Sphéroïdisation du graphite - Cas de la fonte centrifugée

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

A 2-D nucleation-growth model of spheroidal graphite

Analysis of recent experimental investigations, in particular by transmission electron microscopy, suggests spheroidal graphite grows by 2-D nucleation of new graphite layers at the outer surface of the nodules. These layers spread over the surface along the prismatic direction of graphite which is the energetically preferred growth direction of graphite when the apparent growth direction of the nodules is along the basal direction of graphite. 2-D nucleation-growth models first developed for precipitation of pure substances are then adapted to graphite growth from the liquid in spheroidal graphite cast irons. Lateral extension of the new graphite layers is controlled by carbon diffusion in the liquid. This allows describing quantitatively previous experimental results giving strong support to this approach

Growth of spheroidal graphite: light versus scanning and transmission electron microscopies

International audienc

Growth of Spheroidal Graphite: Light Versus Scanning and Transmission Electron Microscopies

Much effort has been put in the past for describing the structure of graphite spheroids and for suggesting a growth mechanism from these observations. Many theories have emerged, but none of them is yet fully established and accepted 70 years after the patent on manufacturing spheroidal graphite cast irons. In the meantime, observations with optical microscopy have become more and more challenged by electron microscopy, either in scanning or in transmission mode. However, conclusions drawn from these various types of observations sometimes appear conflicting. This unsatisfactory situation is here investigated for three special features of spheroidal graphite, namely: (i) the crystalline quality of graphite in the spheroids; (ii) the curved leaf-like overgrowth at the outer surface of spheroids; (iii) the radial structure that is evidenced with optical microscopy. The present results lead to sustain that the mechanism of graphite growth remains the same during the whole solidification process of spheroidal cast irons

Effect of cooling rate and aluminium addition on graphite growth during solidification and graphitization

Even using high inoculation levels, mottled structures are often obtained when casting Mg-treated cast irons in thin wall parts. For full graphitization of the cast components, this calls for a subsequent heat-treatment which is generally achieved in the austenite field. The aim of this work was investigating the impact of the process and the cooling rate on the graphite structure for two different casting conditions. The influence of the cooling rate on graphite degeneracy due to the presence of impurity was also investigated considering low-level additions of aluminium. Extensive metallographic investigation has been carried out from which it is concluded that the internal graphite structure is the same for the two studied cooling conditions. Accordingly, the growth mechanism of graphite should be the same when it precipitates from liquid, during eutectic reaction or else solid-state graphitization. Finally, microanalyses suggest magnesium and aluminium do not interact in the same way with graphite during its growth

Can Raman Spectroscopy be Applied for Investigating Graphite Growth in Nodular Cast Irons

Growth of graphite during solidification and high temperature solid-state transformation has been investigated in samples cut out from a thin wall casting solidified partly in the stable (iron–graphite) and partly in the metastable (iron–cementite) systems. To this end, Raman spectroscopy has been used to characterize graphite nodules in as-cast state and in samples which have been fully graphitized at various temperatures in the austenite field. The results show no significant difference between Raman spectra recorded from these samples, suggesting that graphite grows with the same mechanism during either solidification or high-temperature (so-called first stage) graphitization. Transmission electron microscopy investigation is underway for complementing and checking these results

Spheroidisation of graphite – application to centrifugal casting

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.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

Growth of spheroidal graphite: light versus scanning and transmission electron microscopies

International audienc