Brevet FR2081152A1 — publié le 19711203

La présente invention concerne un procédé permettant de réduire les défauts de surface de pièces noulées dans un moule à empreinte définie par des surfaces en graphite,caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement: à appliquer sur lesdites surfaces un revêtement conportant un oxyde réfractaire, d'une épaisseur d'environ 0,13 à 1,15 mm, à maintenir pendant le revatement le moule à une température de 120 à 2050C environ , puis à couler de l'acier dans l'empreinte , après avoir maintenu le moule à plus de 1000C entre l'application du revêtement et la coulée. Les pièces noulées présentent souvent des surfaces irrégu hères ou rugueuses, ceci pour diverses raisons, entre autres défauts de surface de l'empreinte. Les défauts de surface de l'empreinte peuvent provenir de ce que le revêtement de l'empreinte a été mal appliqué ou n est pas de nature convenable,de sorte que , pendant la couléejdes fragments ou particules s'en détachent et que sa surface devient irrégulière. Des pièces moulées qui présentent des défauts de surface dolent subir un traitenent leur conférant l'état de surface désirable et nécessaire,mais ce traitement est très long et, en conséquence, coûteux: en outre, même après ce traitement, l'état de surface de la pièce laisse parfois à désirer. En conséquence,la présente invention a essentiellement pour but de proposer un procédé permettant d'atténuer les défauts de surface d'une pièce moulée dans un moule en graphite,grace à un revêtement particulier et un mode particulier d'application du reveterent. On va maintenant exposer en détail la composition du revête- ment à appliquer au moule,le mode d'application de ce revêtement, ainsi que le mode de coulée à titre d'exemple de mise en oeuvre de 1 t invention. L'invention est particulièrement applicable aux moules en graphite.Le graphite a une haute conductibilité thermique et, à mesure que le métal fondu pénètre dans l'empreinte du moule,le prélèvement de chaleur rapide qu'il subit y fait souvent apparat- tre des rides et autres défauts de surface dans le métal fondu alors en cours de solidification sur la surface de l'empreinte.Ces rides et autres défauts sont extrêmement gênants et leur présence oblige à soumettre,comme noté plus haut,la pièce moulée à un traitement de surface.Le revêtement suivant l'invention constitue entre le métal coulé et le graphite un écran thermique efficace, son mode d'application augmentant encore cette efficacité et le mode de coulée contribuant à éviter l'apparition de rides et autres défauts dans le métal coulé. Pendant la coulée, les métal fondu doit, pour obtenir un moulage parfait, passer à l'état statique avant de se solidifier-cas, si l'une de ses fractions se solidifie avant d'atteindre cet état, la pièce moulée ntépouse pas parfaitement la forme de l'empreinte. L'invention est particulièrement applicable à la coulée sous pression en source consistant à introduire le métal fondu dans le moule par la base, par opposition à la coulée en chute consistant à couler le métal par le sommet du moule. En outre, pendant la coulée, le métal fondu ne doit pas attaquer le revêtement au point de l'abimer en en détachant des particules, c-e qui fait apparaître sur la pièce moulée des excroissances correspondant/ dépressions de la surface de l'empreinte. Dans le revêtement suivant l'invention,le-constituant le plus important est un oxyde réfractaire tel que l'alumine (Al2O3) ou la silice (Si02). L'alumine est préférable dans la plupart des cas, notamment pour la coulée de grosses pièces en acier à haute température et avec gros apport de chaleur,bien que d'autres matériaux se révèlent satisfaisants par exemple la zircone (ZrO2) et diverses combinaisons dô ces oxydes. On ramène par broyage la granulométrie des particules d'oxyde réfractaires à une valeur très faible,qui peut ne pas dépasser 2 . L'idéal serait que la granulométrie soit complè- tenent uniforme;toutefois ,les grosseurs de grain peuvent varier beaucoup,par exemple entre 2 et 30,bien qu'une gamme de 5 àl5 qu'on peut obtenir sans difficultétassure de meilleurs résultats. On a constaté que plus la granulométrie des particules est unifor- - me, moins le rev8tement est conducteur de la chaleur. On a aussi constaté que si l'on broie le réfractaire de manière à ce que la granulométrie soit à 90% comprise dans la gamme désirée,par exemple de 2 à 30 ,ou, mieux, de 5 à 15 ,le revêtement est très efficace. Il est désirable que le revatement ait- une faible conductibilité et assure donc une bonne isolation thernique,afin que pendant la coulée dans le moule, le métal fondu ne subisse pas un prélèvement de chaleur rapide qui le ferait se solidifier au cours de la coulée. Autrement dit,la chaleur doit demeurer le plus possible dans le métal fondu jusqu'à ce que la coulée soit terni née et l'empreinte remplie. Le revêtement suivant l'invention assure ce résultat de manière particulièrerlent efficace. Les liants incorporés aux revêtements de moule affectent fortement le coefficient de transmission de chaleur du revêtement. L'un d'eux appelé "VeeGum", qui est un corps micacé,a té essayé et a donné un revêtement à texture assez lâche, tandis que de l'alumine colloïdale donne un revêtement très dense. Dans les mêmes conditions,une même quantité de chaleur est transmise en 48 secondes par le premier revêtement t en 29 secondes par le second, ce qui indique que ce dernier cstplus conducteur de la chaleur. On constate qu'une addition d'argile figuline à raison de 0,25 à 4 % assure une adhérence suffisante pour bien des applications et donne encore un revêtement peu dense,une dose d'environ 0,1% étant satisfaisante pour la plupart des applications. En ce qui concerne la température de la surface de moule à revêtir, étant donne qu'on projette une suspension aqueuse du revêtement sur cette surface, la quantité dc chaleur doit entre suffisante pour vaporiser l'eau,mais sans que la vaporisation soit assez violente pour entraîner le revêtement . Pour du graphite, la limite supérieure de température est de préférence de 163 à 205 C, selon la nature du liant et de la technique de projection utilisée.Un autre maximum de densité du revêtement apparat quand la surface est à une température de 82 à 107 C. Â ces températures modérées, l'eau no bout pas dès contact avec la surface et la vaporisation a licu à partir de la face extérieure du revXetement, ce qui permet au natériau solido de former une couche compacte et extrêmement dense. Dans ces conditions de dèssiccation , on voit encore de la vapeur d'eau émaner de la surface 10 à 15 secondes après projection. La projection opérée sur un moule en graphite à température trop faible eut avoir un autre effet fâcheux: le graphite capte et retient de l'eau,sous ferme dc vapeur,à des températures dépansant le point d'ébullition de l'eau. L'expérimentation montre que le graphite retient pendant un certain temps de la vapeur d'cau à des températures atteignant 205 C. @u-delà de 163 C, ce temps est de l'ordre de 15 minutes ou moins,tandis qu'en deçà de 120 C, la vapeur d'eau est encore retenue au bout d'une heure. Suivant l'invention,en applique de préférence le revtte- ment sous forme de suspension aqueuse à rapport particules solides! eau tel que la viscosité soit voisine dc celle de l'eau.On pro jette la suspension à l'aide d'un pistolet,qui peut cotre pneuna- tique ou hydraulique. Le revêtement adhèrc à la surface du ioule de la façon suivante;l'eau projetée se vaporise peu après contact, laissant une couche de particules solides retenue sur la surface par le liant incorporé à la composition.Si le moule est trop chaud,uno pellicule de vapeur empêche les gouttelettes d'eau contenant les particules solides d1entrer en contact intime avec la surface du moule, et le revêtement n'adhèrc pas. A température trop faible, la suspension projetée nouille la surface et coule; en outre,la vaporisation est trop lente et n'a lieu qu'à partir de la face extérieure du revetement. Si l'on applique le revAetenent cn plusieurs couches,on peut faire en sorte que l'eau se vaporise lentement sur la surface du moule pendant la projection de la première couche,puis à des niveaux progressant vers l'extérieur à mesure qu'on projette de nouvelles couches. Quand la vapeur s'échappe de cette manière du revêtement non sec,le revêtement est moins dense et d'épaisseur plus uniforne. ta vitesse d'application du revêtement est limitée par le taux auquel la chaleur peut vaporiser l'eau présente à la surface du moule. Le temps de vaporisation augmente avec l'épaisseur du revêtement.On peut appliquer au pistolet la plupart des compositions sur une épaisseur de 0,04 à 0,13 mn par couche,une épaisseur de 0,08 mn donnant d'excellents résultats dans la plupart des cas. Le temps nécessaire à la vaporisation dè lteau contenue dans une seule couche est d'environ 1 seconde.Comme les autres paramètres, l'épaisseur finale du revêtement dépend dans une certaine mesure du genre de moule utilisé. Par exemple,pour des moules à empreinte rectangulaire, elle peut être de 0,13 à l,15mm, mais on peut bien entendu s'écarter de ces valeurs.D'une manière générale, plus le revêtement du moule est épais,plus le prélèvement de chaleur est faible et plus la solidification superficielle de la pièce moulée est lente. Pour n'importe quel moule,il importe que l'épaisseur de revê- tement soit uniforme sur toute la surface de l'empreinte pour que la pie ce moulée subisse un prélèvement de chaleur uniforme,car l'irrégularité du prélèvement de chaleur est une cause majeure do fissuration superficielle dc la pièce moulée. le 1-atériau réfractaire incorporé au revêtement doit supporter les h@utes températures cou@antes de coulée d@ l'acier et résis ter à l'attaque chimique par l'acier fondu. Le liant doit être do nature à faire adhérer le matériau réfractaire à la surface du moule, même à faible dose. Comme le matériau réfractaire,il doit résister à l'hydratation et ne pas affecter le caractère réfractaire du revêtement. Les liants qui se sont révélés à l'essai les plus satisfaisants sont diverses argiles figulines. La bentonite donne un revêtement très dense, mais contient une certaine quantité d'eau, de sorte qu'elle ne fi guru. pas parsi las- meilleurs liants. Les agents de suspension et de dispersion sont d'importance secondaire, car ils n'affectent que très peu les propriétés du revotenent. Les agents de suaçonsion comportent en gznéral un gel destiné à retarder le dépit des particules solides réfractaire res dans a suspension projetée. On les utilise en général à une dose inférieure à 0,5 %. L'agent de dispersion ou électrolyte sert à éviter l'agglomération des grains de matériau réfractaire. I1 influence ainsi la granulométrie apparente de l'oxyde,ce qui facilite la mise on suspension.De plus,la dispersion complète des particules réduit la densité du revêtement. Pour guider le choix des proportions des divers constituants,on a indiqué ci-dessous diverses compositions typiques: 1. SiO2 : 2400 g "VeeGun" : 24 g (liant) Carboxy-méthyl-cellulose : 2,4 g (agent de suspension) Eau : 1000 à 2000 cm3 2. Al2O3 : 2100 g -Argile figuline : 21 g Carboxy-méthyl-cellulose : 2,1 g Acide acétique : 2,5 g (agent de dispersion) Eau : 1000 à 2000 cm3 3.Al2O3: 2100 g Argilc figuline :- 42 g Carboxy-méthyl-cellulose : 2,1 g Acide acétique : 2 g (agent de dispersion) Eau :1000 à 2000 c@3 La vitesse de coulée du métal fondu dans le moule joue un rôle important dans la détermination des effets exercés pendant la coulée sur la pièce moulée. L'exp@rimentation a montré que l'état de surface de la pièce moule varie avec la vitesse de coulée.On constate qu'une coulée lente tend à rendre la surface dc la pièce moulée rugueuse et qu'uno coulée rapide accélère l'usure du moule. t1 usure du moule resultc d'une érosion mécani- que du revêtement du moule, suivie de réactions chimiques, d'une dissolution et d'une érosion mécanique subies par le graphite ta vitesse de coulée à adopter dépend de divers facteurs:par exemple, nuance de l'acier à couler, épaisseur de la pièce moulée etc.Les divers résultats obtenus en faisant varier la vitesse de coulée peuvent s'expliquer,par exemple, dc la nanièro sul- vante: pend@nt qu'il remplit le moule, le métal doit contenir un certain excédent de chaleur le maintenant au-dessus dc la tempé- rature de solidification. Cette chaleur passe du métal fondu dans 1 moule ct, quand la quantité de chaleur contenue dans le métal tombe au-dessous d'une valeur donnée,le métal risque de se solidifier prématurément, avant d'avoir convenablement rempli le moule. Plus la masse de métal fondu présente dans le moule est impertan- to, plus l'excédent de chaleur est grand et la vitesse de prélèvement de chaleur par le moule est proportionnellement plus faible que pour des masses moins importantes. En conséquence, d'une manière générale et toutes choses égales d'ailleurs, plus la masse de métal fondu est importante, plus la vitesse de coulée admissible est faible , "l'importance" de la masse dans ce cas étant proportionnelle à l'espacement des parois c moules opposés les plus voisines.Un autrc fadteur affecte la vitesse de coulée: les aeiers au carbone contiennent pondant la coulée normale, moins de chaleur excédentaire que les aciers inoxydables et il faut les couler plus rapidement quo ces dernicrs pour obtenir le même résultat, c'est-à-dire évitor la solidification prématurée. La vitesse dc coulée van aussi d'après les dimensions ct la nature do l'empreinte du moule. Par exemple,pour des moules à empreinte rectangulaire,on peut couler le métal de manière à ce qu'il monte dans le meule à raison de 1,28 à 12,82 cm/s La vitesse de coulée doit autre inversement proportionnelle à la largeur de l'empreinte,c'est-à-dire à l'espacement de ses facs opposées les plus voisines pour une cavité rectangulaire . Plus cet espacement est faible,plus la coulée doit être rapide. D'une manière générale,la coulée est plus rapide pour des pièces noulées circulaires de diamètre donné que pour des pièces rectangu. laires, de largeur égale audit diamètre. Dans le cas d'une empreinte rectangulaire et pour la coulée d'aciers inoxydables des séries 200,300 et 400 de l'"American Iron and Steel Institute" une vitesse de coulée très satisfaisante est celle faisant monter le métal à raison du 2,56 em/s # 25%, tandis que pour des aciers à basse teneur on carbone et faiblement alliés,une vitesse de montée de 4,05 cm/s # 25% se révèle parfaitement convenable. Bien entendu,on pourra apporter, au mode de mise en oeuvre décrit ,diverscs modifications et variantes,dans le cadre défini par les revendications ci-dessous. -REVENDICATIONS 1. Procédé ermettant d'atténuer les défauts de surface dc pièces moulées dans un moule à empreinte définie par des surfaces en graphite,caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement:à appliquer sur lesdites surfaces un revêtoment,comportant un oxyde réfractaire, d'une épaisseur d'environ 0,13 à 1,15 mm, à maintenir pendant le revêtement le moule à une température dc 120 à 205 C environ,puis à couler de l'acier dans l'empreinte , après avoir maintenu le moule au-delà de 1000C entre l'application du revête- mont et la coulée. 2. Procédé selon la revendication l,caractérisé eu ce qu'on maintient le moule à une température d'environ l490C entre l'application du revêtement et la coulé. 3. Procédé selon la revendication 1 d'atténuation des défauts dc surface de rièces moulées dans une série de moules dont les empreintes présentent des espacements divers entre parois opposes, caractérisé en ce quton fait varier la vitesse dc coulée en proportion inverse de ces espacements. 4. Procédé selon la revendication 3 pour l'atténuation des défauts de surface de pièces moulées par coulée en source,caractérisé on ce que la vitesse de coulée est telle que 1 métal nontc dans le moulue à raison d'environ 1,28 à 12,82 cm/s. 5. Procédé selon la revendication 4,caractérisé en ce que, pour des aciers inoxydables des séries 200,300 et 400 de"l'Ameri- can Iron and Stccl Institute" ,la vitesse de coulée est telle que le étal nonte dans le moule à raison d'environ 1,92 à 3,2 cm/s. 6 , @rocédé selon la revendication 4,caractérisé en ce que, pour dos aciers à basse teneur on carbone ct faiblement alliés, la vitesse de coulée est telle que le métal monte dans le moule à raison d'environ 3,04 à 5,06 cm/s.