treatment (adding 0.02-0.05 wt% of cerium or magnesium). Other morphologies can occur depending on the chemical composition of the melt and its cooling conditions. Numerous alloying elements present as traces can reduce the effectiveness of the spheroidisation treatment and modify the shape of graphite. The objectives of this study were to characterize the structure of different graphite types at a fine scale and to carry out laboratory experiments to study the effect of certain elements (oxygen, cerium and antimony) on primary graphite growth. In the present work, various types of graphite found in commercial cast irons were studied using optical microscopy, secondary ion mass spectrometry, scanning and transmission electron microscopy. Characterization of spheroidal, lamellar and chunky graphite was performed in order to reveal their structural features. Even though these precipitates seem very different at lower magnification the results of this investigation emphasize on similarities found between them. Experiments consisting in melting pure iron in graphite crucibles, with or without antimony or cerium additions were carried out. The samples were heated in air or primary vacuum, then slowly cooled and held above the eutectic temperature so as to produce large primary graphite crystals, and finally quenched to produce a fine structure from the remaining liquid. The different graphite morphologies obtained in these experiments underwent the same metallographic analyses as the commercial irons. Antimony favoured the development of curved graphite flakes by promoting frequent changes in the flakes’ growth direction. Cerium produced thick graphite platelets in the samples prepared in air and exploded graphite in the samples prepared in vacuum. One of the main roles of this element is thus to deoxidize the melt, which was confirmed by the presence of several cerium oxides in the samples. Peculiar graphite morphologies were observed in these samples, suggesting that the role of cerium is not limited to deoxidizing the iron and the mechanisms by which this element affects graphite growth were discussed. The microstructural characterizations and mainly transmission electron microscopy show that graphite can adapt to different growth conditions and adopt diverse morpholgies in cast irons. The results of the present work lead to a better understanding of the effect of elements on graphite growth and a model was proposed to describe the experimental observations.