Brevet FR2010247A1 — publié le 19700213

La présente invention a pour objet des perfectionnements dans la conception et la réalisation des masselottes utilisées en fonderie ; ces perfectionnements consistent à la fois dans la forme de la masselotte, le procédé de fabrication nouveau ainsi que dans la composition particulière du matériau utilisé. Ces différents perfectionnements assurent à l'objet de l'invention de grands avantages techniques et économiques par rapport aux masselottes en usage jusqu'ici et leurs modes de réalisation. On sait qu'en fonderie, d'une manière générale, une masselotte est un petit réservoir supplémentaire fixé au moule, en nombre voulu et dont le but est d'alimenter un ou plusieurs points chauds de la pièce en cours de solidification qui risqueraient d'être "retassés" sous 11 effet de la contraction du métal. a retassure est une cavité apparente ou invisible, ou un groupe de cavités créées par le "retrait", conditionné par la contraction du métal à l'intérieur du moule du fait 4e la baisse de température. Son importance est fonction à la fois du volume total du métal liquide introduit dans le moule, de l'importance de la surchauffe, et du retrait spécifique du métal ou de l'alliage coulé. Ite retrait est caractérisé par trois phases 1g Tant que la masse est liquide, il se traduit par une baisse de niveau. 20 Pendant la période de solidification, la combinaison des hénomènes physiques et physico-chimiques provoque des changements de volume presque toujours imprévisibles, mais qui se traduisent le plus souvent par une contraction. Sur les dessins annexés à la présente description, la fig. i montre les zones de solidification survenant dans une empreinte à bain découvert, avec la retassure interne apparaissant en fin de solidification. 5" A l'état solide et jusqu a ce qu'elle ait atteint le niveau de la température ambiante, la pièce coulée se refroidit progressivement et se contracte, conformément à la loi physique générale qui régit les phénomènes thermiques et leurs effets sur les corps. Be retrait n'est pas un défaut, mais une diminution de volume normale et il est bien connu que les pièces coulées sont légèrement plus petites que le moule ; le retrait dépend beaucoup de la nature et de la composition chimique de l'alliage coulé. L'effet de la masselotte ne consiste pas à supprimer une retassure, mais à la déplacer hors de la pièce0 la détermination des dimensions n'est pas toujours aisée. La fig. 3a montre une masselotte de hauteur insuffisante, de sorte qu'une partie de la retassure demeure incluse dans la pièce moulée. La fig. 3b montre une hauteur de masselotte correcte, tandis que celle de la fig. 3c est trop forte, entrainant un gaspillage de métal. Une bonne conception des masselottes est donc primordiale pour l'économie du procédé, et leur efficacité dépend uniquement de leur formes et des artifices employés. Le volume de métal perdu en masselottage a une importance considérable sur le prix de revient des pièces fabriquées, et tout fondeur s'efforce de réduire cette perte dans les limites du possible. Parmi les types de masselottes connues, les plus utilisées sont les masselottes dites "débouchantes", où le métal demeure en contact avec l'atmosphère ; ce type est représenté par la fig. 6. Ces masselottes débouchantes peuvent être de section carrée, rec taogulaire, ovale ou ronde, leur conception différente ayant le même but qui est d'alimenter le point massif de la pièce qui reste liquide en dernier lieu. L'expérience démontre que l'efficacité d'une masselotte débouchante à section carrée n'est pas supérieure à celle d'une masselotte dont la section correspond au cercle inscrit dans le carré (Cf fig. 4). En effet, le métal refroidit en premier lieu dans les angles et cette partie refroidie ne joue aucun rôle dans l'alimentation de la partie de pièce. Pour un même volume de métal de masselottagerles masselottes cylindriques sont plus efficaces que les masselottes de section carrée, autrement dit, la masselotte cylindrique est plus économique que la masselotte carrée. le même raisonnement vaut pour la masselotte à section rectangulaire (cf. fig. 5) : une masselotte ayant pour section celle d'une ellipse inscrite dans ledit rectangle aurait la même efficacité que la masselotte à section rectangulaire. I1 convient également de rappeler un inconvénient grave des masselottes débouchantes : au contact de l'atmosphère la couche supérieure du métal se refroidit et forme une croûte métallique qui non seulement est perdue pour l'alimentation de la pièce, mais obture l'orifice supérieur et empêche l'action de la pression atmosphérique sur le métal liquide à l'intérieur (cf.fig.6). On peut donc conclure que le type de masselottes décrit, le plus répandu, n'est pas parfait. On a donc essayé de réaliser des masselottes d'un rendement plus économique et techniquement meilleur. Le type de masselotte ayant, théoriquement, par sa forme, la meilleure efficacité, est la masselotte sphérique. Cependant, jusqu'à présent, l'emploi de masselottes sphériques s'est heurté à un problème technique important qu'illustre la fig. 7 : l'utilisation d'un modèle simple tel que représenté schématiquement est impossible du fait qu'on ne peut extraire le modèle du sable, en raison de sa forme même. Des solutions plus compliquées ont donc dû être envisagées. les fig. 8a et 8b montrent, à titre d'exemple, la solution du probleme par noyautage ; la fig. 8c montre une solution différente utilisant une pièce centrale et des fuseaux démontables. Toutes ces solutions sont peu rationnelles et sont onéreuses et atteignent pratiquement un prix de revient qui n'est plus compétitif. Dans le courant des dernières années, le problème de la réalisation de masselottes sphériques a été résolu partiellement par l'emploi de modèles de masselottes sphériques en polystyrène expansé : c'est ce qu'on appelle le procédé de moulage en modèle perdu. La fig. 9 montre la forme de la masselotte ainsi que sa pointe de mise à pression atmosphérique. Mais l'emploi de cette nouvelle technique, avec laquelle les fondeurs ont eu du mal à se familiariser, a provoqué un certain nombre de déchets. Les fig. 10 et 1Oa démontrent, d'autre part, que l'emploi du polystyrène expansé, du fait que celui-ci n'est pas une matière parfaitement rigide, présente des risaues de défloration de l'empreinte au serrage du sable. La fig. 11 montre une cause de rebut par une mauvaise gazéi fiction du xlstyrr expansé. Pour lue la gazéification du polystyrène expansé au contact du métal liquide soit parfaite, il faut que le sable soit perméable, sinon les gaz ne parviennent pas à s ' échapper : leur pression est suffisante pour empêcher le métal d ' occuper 1 X empreinte de la masselotte, et la pièce doit être mise au rebut. La dernière nouveauté en la matière a été l'apparition, sur le marché, de produits exothermiques, qui ont considérablement augmenté l'efficacité des masselottes. On a mis au point des mas chons de masselottes en matière exothermique ; comme le montre la fig. 12, la masselotte de section circulaire est débouchante. Le seul inconvénient qui est resté est précisément imputable au fait que la masselotte est débouchante : le métal étant en contact avec l'atmosphère, il se forme à la surface une croûte solidifiée, qui constitue une perte de matière et peut empêcher l'action de la pression atmosphérique (Voir fig. 13). les fig. 14 à 20 montrent les conceptions nouvelles, suivant l'invention, de masselottes sphériques, atmosphériques et exothermiques. les calculs théoriques, corroborés par les résultats de multiples expériences pratiques, démontrent que la forme la plus efficace pour une masselotte est la forme sphérique. La fig. 14 montre une masselotte de ce genre en vue de face en coupe et en v u e de dessous en coupe. La pointe atmosphérique B, en matière exothermique représente une pyramide aux angles vifs, afin d'obtenir le maximum de points chauds. Au contact du métal liquide, cette pointe rougit et, faisant fonction d'électrode thermique, empêche la formation d'une croûte de métal refroidi. Comme le montrent les flèches dans la fait. 15, la pression atmosphérique agissant à travers les pores de la matière constituant la masselotte, influe en toute liberté sur le métal liquide et le force à descendre alimenter la partie de pièce. La matière (A, fig. 14) constituant la masselotte contient une certaine proportion de magnésium et de battitures de fer, qui donnent la réaction exothermique. Au contact du métal liquide, le magnésium se combinant avec les battitures de fer, brûle en dégageant une chaleur intense qui se communique au métal contenu dans la masselotte. Une bride C (fig.14) empêche la masselotte de remonter au cours du serrage du sable et évite, au retournement du moule, que la masselotte se décolle et tombe. les avantages de la masselotte suivant l'invention sont multiples. Entre autres, son utilisation est simple et rationnelle et nloblige pas le fondeur à recourir à de nouveaux outillages ou à de nouveaux modes de travail. (Voir fig.15). La masselotte suivant l'invention est réalisée en matière parfaitement rigide, et les risques de rebuts sont écartés au maximum. La possibilité de fabriquer ladite masselotte en grande et très grande série réduit très sensiblement le prix de revient de l'unité. L'économie de métal est plus sensible encore. A titre d'bxem- ple, les fig. 16a et 16b montrent respectivement le résultat comparé obtenu avec des masselottes cylindriques et des masselottes sphériques. La fig. 16a montre une pièce coulée en acier, avec utilisation de masselottes cylindriques de 190 mm de diamètre et 205 mm de hauteur, donnant un poids de masselottage de 328 kg. La fig. 16b montre la même pièce coulée en acier avec utilisation de masselottes sphériques atmosphériques et exothermiques suivant l'invention, de 180 mm de diamètre, donnant un poids total de -mas- selottage de 184 kg. Dans le second cas, on réalise donc une économie de métal à masselotter de 328 - 184 = 144 kg, soit une économie de 44 %, ce qui abaisse évidemment le prix de revient de la pièce dans des proportions très considérables. La fig. 17a montre le soufflage à très haute pression du mélange dans la boite à noyaux chauffés à des températures se situant entre 150 et 4500 C. La fig. 17b montre la phase d'investissement. La fig. 17c montre le vidage de l'excédent de sable. La fig. 17d montre la phase de cuisson La fig. 17e montre l'ouverture de la boite à noyaux et l'éjection de la masselotte. les masselottes sphériques atmosphériques et exothermiques utilisées dans le haut du moule n'ont pas besoin d'être entièrement recouvertes de sable de moulage, d'où il résulte à la fois une économie sur le temps de travail et sur le poids du sable de moulage (Voir fig. 15 et fig. 18) ; lesdites masselottes peuvent être employées aussi bien dans le haut que dans le bas du moule (Voir fig. 18). De plus, elles conviennent pour tous les alliages sans exception. On vient de faire ressortir l'une des caractéristiques de l'invention ; il reste à décrire les autres caractéristiques essentielles et notamment la composition de la matière spéciale utilisée pour la fabrication de la masselotte, le procédé de réalisation du mélange formant cette matière spéciale, enfin le traitement particulier et les modes de réalisation des masselottes suivant l'invention. Les éléments entrant d-ans la composition-dé--la masse destinée à former la masselote sont essentiellement les suivants : du sable extra siliceux comme élément réfractaire, des résines, notamment de la résine phénolique, et un catalyseur générateur de formol comme agglomérants, du stéarate de calcium comme agent de démoulage, du noir minéral comme absorbeur du choc thermique, enfin des battitures de fer et de la limaille magnésium comme éléments exothermiques. Quant:!fativement, la composition du mélange varie dans certaines limites selon les dimensions des masselottes à fabriquer Normalement, on pourra tabler sur les proportions suivantes Sable extra-siliceux 100 kg. Résine phénolique 2 à 20 kg. Résine naturelle 0 à 1 kg. Noir minéral 1 à 15 kg. Battitures de fer 1 à 15 kg. Magnésium 1 à 25 kg. Stéarate de calcium : 10 à 100 gr. pour 1 kg. de résine. Catalyseur : 550 à 450 gr. pour 1 kg. de'résine. Le catalyseur en question est l'hexaméthylène tétramine-; le poids indiqué par rapport à celui de la résine est celui d'une solution aqueuse représentant 7 kg. d'hexaméthylène tétramine dissous dans environ 11 à 15 litres d'eau. le processus de préparation du matériau précité est le suivant: 1g le sable siliceux est porté à une température se situant de préférence entre 110g et 150O C. 2g le sable ainsi~chauffé est introduit dans -un-malaxeur discontinu, en même temps que la poudre ou la limaille de- magnésium et les battitures de fer. 20 Ensuite, les résines ainsi que le stéarate de calcium sont introduits dans le malaxeur discontinu. Au contact de la chaleur, la résine fond et enrobe sous forme de film Chacun des grains du mélange précédemment introduit. 4g le catalyseur est introduit sous forme de solution aqueuse dans le malaxeur discontinu. 59 La charge se déverse, avec addition du noir minéral, dans le désintégrateur qui brise les mottes, aère le mélange et le véhicule au moyen d'un transporteur à vis d'Archimède. 6g le mélange tombe sur des tamis vibrants, puis 7g sur des refroidisseurs qui le ramènent à une température normale. 8g A la sortie de la machine, le mélange parfaitement flou et sec, est stocké dans des silos pour utilisation suivant les besoins. les masselottes suivant l'invention sont fabriquées en utilisant comme matériau de base le mélange précédemment décrit. Le processus de fabrication proprement dit comporte, très schématiquement, une succession de sept opérations 1g La boite à noyaux est portée à une température se situant, selon le cas, entre 150g et 450Q C. 20 On insuffle, à haute pression, le mélange préparé suivant les indications précédentes, dans la boite à noyaux (Voir fig. 17a). 3g (Voir fig. 17b) -1 ère phase : Au contact des parois de la boite à noyaux chauffées, et sur une certaine profondeur du mélange, la résine fond et agglomère les grains du mélange. La profondeur jusqu'à laquelle se poursuit cette réaction est fonction de la température et du temps, et est réglée au moyen d'une minute- rie. - 2ème phase : A partir dtune certaine température, le catalyseur entre en action et, en dégageant du formol, fait durcir la résine. La profondeur à laquelle s'est poursuivie la réaction décrite, correspond à l'épaisseur de la masselotte, laquelle a donc été réalisée sans noyau prqprement dit par solidification du matériau de l'extérieur vers l'intérieur. 4g Au-delà de la zone de réaction, délimitant la paroi de la masselotte, le matériau n'a subi aucune modification et le mélange granulé est évacué de l'intérieur de la masselotte par gravité, et est récupéré pour usage ultérieur. (Voir fig. 17c). 5g Afin de durcir la masselotte formée, on prolonge la cuisson (fig. 17d) ; afin d'accélérer et d'intensifier l'opération, on peut avoir recours à divers artifices, notamment à l'introduction d'air chaud à l'intérieur de la masselotte, ou d'un poinçon chauffé à une température de l'ordre de 1500 à 2500 C. 6g On ouvre la boite à noyaux (fig. 17e) et on en extrait la masselotte. 7g La masselotte est enduite d'une couche réfractaire et séchée, pour être mise en stock et utilisée suivant les besoins Indépendamment de l'utilisation du matériau décrit pour la fabrication des masselottes atmosphériques, sphériques et exothermiques, ce même matériau pourra être utilisé pour la réalisation de tous autres genres de masselottes ainsi que de tous autres dispositifs utilisés en fonderie ou pour le traitement de métaux et d'alliages ; sa composition pourra varier selon l'effet désiré, même en deçà ou au-delà des données indiquées plus haut à titre d'exemple pour les réalisations courantes. Parmi les applications autres que la fabrication de masselottes, et dans le cadre de l'invention, on peut citer l'utilisation du matériau pour la fabrication de garnitures exothermiques dans les têtes de lingotières, suivant la fig. 19, ce qui a pour effet de réduire la profondeur de la retassure dans la tête du lingot. Un autre exemple est donné par la fig. 20 qui concerne l'utilisation dudit matériau pour la réalisation de plaquettes exothermiques d'étranglement, facilitant le démasselottage des pièces à ltébarbageO L'invention revendique également toutes masselottes ou dispositifs similaires réalisés entièrement ou partiellement suivant les procédés de fabrication décrits. -REVENDICATiONS - 1.- Masselotte sphérique exothermique, caractérisée en ce qu'elle est constituée en une matière composée de différents ingrédients ayant chacun un effet déterminé, à savoir : matière réfractaire, agglomérant, absorbeur de choc thermique, éléments exothermiques, agent de démoulage, catalyseur. 2.- Masselotte sphérique exothermique, selon la revendication 1, caractérisée en ce que les ingrédients utilisés sont les suivants dans les proportions indiquées - matière réfractaire Sable extra siliceux 100 Kg. - agglomérant Résine phénolique 2 à 20 Kg. Résine naturelle O à 1 Kg. - absorbeur de choc thermique Noir minéral 1 à 15 Kg. - éléments exothermiques Battitures de fer 1 à 25 Kg. Magnésium 1 à 25 Kg. - agent de démoulage Stéarate de calcium : 10 à 100 gr. pour 1 Kg. de résine - catalyseur Hexaméthylène tétramine : 750 à 450 gr. pour 1 Kg. de résine (Le poids indiqué par rapport à celui de la résine est celui d'une solution aqueuse représentant 7 kg d'hexaméthylène tétramine dissous dans environ 11 à 15 litres d'eau). 3.- Masselotte sphérique exothermique, selon les revendications 1 et 2, caractérisée en ce que la matière la constituant est préparée comme suit a) le sable siliceux est porté à une température se situant de préférence entre 110g et 150Q C. b) le sable ainsi chauffé est introduit dans un malaxeur discontinu, en même temps que la poudre ou la limaille de magnésium et les battitures de fer. c) Ensuite, les résines ainsi que le stéarate de calcium sont introduits dans le malaxeur discontinu. Au contact de la chaleur, la résine fond et enrobe sous forme de film chacun des grains du mélange précédemment introduit. d) le catalyseur est introduit sous forme de solution aqueuse dans le malaxeur discontinu. e) La charge se déverse, avec addition du noir minéral, dans le désintégrateur qui brise les mottes, aère le mélange et le véhicule au moyen d'un transporteur à vis d'Archimède. f) le mélange tombe sur des tamis vibrants, puis g) sur des refroidisseurs qui le ramènent à une température normale. h) A la sortie de la machine, le mélange parfaitement flou et sec, est stocké dans des silos pour utilisation ui'rant les besoins. 4.- Masselotte sphérique exothermique, selon les revendications 1, 2, 3, caractérisée en ce que- le processus de fabrication proprement dit, comporte les opérations suivantes a) La boite à noyaux est portée à une température se situant, selon le cas, entre 1500 et 450 C. b) On insuffle, à haute pression, le mélange préparé suivant les indications précédentes, dans la boite à noyaux. c) 1ère phase : Au contact des parois de la boite à noyaux chauffées, et sur une certaine profondeur du mélange, la résine fond et agglomère les grains du mélange. La profondeur jus qutà laquelle se produit cette réaction est fonction de la température et du temps, et est réglée au moyen d'une minuterie. 2ème phase : A partir d'une certaine température, le catalyseur entre en action et, en dégageant du formol, fait durcir la résine. La profondeur à laquelle s'est poursuivie la réaction décrite, correspond à l'épaisseur de la masselotte, laquelle a donc été réalisée sans noyau proprement dit, par solidification du matériau de l'extérieur vers l'intérieur. d) Au-delà de la zone de réaction, délimitant la paroi de la masselotte, le matériau n'a subi aucune modification et le mélange granulé est évacué de l'intérieur de la masselotte par gravité, et est récupéré pour usage ultérieur, e) Afin de durcir la masselotte formée, on prolonge la cuisson ; afin d'accélérer et d'intensifier l'opération, on peut avoir recours à divers artifices, notamment à l'introduction d'air chaud à l'intérieur de la masselotte, ou d'un poinçon chauffé à une température de l'ordre de 150Q à 250Q C. f) On ouvre la boite à noyaux et on en extrait la masselotte. g) La masselotte est enduite d'une couche réfractaire et séchée, pour être mise en stock et utilisée suivant les besoins. 5.- Masselotte sphérique exothermique, selon les revendications 1 à 4, caractérisée par une ou plusieurs pointes atmospheri- ques communiquant avec l'air extérieur, de préférence en forme de pyramide à angles vifs ou autres formes permettant d'obtenir un maximum de points chauds empêchant le refroidissement du métal et la formation d'une croûte coupant le contact avec l'atmosphère. 6.- A titre de produits industriels nouveatx des masselottes et autres objets et dispositifs utilisés en fonderie, garnitures exothermiques pour têtes de lingotières, plaquettes exothermiques d'étranglement facilitant le démasselottage, et autres applications$ constitués dans le matériau préparé selon la revendication 3 et réalisés d'après le procédé selon la revendication 4.