Sphéroïdisation du graphite - Cas de la fonte centrifugée

par Jacques Bourdie

Thèse de doctorat en Science et Génie des Matériaux

Sous la direction de Jacques Lacaze.

Le président du jury était Dominique Daloz.

Le jury était composé de Jacques Lacaze, Dominique Daloz, Babette Tonn, Peter Schumacher, Joël Alexis, Fabien Bruneseaux.

Les rapporteurs étaient Babette Tonn, Peter Schumacher.


  • Résumé

    Les fontes de fer sont des matériaux largement utilisés dans de nombreux domaines allant de l’industrie automobile au secteur de l’énergie en passant par la fabrication des tuyaux d’adduction d’eau. Du fait de la teneur en carbone élevée de ces alliages, du graphite et/ou des carbures de fer précipitent pendant la solidification. Les propriétés finales des pièces dépendent alors de la nature de la matrice, de la présence ou non de carbures et surtout de la forme du graphite. Celui-ci peut cristalliser sous la forme de lamelles, de sphères ou de particules de formes intermédiaires. Les éléments présents à l’état de traces dans le bain de fonte liquide influencent de manière considérable la croissance du graphite et conditionnent sa forme finale. Leur moyen d’action ainsi que le mécanisme de croissance du graphite sphéroïdal sont encore un sujet de débat et cette thèse a pour objectif de contribuer à la compréhension des phénomènes mis en jeu. Les échantillons utilisés ont été élaborés selon le procédé de coulée par centrifugation, son influence sur les mécanismes étudiés est d’ailleurs au cœur de ce projet. Les différents essais et analyses réalisés prouvent que la structure des nodules observés dans les échantillons centrifugés est la même que dans le cas des pièces moulées en sable. De plus, les éléments traces montrent une action similaire lors de la solidification et pendant la croissance en phase solide durant le traitement thermique destiné à éliminer les carbures. Ces résultats suggèrent que le mécanisme de croissance du graphite sphéroïdal est le même lors de la croissance à partir du liquide ou en phase solide par décomposition des carbures. Une proposition est d’ailleurs faite pour expliquer le développement des nodules par une germination continue du graphite sur les plans de base conjuguée à une croissance selon les directions prismatiques. Un modèle mathématique associé à ce mécanisme est présenté et son application au procédé de centrifugation donne des résultats en accord avec les observations expérimentales.

  • Titre traduit

    Spheroidisation of graphite – application to centrifugal casting


  • Résumé

    Cast irons are widely used in the foundry industries for applications mainly in the automotive, energy and pipes industries. Because of the high carbon content, graphite and/or iron carbides appear during solidification. The properties of the casting depend on the nature of the matrix, the presence or not of carbides and the shape of the graphite. It can crystallise under the form of lamellae, spheroids or particles with an intermediate shape. Trace elements present in the melt strongly influence graphite growth and shape. Their action and the growth mechanism of the spheroidal graphite are still under debate and the aim of this project is to contribute to the understanding of these phenomena. The samples have been cooled by the centrifugal casting process whose influence on the studied mechanisms is the focus of this project. The different analyses that have been carried out show that the structure of the nodules is the same in centrifugated and sand mold castings. Moreover, the trace elements exhibit a similar action during solidification and solid state growth during heat-treatment for carbide dissolution. These results suggest that the growth mechanism of spheroidal graphite is the same during growth from the liquid and by solid state decomposition of carbides. A schematic is proposed to explain the growth of the nodules by a continuous nucleation on the basal surface of the graphite coupled to a growth along the prismatic directions. A mathematical model associated to this mechanism is presented and its application to the centrifugal casting process gives results in good agreement with experimental observations.


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