Brevet FR2479044A1 — publié le 19811002

Fusibles pour pièces de fonderie de très haute précision, procédé de fabrication et applications métallurgiques On utilise de manière courante en métallurgie, depuis fort longtemps, le procédé dit à la cire perdue" pour la fabrication de pièces de fonderie. Ce procédé tout à fait classique et connu de l'homme de métier ne sera pas rappelé ici. Malgré son intérêt, ce procédé ancien présente des - nconvenients, le principal tant qu'il ne permet nas de fabriquer des pièces de fonderie de dimensions importantes avec une précision suffisante. Avec ce procédé, on ne dépasse pas 250-300 mm par exemple pour le diamètre d'une roue. Or précisément, certaines industries utilisant des pièces métallurgiques de grandes dimensions requièrent une precision que l'on peut quali:Eier d'absolue. ces exigences se rencontrent par exemple dans le domaine des techniques nucléaires. t' invention présente le grand intérêt de concilier dans de tels secteurs d'activité des exigences jus qu'à ce jour incompatibleè à savoir, par le type de procéde considéré, tolérance extrêmement faible et dimensions importantes. Naturellement, 1' invention permet aussi de fabriquer de petites pièces de qualité identique ou encore supérieure. L'invention repose sur le choix de résines moussées pour former les fusible de fonderie Pour fabriquer une pièce de fonderie, les opérations sont alors les suivantes a) fabrication d'un modèle en bois de la pièce à repor duire b) fabrication, autour de ce modèle, d'un "premier moule", constituant l'outillage, et qui représente l'empreinte exacte de la pièce à obtenir. Ce moule est générale ment constitué de parties démontables. En fonction du nombre de pièces à reproduire, ce moule sera par exem ple en stratifié (époxy, polyester, chargé fibres de verre) ou, Si la série est importante, en métal afin que la précision dimensionnelle puisse être conservée. Ce moule présente des caractéristiques qui seront dé crites ci-après (évents, etc...). c) fabrication séparée d'un "second moule" : ce moule représente sensiblement le même profil, c'est-à-dire la même empreinte, que le premier, mais cette empreinte se déduit de celle du premier moule par une diminution de toutes les dimensions de 5 à 15 mm environ. Cette diminution est fonction de la grosseur et surtout de l'épaisseur de la pièce à couler. d) injection de cire dans ce second moule. On peut égale ment injecter du soufre, ou du polystyrène expansé, le critère du choix du produit résidant dans un bas point de fusion, comparable à celui de la cire, donc de l'ordre de 40-700 C, de préférence voisin de 50 C. Pour des raisons de simplicité, d'absence de pollution, et de prix de revient, on préforer;a utiliser la cire, connue de l'homme du métier. Après refroidissement et démoulage, on obtient donc une pièce en cire (ou soufre,...) reproduisant à un dimensionnement légèrement plus faible, comme indi qué au point c), la pièce à reproduire ; . cette "repro duction" peut ne pas être homothétique. e) Cette pièce en cire (ou soufre,...) est positionnée, de manière et par des moyens connus de l'homme du métier, solidement, dans le "premier moule", générale ment avec des "points de contacts" avec le moule. f) de manière également connue, le premier moule est passé au démoulant classique, et reçoit une couche de contact qui conduira à une plus grande propreté de la pièce : on pourra utiliser de manière connue un "gelcoat", par exemple le produit commercialisé sous le nom de marque "PROCEAL SW 410", qui est un vernis évitant la porosité, chargé (par exemple de talc,etc.); naturellement, on positionnera l'insert en cire dans le moule après ces traitements. a) préparation du mélange moussant spécial, défini ci après h) dès que le mélange moussant est préparé, le couler dans le "premier moule", c'est-à-dire en fait dans l'inter valle existant entre le premier moule et l'insert de cire positionné à l'intérieur. i) moussage et polymérisation. j) démoulage et ébavurage. La pièce ainsi obtenue consiste en un "fusible" d'une précision remarquable, stable, qui peut être utilisé directement en fonderie. L'obtention en fonderie de la pièce métallurgique à reproduire, comprend les étapes essentielles suivantes k) enrobage du fusible obtenu en j) par une matière céramique 1) cuisson de la céramique au four. La montée en température s'accompagne de phénomènes et d'opérations propres à l'invention. Au-dessus du point de fusion de l'insert de cire (de soufre, etc.) et jusqu'à, environ, 1000 C, on provoque la fusion de cet insert : à ce moment, le matériau constitutif de l'insert central ainsi fondu, donc généralement de la cire à l'état liquide, est sorti au niveau des points de contact mentionnés sous e), ce qui forme un espace vide au centre du fusible dont seule subsiste la partie "mousse". La sortie de la cire est favorisée par l'expansion de la mousse sous l'effet de la chaleur. La montée à 800-9000 C environ provoque la destruction du fusible, d'une manière pratiquement complète. On peut à ce moment sortir le produit du four pour évacuer les résidus les plus importants du fusible détruit. On remet au four et on porte jusqu'à 11000 C environ. Les derniers restes de fusible sont éliminés. On obtient ainsi un noyau céramique monobloc permettant la coulée de la pièce finale. Certaines des étapes ci-dessus exigent l'emploi de produits déterminés et/ou de conditions opératoires spécifiques, faisant partie de l'invention et indispensables à sa mise en oeuvre. Ces exigences seront indiquées ci-dessous. Le choix de la mousse obéit à des critères précis. De très nombreuses recherches et de nombreux essais ont été nécessaires à la sélection des types de produits utilisables. En effet, de nombreuses mousses conduisent à de mauvais résultats, ou bien le moussage ne peut pas être contrôlé et provoque l'éclatement du moule, notamment pour les pièces de faible épaisseur, ou encore les mousses sont difficiles ou impossibles à détruire et à éliminer correctement, etc. Les critères suivants ont finalement été arrêtes - la mousse doit être stable - il est absolument essentiel dans l'application envisa gée, que la mousse ne subisse aucun "retrait" dimen sionnel, sinon la tolérance souhaitée ne peut pas être respectée ; la mousse doit subir une "réexpansion" aussi faible que possible lors du chauffage pour limiter ce phénomène de réexpansion, le dosage du mélange moussant de départ doit être effectué comme indiqué ci-dessous, impérativement. la mousse, lors du chauffage au four, doit être "détrui te" vers 700-9000 C, de préférence vers 8000 C-900 C, afin d'être facilement chassée sou9 forme de "cendres", par exemple par un simple jet d'air comprimé. Certaines mousses, au contraire, dans le traitement thermique décrit plus haut et correspondant à 12 application envi sagée, "charbonnent", et forment des blocs impossibles à extraire. outre l'éclatement des moules, l'une des difficultés principales rencontrées a été le fait pour de nombreuses mousses de mousser avec dégagement de chaleur et par conséquent de se rétracter au refroidissement, tandis que d'autres mousses, au contraire, poursuivaient leur expansion longtemps après le démoulage du "fusible", le rendant parfaitement inutilisable. - enfin, la mousse ne doit pas "gazer" la céramique lors du passage au four, ce qui est le cas de certains polys tyrènes. Les produits qui satisfont le mieux l'ensem- ble des critères ci-dessus sont certaines mousses de polyuréthanne,et surtout époxy. Le produit suivant, élaboré à partir de pro duits pour mousse époxy commercialisés par la Société PROCHAL (Lyon, FRANCE) a conduit à des résultats particulièrement excellents a) PROCHAL FW 650 : composant type Araldite ; liquide rouge ; viscosité moyenne 8500 10.000 cPo ; poids spécifique 1,45 1,55 g/cm3. b) PROCHAL HY 650 : durcisseur ; liquide brun foncé basse viscosité environ 1000 cPo ; poids spécifique 0,9-lg/cm3. c) PROCHAL HY 943 : additif. d) PROCHAL DY 650 : liquide fluide ; agent de moussage ; viscosité 30-40 cPb ; poids spécifi que environ 1 g/cm3. Les composants a), b)et d)sont commercialisés ensemble en "pack" ou coffret. Le composant c) est un additif, et d) l'agent moussant. Les proportions qui ont donné toute satisfaction dans les exemples métallurgiques qui seront indiqués ci-après sont : b) 5 à 10 % environ, de préférence : 7 % environ d) 3 à 15 % environ. Cette proportion de produit provo quant le moussage est très supérieure à celle préconi sée gar le vendeur, et est essentielle en particulier pour éviter la réexpansion de la mousse, pour assurer l'équilibre de la pièce et un remplissage correct de l'empreinte ; c) 7-12 %, de préférence 10 %. Les pourcentages ci-dessus sont en poids, et représentent le % du composant considéré par rapport au composant a) de base. Les proportions ci-dessus sont importantes elles ont permis de maîtriser la mousse et de permettre son application au domaine technique considéré. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre et en se référant au dessn annexé sur lequel - la figure unique représente en coupe le fusible selon l'invention, dans le premier moule. On reconnaît dans cet exemple non limitatif un fusible pour ailette. Le premier moule (1) est constitué dans cet exemple par deux parties (A et B) réunies au niveau des joints (5). Plusieurs évents (2) sont ménagés, ainsi qu'un évent principal (3) à la partie supérieure. Le positionnement des évents dépend en partie de la pièce, dans sa forme et ses dimensions,de la température. Ainsi, on fera déboucher un évent dans une zone où, en raison de la forme de la pièce, l'arrivée de la mousse pourrait ne pas être assurée : ainsi, l'évent "attirera" la mousse dans cette zone difficile, ce qui assurera un remplissage parfait de l'empreinte. Le mous sage est effectué de la manière suivante. Lorsque l'insert de cire est solidement positionné, on prépare à l'extérieur du moule le mélange moussant dans l'exemple ci-dessus, on mélangera les composants a, b et c, puis on ajoutera à ce mélange l'agent moussant d. A partir du moment où l'agent moussant est introduit, on dispose évidemment d'un temps très court - 1 à 2 mn pour une ailette - pour couler le mélange dans le moule. On observe la montée de la mousse par l'évent principal 3. Lorsque la mousse atteint sensiblement cet évent, on le ferme par l'obturateur (4), solidement. Les évents secondaires (2) ont alors pour fonction d'assurer l'évacuation du surplus de mousse1 qui se poursuit quelque peu. En fin de moussage, les évents sont auto-obturés par la solidification commençante de la mousse. Le temps d'expansion est de 5 à 10 mn ; on peut atteindre 15 mn au maximum. La polymérisation peut durer de 15 à 40, en moyenne 24 h environ. Le diamètre des évents, et leur nombre, doit être calculé de manière à laisser échapper juste la quantité nécessaire de produit : si trop de produit s'échappe, le fusible terminé ne sera pas assez dense, tandis que dans le cas contraire, le moule subit des contraintes mécaniques trop forte et peut pliex. Lorsque cela sera possible, on utilisera des broches ou tiges d'acier, ou "stubs" calibrées, qui seront positionnées dans les orifices prévus, au fur et à mesure de la montée de la mousse après échappement d'un peu de produit. I1 n'est pas possible de donner ici un diami- tre ou un nombre d'évents : cependant, la connaissance des fonctions remplies par ces évents, exposées ci-dessus en détail, permettra à l'homme du métier de les déterminer simplement pour chaque pièce. Des diamètres de 1 et 0,5 mm ont été utilisés pour des ailettes, ou quelquefois jusqu'à 4 mm. A propos du moule, on notera encore qu'il est possible, notamment lorsqu'il consiste en un stratifié, de le doubler par un revêtement (11) de sable de fonderie d'un type connu, avec adjonction d'une résine. Ce doublage ne doit cependant pas conduire à un moule trop lourd. La résine peut être la résine époxy PROCHAL CY 219. Su la figure 1, l'insert central de cire, préparé séparément dans un second moule, et positionné dans le premier moule (1) d'une manière connue non représentée, a pour référence le chiffre (7). La forme donnée à cet insert sur la figure n'est évidemment pas limiLativew mais seulement indicative, ainsi d'ailleurs que les autres éléments du dessin. On voit que la mousse (6), sauf aux points de contact (12), enveloppe l'insert (7). La mousse comblant les évents n'a pas été représentée dans un souci de clarté. La figure annexée représente la fabrication d'un fusible pour ailette, avec aubage (9) et deux talus (10). Par le procédé selon l'invention, on a par exemple réalisé un fusible pour aubage de largeur 60 mm et de hauteur 320 mm. En fait, la largeur des pièces n'est pas limitée, selon l'invention. Ceci est un avan tage capital dont l'homme du métier appréciera la porte. On est parvenu à fabriquer des noyaux monoblocs de roues, avec une tolérance inférieure au 1/10 mm, de développement 1,40 m et de diamètre 2,40 m environ, en supprimant la nécessité des "entre-noyaux". Selon une variante de l'invention, on peut, lorsque la largeur de la pièce ne dépasse pas 10-15 mm, ne pas utiliser d'insert de cire et réaliser un fusible "tout mousse", grâce au choix de la mousse, exposé ci dessus. Dans tous les cas, la mise en oeuvre de l'invention, et du fusible selon l'invention,permet d'atteindre une tolérance qui peut être couramment aussi faible que le dixième de mm, ou moins. Au surplus, le temps de mise en oeuvre, par exemple pour un aubage, peut être divisé par deux. Pour obtenir une précision absolument rigoureuse, on peut placer par précaution dans le fusible, aux "points de contrôle" quelques "pions" ou inserts (8) calculés au pied à coulisse. On atteint alors la tolérance nulle ou quasi-ntlle. Ces inserts, (non 'utilisés dans les procédés antérieurs) seront en bois ou en mousse. Au traitement thermique précité, ces produits disparaissent avant 1000 C environ. A titre de seconde variante de l'invention, on peut utiliser pour l'insert de cire (7) une cire soluble connue, au lieu de la cire fusible. L'insert de cire est alors éliminé par de l'eau légèrement acidulée, au lieu du chauffage à 1000 C environ de l'étape (1). Dans les deux cas, la disparition dans le fusible de l'insert (7), à l'étape (1), dans les premières minutes du chauffage, laisse un "vide" qui permet, dès la fusion de l'insert et aux températures supérieures, l'expansion supplémentaire de la mousse sans risque d'éclatement du moule, ou déformation. Pour les pièces importantes, ceci est impératif. Ainsi, il est naturellement nécessaire que la cire, ou de manière générale le produit (soufre...) utilisé pour l'insert (7), fonde à une température inférieure à la température de réexpansion de la mousse. Comme le comprendra l'homme du métier, l'insert de cire autorise donc l'emploi de fusibles "mousse" pour des pièces importantes, avec les avantages déterminants liés à ce choix. De manière genérale, les applications de l'invention sont multiples : domaine hydraulique, nucléaire, Electricité de France, diffuseurs, roues, etc. I1 a également été réalisé un périscope de sous-marin. Naturellement, en aval, la fonderie utilisant le fusible selon l'invention peut couler des pièces en un matériau quelconque classique : aluminium, fonte, aciers spéciaux, acier inoxydable etc. REVENDICATION S 1. Fusible pour la fabrication de pièces métallurgiques de très haute précision, dont la forme reproduit exactement la pièce à obtenir en fonderie, caractérisé en ce qu'il est constitué au moins pour la partie périphérique d'une mousse répondant aux critères suivants de sélection - stabilité ; - absence de retrait ; - faible taux de réexpansion au chauffage - destruction en cendres vers 700-900 C, de préférence 800-9000 C - absence de retrait au refroidissement après polymérisa tion ; - cessation de l'expansion après démoulage, soit après 10-40, de préférence 24 h après le début du moussage. 2. Fusible selon la revendication 1, caractérisé en ce que la mousse est une mousse de polyuréthanne. 3. Fusible selon la revendication 1, caractérisé en ce que la mousse est une mousse époxy obtenue a partir des composants caractéristiques suivants a) composant Braldite PROCHAL FW 650 de viscosité moyenne 8500-10.000 cPo, de poids spécifique 1,45 1,55 g/cm3 ; b) durcisseur basse viscosité environ 1000 cpo ; poids spécifique 0,9- 1 g/cm3; PROCHAL HY 650 c) additif PROCHAL Hy 943 ; d) agent moussant viscosité 30-40 cPo ; poids spécif i- que 1 g/cm3 ; PROCKAL DY 650 ; 4.Fusible selon la revendication 3, caractérisé en ce que la mousse époxy est obtenue par mélange de la composition suivante b) 5-10 % environ, de préférence 7 % environ d) 3-15 % environ c) 7-12 % environ, de préférence 10 %, en poids par rapport au composant a). 5. Fusible selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le volume central du fusible consiste en un insert de bas point de fusion inférieur au point de réexpansion de la mousse au chauffage. 6. Fusible selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'insert central de bas point de fusion pressente sensiblement la même forme que le fusible luimême. 7. Fusible selon l'une quelconque des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que l'épaisseur de mousse autour de l'insert central est de l'ordre de 5 à 15 mm, sauf en certains points de contact où existe un affleurement de l'insert central. 8. Fusible selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que l'on place,aux "points de contrôle" de la pièce, des inserts dimensionnés au pied à coulisse afin d'atteindre une tolérance quasinulle ou nulle. 9. Fusible selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'insert de contrôle est en un matériau thermiquement dégradable, bois ou résine époxy. 10. Fusible selon l'une quelconque des revendications 5 à 9, caractérisé en ce que l'insert central consiste en cire de manière préférée, ou en soufre ou polystyrène expansé, la cire pouvant être fusible ou soluble. 11. Procédé de fabrication d'un fusible selon l'une quelconque des revendications 1 à 10,-caractérisé par les étapes suivantes a) fabrication d'un modèle en bois de la pièce à reproduire ; b) fabrication, autour de ce modèle, d'un premier moule comportant des orifices ou des évents décrits au point g); c) fabrication, lorsque l'on utilise un insert central selon la revendication 5, d'un second moule dont l'empreinte correspond audit insert central d) injection dans ce second moule du matériau cons titutif de l'insert central, et démontage de l'insert ;; e) positionnement de l'insert central dans le premier moule, de manière à ménager entre l'insert et l'empreinte l'intervalle décrit à la revendication 7, après traitement de l'empreinte du premier moule par des agents de démoulage et couches de contact classiques; f) coulée autour de l'insert central de la composition moussante décrite à la revendication 3 ou 4 ; les évents étant ouverts g) moussage du produit, les orifices d'échappement du moule étant fermés au fur et à mesure de la montée de la mousse, après échappement d'un peu de produit, par une broche calibrée ou bien, lorsque l'emploi de broches est impossible, des évents de plus petit diamètre étant ménagés, comme les orifices précités, de manière à assurer un remplissage parfait de l'empreinte et un bon équilibre de la pièce, l'évent principal du point haut étant fermé lorsque la mousse l'atteint h) polymérisation et demoulage. 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'insert central est en cire fusible ou soluble, soufre ou polystyrène expansé. 13. procédé selon la revendication 11 ou 12, caractérisé en ce que l'on place aux "points de contrôle" de la pièce , pour assurer une tolérance nulle ou quasi-nulle, des inserts de contrôle thermodégradables. 14. Fusible obtenu par le procédé selon 1 'une quelconque des revendications 11 à 13. 15. Utilisation d'un fusible,selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 ou 14, en fonderie, notamment pour fabriquer des noyaux céramiques monoblocs pour pièces métallurgiques de très haute précision. 16. Pièces métallurgiques de très haute précision, notamment de dimensions importantes, caractériséesen ce que le moule céramique de coulée a été fabriqué par utilisation selon la revendication 15 d'un fusible selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 ou 14, notamment ailettes, pièces hydrauliques.