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Le fabricant du compresseur nous a récemment demandé d'examiner un cylindre moulé qui ne cessait de se fissurer au niveau du siège de la soupape de refoulement après environ 8 000 heures de fonctionnement. La pièce a été fabriquée en fonte ductile conventionnelle et le mode de défaillance combinait fatigue par impact et usure par glissement. C’est exactement la situation dans laquelle les pièces moulées en fonte ductile trempée méritent un examen attentif avant que quiconque ne redessine le composant en acier.
La fonte ductile trempée, communément appelée ADI, est une fonte ductile qui a été traitée thermiquement pour doubler environ sa résistance tout en conservant la liberté de forme d'une pièce moulée. Dans de nombreux composants actuellement fabriqués en acier forgé ou fabriqué, ADI offre des propriétés mécaniques comparables à un coût de pièce inférieur et à un poids plus léger. Cet article explique ce qu'est l'ADI, comment fonctionne le processus de trempe, quelles propriétés vous pouvez spécifier et où vous devriez y réfléchir à deux fois.
Qu’est-ce que la fonte ductile trempée ?
ADI commence par de la fonte ductile, également connue sous le nom de fonte nodulaire ou de fonte à graphite sphéroïdal. Le graphite dans sa structure forme de petites sphères plutôt que les flocons que l'on trouve dans la fonte grise, et cette forme sphérique est ce qui donne à la fonte ductile sa ténacité et son allongement. Si vous avez besoin d'un rappel sur la façon dont la fonte ductile est produite et en quoi elle diffère de la fonte grise, cet aperçu de la fonte ductile explique les bases.
Le traitement de trempe transforme la matrice métallique autour de ces nodules de graphite en une structure appelée ausferrite. L'ausferrite est un mélange de ferrite aciculaire fine et d'austénite enrichie en carbone. Ce n'est pas de la perlite, ni de la bainite, ni de la martensite trempée. La combinaison de cette matrice dure et résistante à la fatigue avec des nodules de graphite ductile confère à ADI son ensemble inhabituel de propriétés.
Un malentendu courant est que l’ADI est simplement une qualité de fonte ductile plus résistante. Le matériau de départ est la fonte ductile, mais le traitement thermique est ce qui produit les nuances à haute résistance. La fonte ductile conventionnelle offre des résistances à la traction comprises entre 400 et 700 MPa ; Les qualités ADI commencent autour de 850 MPa et dépassent 1 400 MPa.
Comment fonctionne le processus de trempe
La trempe est un traitement thermique en trois étapes qui nécessite beaucoup plus de contrôle qu'un cycle de trempe et de revenu typique.
- Austénitisation : la pièce moulée est chauffée dans la plage austénitique, généralement entre 830 et 930 °C, et maintenue jusqu'à ce que la matrice soit complètement austénitique.
- Trempe : la pièce coulée est transférée rapidement dans un bain de sels fondus maintenu entre 230 et 400 °C. Le bain de sel refroidit la pièce suffisamment rapidement pour empêcher la formation de ferrite ou de perlite, mais suffisamment uniformément pour minimiser la distorsion.
- Transformation isotherme : la coulée est maintenue à la température du bain de sel pendant un temps défini tandis que l'austénite se transforme en ausferrite.
Le bain de sels fondus est ce qui rend le processus pratique. La trempe à l'eau est trop agressive pour les pièces moulées complexes et le refroidissement à l'air est trop lent pour la plupart des sections. Le sel offre un taux de refroidissement uniforme et contrôlable. Après le maintien isotherme, la pièce moulée est retirée et refroidie à température ambiante.
La température du bain de sel a un effet direct sur la qualité finale. Des températures plus basses, environ 230 à 315 °C, produisent une résistance et une dureté plus élevées avec moins de ductilité. Des températures plus élevées, environ 315 à 400 °C, produisent une plus grande ténacité et un plus grand allongement. La même pièce moulée de base peut être trempée à plusieurs qualités différentes simplement en ajustant le traitement thermique.
Propriétés mécaniques des pièces moulées ADI
Les propriétés ADI sont normalisées au niveau international, le plus souvent sous ASTM A897/A897M. La désignation de la nuance contient trois chiffres : la résistance à la traction, la limite d'élasticité et le pourcentage d'allongement. Le tableau ci-dessous résume les qualités ADI standard.
| Note | Résistance à la traction | Limite d'élasticité | Allongement | Dureté |
|---|---|---|---|---|
| 900-650-10 | 900 MPa (130 ksi) | 650 MPa (94 ksi) | 10% | 269-331 HB |
| 1050-700-7 | 1 050 MPa (152 ksi) | 700 MPa (102 ksi) | 7% | 302-375 HB |
| 1200-850-4 | 1 200 MPa (174 ksi) | 850 MPa (123 ksi) | 4% | 341-401 HB |
| 1400-1100-1 | 1 400 MPa (203 ksi) | 1 100 MPa (160 ksi) | 1% | 388-477 HB |
| 1600-1300-1 | 1 600 MPa (232 ksi) | 1 300 MPa (189 ksi) | 1% | 402-512 HB |
Ce que ces chiffres signifient dans la pratique : une nuance 900-650-10 se comporte comme une fonte structurelle résistante avec une résistance bien supérieure à la fonte ductile conventionnelle. Une nuance 1400-1100-1 agit davantage comme une pièce d'usure qui supporte également une charge importante.
ADI a également de fortes performances en fatigue. La matrice ausferritique résiste à l'initiation des fissures et les contraintes résiduelles de compression laissées par la trempe améliorent la résistance à la fatigue en flexion. Dans l’ensemble, l’ADI se compare favorablement aux aciers au carbone et aux aciers faiblement alliés trempés et revenus, ce qui en fait un candidat pour les composants pour lesquels le forgeage ou la fabrication d’acier est actuellement la valeur par défaut.
Applications des pièces moulées en fonte ductile trempée
ADI apparaît dans les transmissions automobiles, les équipements agricoles, les machines minières, les composants ferroviaires et la manipulation des fluides industriels. Le fil conducteur est une pièce qui supporte une charge, subit une fatigue ou une usure et bénéficie du fait d'être une pièce moulée plutôt qu'une soudure ou un forgeage.
Composants du compresseur
Les compresseurs imposent des cycles de pression, des contacts glissants et des contraintes locales élevées. Les cylindres, les carters, les plaques de soupape et les sièges d'échappement ont besoin d'un matériau qui ne s'usera pas, ne se fissurera pas et ne se fissurera pas pendant des dizaines de milliers d'heures. Les pièces moulées de cylindres ADI bénéficient de la combinaison de la dureté de la surface de l'alésage et de la capacité de pression. Une fonderie qui produit déjà moulages de cylindres de compresseur en fonte ductile possède les connaissances de base sur les matériaux nécessaires pour évaluer une version trempée pour une application à service sévère.
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Les pompes et les vannes sont confrontées à des exigences d'érosion par cavitation, de fluides abrasifs et de maintien de pression. La dureté élevée de l'ADI résiste mieux à la cavitation et à l'érosion des particules que la fonte ductile standard, tandis que la ductilité des qualités inférieures maintient la pièce en sécurité sous des surcharges. Les turbines, les bagues d'usure et les corps de vannes sont des candidats naturels. Pour pièces moulées du corps de pompe en service à haute pression ou en boue, la spécification d'une qualité trempée peut prolonger considérablement la durée de vie.
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Les systèmes de guidage des machines-outils et les composants structurels nécessitent des surfaces rigides, amortissantes et résistantes à l'usure. La fonte ductile trempée offre une dureté plus élevée que la fonte conventionnelle tout en conservant le caractère d'amortissement des vibrations qui rend la fonte précieuse dans les machines-outils. Guides, toboggans et pièces moulées de base de machine-outil peut être produit avec la forme proche d'une pièce moulée, puis meulé ou gratté jusqu'à la géométrie finale.
Fabricants de bases de machines de coulée personnalisées, usine - Haian Aoyu Machinery Manufa Haian Aoyu Machinery Manufacturing Co., Ltd est un fabricant chinois de bases de machines de moulage et une usine de bases de machines de moulage, nous proposons des... Voir le produit → Considérations relatives au coût et à la conception
ADI n'est pas automatiquement la bonne réponse pour chaque casting. Le traitement thermique augmente le coût, et ce coût supplémentaire doit être justifié.
Réduction de poids
L’ADI étant environ deux fois plus résistante que la fonte ductile conventionnelle, les sections peuvent être plus fines. Des réductions de poids de 20 à 30 pour cent sont réalistes lorsqu'une pièce en fonte ductile existante est repensée dans ADI. Lors du remplacement d'une fabrication en acier, le coût par kilogramme d'ADI est inférieur et vous économisez le soudage et l'usinage post-soudage requis par une construction soudée en acier.
Usinage après trempe
Le fer trempé est dur, généralement 300 HB et plus. Le perçage, le taraudage et le fraisage après traitement thermique nécessitent un outillage en carbure et augmentent les coûts d'usinage. De nombreux producteurs usinent la pièce dans l’état de fonte ductile, puis la trempent comme étape quasi finale. Cela fonctionne lorsque le traitement thermique ne déforme pas la pièce au-delà des tolérances. Si l'usinage doit avoir lieu après la trempe, gardez les réserves de stock faibles et prévoyez un outillage plus dur.
Taille des sections et sensibilité du processus
La réponse à la trempe dépend de l'épaisseur de la section. Les sections lourdes peuvent refroidir trop lentement au centre, produisant une structure mixte avec des propriétés inférieures à celles indiquées sur le coupon de test. Une épaisseur de paroi uniforme et des transitions douces vous protègent de ce risque. Votre fonderie doit confirmer que la nuance choisie peut être obtenue dans la section la plus épaisse de la pièce.
Vérification de la qualité
Les propriétés ADI ne peuvent pas être vérifiées par la seule mesure de la dureté. Les coupons de test issus des mêmes tests de chaleur, de traction, d'évaluation métallographique et de dureté à travers la pièce moulée constituent la suite de vérification normale. Si un fournisseur ne peut pas fournir cette documentation, traitez les spécifications du matériau avec prudence. L’étape de traitement thermique est l’endroit où la qualité ADI est créée ou perdue.
Partenariat avec une fonderie qui connaît la fonte ductile
Le moulage de base détermine jusqu'où la trempe peut vous mener. La qualité de fusion, la nodularité, le contrôle du retrait et la cohérence de la composition chimique sont tous établis en fonderie avant que la pièce n'atteigne un bain de sel. C’est là qu’une fonderie dédiée à la fonte ductile ajoute de la valeur.
Haian Aoyu Machines Manufacturing Co., Ltd. est une fonderie de fonte ductile et de fonte grise située à Nantong, en Chine, qui fournit des pièces moulées pour compresseurs, pompes, vannes et machines-outils à des clients en Amérique du Nord, en Europe et en Asie. Avec une capacité annuelle de 20 000 tonnes, l'entreprise produit exactement les familles de composants où l'ADI est le plus fréquemment utilisé, notamment les corps et cylindres de compresseurs, les corps de pompes et les bases de machines-outils. Son équipe d'ingénierie examine les conditions de charge et les environnements de service pour chaque projet, ce qui fait de l'étape du devis le bon moment pour se demander si une qualité trempée mérite d'être prise en considération.
Lorsque vous approchez une fonderie au sujet d'ADI, apportez trois éléments : l'historique complet des charges de la pièce, le mécanisme d'usure attendu et les tolérances dimensionnelles qui doivent survivre au traitement thermique. De nombreux composants actuellement fabriqués à partir de pièces forgées conventionnelles en fonte ductile ou en acier pourraient être produits sous forme de pièces moulées en fonte ductile trempée. Le matériau a fait ses preuves en production depuis des décennies, et la seule façon de savoir s'il convient à votre composant est d'en discuter avec une fonderie qui comprend le processus.
