Brevet FR2006980A1 — publié le 19700102

La présente invention se rapporte d'une façon.générale aux procédés de coulée de métaux et elle concerne plus particulièrement un procédé de coulée de précision pour lequel on utilise des moules en matière céramique, ainsi qu'un moule pour 5 la mise en oeuvre d'un tel procédé. On sait que les produits coulés en certains métaux ferreux, par exemple en aciers ordinaires au carbone, en aciers faiblement alliés et en de nombreux aciers inoxydables ferri-tiques et martensitiques, quand ils sont fabriqués par des 10 techniques normales de coulée à l'air dans des moules chauds à la cire perdue, sont sujets à présenter certains défauts superficiels tels que la formation de piqûres et la décarburation. On pense que ces défauts sont dus à l'oxygène atmosphérique qui, dans les conditions normales, peut accéder à la surface du 15 métal à travers les pores d'un moule classique en matière céramique. On pense également que l'oxygène participe à la réaction mutuelle entre le métal et le moule que l'on observe lors de la coulée de certains métaux réactifs, tels que l'aluminium et les alliages d'aluminium, dans des moules en matière 20 céramique. Le résultat d'une telle réaction mutuelle est que fréquemment la pièce coulée ne se sépare pas proprement du moule après refroidissement et qu'en conséquence il est nécessaire de soumettre à un traitement spécial la pièce coulée pour la débarrasser des fragments de matière du moule qui y adhèrent. 25 On a proposé diverses techniques, plus ou moins complexes, pour faire disparaître ou déplacer l'atmosphère oxydante de la proximité immédiate de la cavité du moule tout en conservant les caractéristiques de commodité de la coulée à l'air. Le procédé qui fait l'objet de l'invention est basé J>0 sur ce principe et sa mise en oeuvre est particulièrement simple et économique. Le procédé selon l'invention est destiné à la production d'une pièce métallique coulée et il consiste à entourer un moule en matière céramique cuite d'une masse d'un matériau 35 réfractaire particulaire préalablement enrobé d'une résine combustible thermodurcissable, à effectuer dans ce moule la coulée à l'air d'un métal et à laisser la pièce coulée se refroidir pendant que la résine brûle. Un moule selon l'invention comprend une paroi à 40 plusieurs couches qui sont une couche intérieure, une couche 69 12630 2 2006980 intermédiaire et une couche extérieure, la couche intérieure qui délimite la cavité du moule étant formée en une matière céramique cuite qui est un matériau réfractaire particulaire lié à l'aide d'un liant réfractaire, la couche intermédiaire 5 comprenant un matériau réfractaire particulaire en combinaison avec une substance carbonée provenant de la combustion d'une résine thermodurcie, et la couche extérieure comprenant un " matériau réfractaire particulaire lié par une résine thermo-durcie. D'une façon générale, on peut considérer que le moule 10 est un moule classique en matière céramique cuite portant sur sa surface extérieure les couches intermédiaire et extérieure spécifiées ci-dessus. Alors qu'il existe une nette discontinuité entre la couche intérieure en matériau réfractaire lié et la couche intermédiaire, il n'existe en général aucune 15 transition prononcée de la couche intermédiaire à la couche extérieure. Le type de combustion qu'on observe le plus souvent est une carbonisation ou une combustion lente de la résine, mais il varie selon les températures et les atmosphères utilisées. 20 Le procédé présente un intérêt particulier pour la production de pièces coulées en coquille dans des moules en matière céramique et aussi pour la production de pièces coulées à partir des métaux mentionnés plus haut. On peut également utiliser avantageusement ce procédé lorsque le métal est un 25 alliage à base de cuivre, par exemple un bronze. Suivant un mode de mise en oeuvre du procédé, la combustion de la résine débute quand on coule le métal chaud dans le moule.Suivant un second mode de mise en oeuvre du procédé, qui est celui que la Demanderesse préfère, le moule est lui-même 30 à une température suffisamment élevée, au moment où on le met en contact avec le matériau réfractaire particulaire, pour amorcer la combustion de la résine, et la coulée du métal ainsi que le refroidissement de la pièce coulée ont lieu pendant la combustion ininterrompue de la résine. 35 Pour entourer le moule en matière céramique cuite d'un matériau réfractaire particulaire préalablement enrobé, la technique la plus commode consiste à immerger le moule, à une température au moins suffisante pour faire durcir la résine, dans un lit fluidisé composé du matériau réfractaire 40 particulaire préalablement enrobé, en formant ainsi une couche 69 12630 3 2006980 de matériau réfractaire lié à la résine tout autour du moule. Si le moule n'est pas suffisamment chaud pour allumer la résine, une telle couche se formera en contact avec la surface du moule et s'établira également dans la zone entourant le moule 5 où la température est suffisamment élevée pour faire durcir la résine. Si le moule est à une température suffisamment élevée pour amorcer la combustion de la résine sur les particules qui viennent en contact avec sa surface, la zone entourant le moule dont l'intervalle des températures est tel que la 10 résine durcisse et forme une couche de réfractaire lié par la résine sans subir de combustion, sera séparée du moule lui-même par une couche intermédiaire en un matériau réfractaire particulaire en combinaison avec une résine en cours de combustion et avec les produits carbonés provenant de sa combustion. 15 La température à laquelle on cuit le moule en matière céramique est en général comprise entre 750QC et 1250®C et, lors de la mise en oeuvre du mode d'exécution préféré de l'invention, on laisse éventuellement le moule se refroidir après la cuisson jusqu'à une température qui est normalement 20 comprise entre 300°C et 850°C avant d'entourer ce moule de la masse réfractaire enrobée de résine. Si l'on désire former une couche de réfractaire lié par une résine autour du moule sans que la résine brûle au .cours du stade d'enduction, on laisse le moule se refroidir à une température qui se situe 25 normalement entre 75°C et 150°C. On détermine l'épaisseur de couche optimale et, par voie de conséquence, les valeurs optimales de la température du moule et de la durée d'immersion dans le lit fluidisé en tenant compte de nombreux facteurs, mais la technique expéri-30 mentale permettant d'établir des limites satisfaisantes est relativement simple. L'exigence que l'on doit satisfaire est que suffisamment de résine soit présente pour que sa combustion se poursuive pendant toute la durée au cours de laquelle la température de la pièce coulée est encore telle que son expo-35 sition à l'oxygène aurait un effet fâcheux. Si la température du moule après revêtement est inférieure à la température optimale de coulée, on peut effectuer une nouvelle cuisson avant de couler le métal, en prenant naturellement les précautions voulues pour éviter la combustion 69 12630 4 2006980 d'une quantité excessive de résine. On peut par exemple appliquer une couche de matériau réfractaire lié par une résine dont l'épaisseur est plus importante que celle qui est nécessaire, ou bien on peut effectuer la seconde cuisson dans 5 un four dont l'atmosphère est non oxydante. On préfère habituellement mettre le moule hors.de contact du lit fluidisé de matériau réfractaire particulaire enrobé de résine aussitôt qu'une couche d'épaisseur suffisante a été établie autour du moule et avant de couler le métal. 10 Cependant, lorsqu'on peut tolérer un refroidissement plus lent de la pièce coulée, cette précaution n'est pas nécessaire. Dans un tel cas, il faut arrêter la fluidisation du lit de matériau réfractaire enrobé de résine avant de couler le métal. Dans le cadre du mode de mise en oeuvre préféré qui 15 a été décrit plus haut, on peut fréquemment couler le métal aussitôt qu'une couche de réfractaire/résine d'épaisseur suffisante a été établie mais, dans d'autres cas, on obtient de meilleurs résultats après que la résine a été soumise à une combustion de brève durée, par exemple de 10 à 30 secondes, 20 avant de couler le métal. Les spécialistes de la fonderie connaissent parfaitement les produits réfractaires particulaires enrobés d'une résine thermodurcissable, produits qu'on peut utiliser pour former des moules par le procédé connu sous le nom de "Procédé 25 Croning". Le matériau réfractaire peut être par exemple un sable de silice, un sable de zircon, un sable de chromite ou un sable d'olivine, la granulométrie du sable étant telle que la majeure partie du produit soit formée de particules de dimensions comprises entre 0,251 et 0,152 mm, avec peu de 30 particules de dimension supérieure à 0,500 mm ou de dimension inférieure à 0,076 mm. La résine est habituellement une résine phénol-formaldéhyde mais elle peut également être une résine urée-formaldéhyde, une résine mélamine-formaldéhyde ou une résine 35 de polyester non saturé. Pour utilisation dans le présent procédé, la résine contient de préférence au moins 50 % en poids de carbone chimiquement combiné. On incorpore de préférence un activant ou un agent de réticulation dans la résine, par exemple de l'hexaméthylène-tétramine lorsque la résine est 40 une résine phénol-formaldéhyde. 69 12630 5 2006980 Pour former des produits réfractaires enrobés de résine de ce genre, la technique usuelle consiste .à préparer un mélange du matériau réfractaire et d'une solution de la résine et ensuite à malaxer continuellement jusqu'à ce que le solvant 5 se soit évaporé et que les agrégats individuels qui ont pu se former au cours du stade intermédiaire aient été entièrement brisés. La proportion de résine peut être, par exemple, de 1j5 à 7 % du poids du réfractaire mais elle est le plus souvent de 3 à 4 % du poids du matériau réfractaire. 10 On envisage que le moule en matière céramique devant servir dans le présent procédé aura été fabriqué par des moyens classiques de manière à obtenir un matériau céramique comprenant un réfractaire particulaire lié par un liant réfractaire. Le procédé normal de fabrication d'un moule à coquilles en matière 15 céramique consiste à préparer un modèle de ciré ou d'une autre matière destructible, à former autour du modèle une coquille en matériau réfractaire en appliquant pour cela un certain nombre de couches d'une suspension composée de poudre réfractaire dans un liant liquide (par exemple un sol de silice ou un 20 silicate d'éthyle hydrolysé, lesquels donnent de la silice comme liant réfractaire dans le produit final en matière céramique), en interposant habituellement des couches intermédiaires de stuc formées en une matière réfractaire de granulométrie un peu plus grossière, et à soumettre l'ensemble séché à un 25 processus au cours duquel on fait disparaître le modèle, par exemple en le faisant fondre. Après cela, on cuit la coquille. On peut également utiliser des techniques classiques pour former des moules massifs et des moules en pièces pouvant servir dans la présente invention. 30 Les exemples suivants montreront bien comment l'in vention peut être mise en oeuvre. EXEMPLE 1 : Cet exemple décrit le procédé selon l'invention appliqué à la coulée de l'acier. 35 On prépare un moule à coquilles en matière céramique en appliquant à un ensemble de modèles en cire des couches successives d'une suspension de sillimanite.de granulométrie inférieure à 0,076 mm dans une solution de silicate d'éthyle hydrolysé et un stuc en sillimanite de granulométrie comprise 40 entre 0,38 et 0,19 chaque couche de suspension étant 69 12630 6 2006980 autorisée à durcir avant qu'on applique la couche suivante. On applique au total six couches de suspension et, après durcissement de la couche finale, on sèche l'ensemble dans un courant d'air chaud jusqu'à élimination de l'excès d'alcool et 5 d'eau. On élimine la cire du moule par traitement dans un autoclave à vapeur d'eau, après quoi on prépare le moule pour la coulée par la technique usuelle consistant à cuire le moule dans un four à 1050°C pendant une heure. 10 On retire le moule chaud du four de cuisson et, après l'avoir refroidi jusqu'à environ 800°C, on le plonge pendant 7 secondes dans un lit fluidisé de sable de silice enrobé avec de la résine phénol-formaldéhyde contenant de l'hexamé-thylène-tétramine à titre d'agent de durcissement (sable pour 15 procédé Croning). On retire du lit fluidisé le moule revêtu et, quelques secondes après, on coule dans ce moule de l'alliage fondu "CLA 1C" selon BritMi Standards 3146", Partie 1,1959* Après avoir laissé se refroidir la pièce coulée et le moule, on brise la coquille de la façon usuelle. On constate que la 20 pièce coulée se démoule dans des conditions exceptionnellement propres et que la surface du métal est d'excellente qualité, sans formation de piqûres ni décarburation. Un examen des fragments du moule montre, en coupe transversale, qu'il s'agit d'une structure en plusieurs couches 25 comprenant une couche intérieure formée avec le matériau de la coquille initiale en matière céramique dont les parties extérieures ont quelque peu noirci, une couche intermédiaire de particules noircies de sable de silice enrobées de résine carbonisée, cette couche se confondant progressivement avec 30 une couche externe formée de particules brunies de sable de silice liées avec la résine phénol-formaldéhyde. EXEMPLE 2 : Cet exemple décrit le procédé selon l'invention appliqué à la coulée d'un alliage d'aluminium. 35 On confectionne un moule à coquilles en matière' céramique en appliquant des couches successives par immersion et de stuc à ion ensemble de modèles en cire, après quoi on fait fondre la cire pour la faire disparaître, le tout sensiblement comme dans l'exemple 1. On cuit le moule "à l'état vert" 40 ainsi obtenu dans un four de combustion ordinaire à 800°C 69 12630 7 2006980 pendant une heure. On retire le moule chaud du four et on le plonge pendant quelques secondes dans un lit fluidisé de sable de silice préalablement enrobé avee de la résine phénol-formaldéhyde contenant de 1'hexaméthylène-tétramine (agent de 5 durcissement) pour obtenir ainsi un revêtement de sable lié à la résine tout autour de l'extérieur du moule à coquilles. On soumet le moule revêtu à une seconde cuisson dans le four pendant 3 minutes à 800°C. Peu de temps après avoir enlevé du four le moule 10 revêtu, on coule dans ce moule un alliage fondu d'aluminium dont la composition est comprise dans l'intervalle spécifié pour l'alliage "LM16" par "Biittsh Standards" 1490, 1963. On laisse la pièce coulée se refroidir. Quand on brise le moule, celui-ci se sépare de manière remarquablement propre de la 15 pièce coulée sans aucun signe d'adhérence de fragments du moule à la pièce, adhérence que l'on rencontre habituellement avec les pièces coulées en alliage d'aluminium dans des moules en matière céramique. 69 12630 8 2006980 REVENDICATIONS ;'~ 1.- Procédé de production d'une pièce métallique coulée, caractérisé en ce qu'il consiste à entourer un moule en matière céramique cuite d'une masse d'un matériau réfractaire 5 particulaire préalablement enrobé d'une résine combustible thermodurcissable, à effectuer dans ce moule la coulée à l'air d'un métal et à laisser la pièce coulée se refroidir pendant que la résine brûle. ; 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ! 10 ce qu'on plonge le moule en matière céramique, qui est à une - \ température au moins suffisante pour faire durcir la résine, ; dans un lit fluidisé du matériau réfractaire particulaire préalablement enrobé pour former ainsi une couche de réfractaire lié à la résine tout autour du moule, après quoi on retire - 15 le moule du lit avant de couler le métal. 3-- Procédé selon la revendication 1 ou la revendi- « cation 2, caractérisé en ce que le moule en matière céramique, au moment où on l'entoure avec la matière réfractaire particulaire préalablement enrobée, est déjà à une température ; 20 suffisamment élêvée pour amorcer la combustion d.e la résine,;- on coule le métal et on laisse la pièce coulée se refroidir pendant que la résine continue à brûler. 4.- Procédé selon la revendication 3* caractérisé en ce que la température du moule en matière céramique, au 25 moment où on l'entoure avec le matériau réfractaire particulaire préalablement enrobé, est comprise entre 300°C et 850°C. 5-- Procédé selon la revendication 1 ou la revendi-cation 2, caractérisé en ce que la combustion de la résine s'amorce lorsqu'on coule le métal chaud dans le moule. 30 6.- Procédé selon la revendication 5> caractérisé *■ en ce que la température du moule en matière céramique, au moment où on l'entoure avec le matériau réfractaire particulaire préalablement enrobé, est comprise entre 75°C et 150°C. : 7.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 35 1 à 6, caractérisé en ce que le moule en matière céramique est un moule pour coulée en coquilles. 8.- Procédé Selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la résine combustible thermodurcissable est une résine qui contient au moins 50 % kO en poids de carbone chimiquement combiné. 69 12630 9 2006980 9.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la résine combustible thermodurcissable est une résine phénol-formaldéhyde. 10.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 1 à 9j caractérisé en ce que le métal est un acier au carbone ordinaire, un acier faiblement allié, un acier inoxydable ferri-tique ou un acier inoxydable martensitique. 11.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le métal est l'aluminium 10 ou un alliage d'aluminium. 12.- A titre de produit industriel nouveau, une pièce métallique coulée par un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11. 13.- Moule à structure de paroi composite, caractérisé 15 en ce que sa paroi est formée, successivement, d'une couche intérieure, d'une couche intermédiaire et d'une couche extérieure, la couche intérieure qui délimite la cavité du moule étant formée en une matière céramique cuite qui est un matériau réfractaire particulaire lié à l'aide d'un liant réfractaire, 20 la couche intermédiaire comprenant un matériau réfractaire particulaire en combinaison avec une matière carbonée provenant de la combustion d'une résine thermodurcie, et la couche extérieure comprenant un matériau réfractaire particulaire lié par une résine thermodurcie. 25 14.- Moule selon la revendication 13.» caractérisé en ce que la couche intérieure est une coquille de moule en matière céramique cuite. 15.- Moule selon la revendication 13 ou la revendication 14, caractérisé en ce que le liant réfractaire est de la 30 silice. 16.- Moule selon l'une quelconque des revendications 13 à 15, caractérisé en ce que la résine thermodurcie est une résine phénol-formaldéhyde.