Brevet FR2476515A1 — publié le 19810828

La présente invention se rapporte au domaine de la coulée sous pression de métaux tels que l'aluminium, le zinc, le magnésium, le cuivre et leurs alliages et elle a pour but de résoudre un problème qui se pose depuis longtemps,à savoir l'ab sence d'une technique de coulée sous pression industriellement cpplicable pour produire des pièces coulées comportant des zones contre- dépouillées. Traditionnellement,la coulée sous pression nécessite des moules ou des matrices qui doivent résister aux températures!. ou pressions élevées auxquelles ils sont soumis. En conséquence, on utilise couramment des métaux ferreux pour fabriquer les moules de coulée sous pression. Comme ces matériaux ne sont pas aisément destructibles,il n'est pas possible de réaliser des parties contre-dépouillées et en relief de forme complexe du fait de l'impossibilité d'enlever la pièce coulée du moule. Dans d'autres procédés courants de coulée, comme ceux qui comportent l'emploi de moules en sable ou de moules demi-permanents,on peut utiliser des noyaux expansibles ou non récupérables du fait que les pressions sont habituellement inférieures à 2,1 kg/cm2 ,par comparaison aux valeurs de plusieurs centaines de kg/cm2 qui sont nécessaires pour la coulée sous pression élevée.La coulée sous ces pressions faibles a permis la mise au point et l'utilisation de noyaux fragiles non récupérables ,ces noyaux étant employés depuis de nombreuses années avec les deux procédés de coulée précités. Un noyau typique est composé de sable de fonderie mélangé à un liant ou une résine. En faisant intervenir un chauffage, un catalyseur ou une réaction chimique, on lie ensemble les grains de sable pour former un noyau profilé qui peut etre utilisé dans le processus de coulée. La chaleur cédée pendant la solidification et le refroidissement des pièces coulées se traduit par un dégagement d'humidité ou bien provoque une désagrégation chimique du liant dans le noyau. Cela permet d'enlever le noyau relativement aisément de la pièce coulée. Des tentatives faites par le passé pour utiliser la technique des noyaux en sable pour la coulée sous pression ont fait appel à des noyaux en verre et en sels solubles. Des techniques de ce genre sont décrites en détail dans le brevet GB 1.179.241 . Elles sont considérées comme insatisfaisantes du point de vue du contrôle de processus,de la rentabilité, de la manutention et des caractéristiques corrosives des sels. Le problème essentiel rencontré lors de la production d'un noyau non récupérable satisfaisant qui est utilisable dans un processus de coulée sous pression élevée consiste dans l'incapacité d'un seul système noyau/liant à remplir simultanément trois conditions essentielles pour un noyau. Ce noyau doit posséder une bonne capacité de démoulage, une bonne résistance à l'érosion et ne pas permettre une pénétration de sa surface par le métal . Une bonne capacité de démoulage est nécessaire pour faciliter l'enlèvement du noyau hors de la pièce moulée. La résistance à l'érosion définit la capacité du noyau à résister à l'érosion produite par l'écoulement rapide du métal pendant la production de la pièce coulée. Non seulement une mauvaise résistance à l'érosion affecte sérieusement les tolérances de la pièce finale, mais le sable enlevé physiquement est noyé dans le métal de la pièce coulée. Une pénétration en surface est causée par la combinaison d'un échauffement et d'une pression élevés qui provoque une désagrégation de la surface du noyau et qui permet une pénétration du métal entre les grains de sable, ce qui entraîne la présence d'un mélange de sable et de métal sur la surface de la pièce coulée. Cette condition a une influence extrêmement perturbatrice sur l'usinage ultérieur et sur la durée de service de l'outillage .En outre,le sable séparé de la surface de la pièce après sa mise en place peut entraîner un endommagement de parties associées, comme le système de lubrification d'un moteur d'automobile. Les noyaux non récupérables qui ont été réalisés par le passé ont présenté soit une bonne capacité de démoulage,en même temps q)'une mauvaise résistance à l'érosion et une mauvaise résistance à la pénétration en surface, soit une bonne résistance à l'érosion et une bonne résistance à la pénétration en surface avec une capacité de démoulage extrêmement mauvaise. L'invention a pour bot de remédier aux inconvénients mentionnés ci-dessus en utilise saint un noyau donnant lieu à l'équilibre nécessaire entre les trois oropriétés précitées. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention seront mis en évidence dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif,en référence à la figure unique annexée qui est une vue en coupe d'un moule diune machine de coulée sous pression et qui met en évidence les zones de la pièce coulée où sont rencontrées les trois difficultés mentionnées cides sus. Un piston 11 est utilisé pour injecter du métal en fusion 12 dont le moule de coulée sous pression est délimité par des éléments en acier 13 et 14 et un noyau en sable 15. I1 est à noter que la pièce moulée finale comprend une zone crtre-dé- pouillée. I1 se produit une pénétration en surface du métal 12 danse noyau en sable 15 le long de la zone représentée par un prisé sombre en 16 sur la figure . I1 se produit un effet d'érosion dans les zones désignées par 17. La capacité de démoulage définit la possibilité d'enlèvement du noyau 15 après solidification de la pièce moulée, son enlèvement hors de la machine de coulée puis son refroidissement à la température ambiante. L'invention a en conséquence pour but de fournir un noyau jetable qui soit compatible avec les températures et pressions élevées se produisant lors de la coulée sous pression de manière à pouvoir produire économiquement des pièces coulées comportant des zones dépouillées. D'autres objectifs et avantages scront mis en évidence dans la suite de la description de l'invention. On a découvert qu'on pouvait utiliser des noyaux cn sable non récupérables pour produire des pièces coulées sous pression comportant des zones contre dépouillées,à condition d'utiliser un agent de liaison contenant du phosphate d'aluminium au bore en quantité comprise entre 3% molaire et 40% molaire ,ces valeurs étant basées sur lesmoles d'aluminium,le rapport molaire entre le phosphore et le nombre total de moles d'aluminium et de bore étant compris entre environ 2:1 et 4:1. Le liant,mélcngé à du sable de fonderie et à un agent de durcissement approprié, forme le noyau. Le noyau peut également être pourvu d'un revêtement pour améliorer sa résistance à la pénétration et au lavage. L'agent de liaison à base de phosphate d'aluminium au bore décrit ci-dessus a été décrit dans le brevet US 3.930.872. Plus particulièrement,on spécifie dans ce brevet que le liant comprend un phosphate d'aluminium au bore contenant du bore intervenant en quantité comprise entre environ 3% molaire et 40% molaire ,ces valeurs étant basées sur les moles d'aluminium,le rapport molaire -entre le phosphore et le nombre total de moles d'aluminium et de bore étant compris entre environ 2:1 et 4::1, une matière formée d'un métal alcalino-terreux et d'un oxyde, et de l'eau .Cet agent s'est avéré avantageux pour améliorer la capacité de démoulage dans le domaine de la coulée sous pression,lorsqu'il intervient en quantités comprises entre environ 0,3 et 3,5% en poids de sable de fonderie. I1 est préférable d'utiliser une teneur comprise entre environ 1,0 et 3,5% lorsqU'oSfmgloie un sabre de fonderie en m en moyenne siliceux d'une finesse corresDondanr-à AFS N 6aZ La valeur minimaie est nécessaire pour permettre au noyau de résister suffisamment aux manipulations ultérieures tandis que la limite supérieure ne doit pas être dépassée à cause du problème de soufflage se produisant au cours de la fcbrication du noyau et causé par une densité non uniforme en relation avec un écoulement irrégulier du sable et une réduction inacceptable de la capacité de démoulage. Lorsqu'on utilise des sables de fonderie assez lourds tels que des sables à base de zircone ,il faut employer moins de liant, notamment une quantité comprise entre environ 0,3 et 1,5%. Les limites supérieures et inférieures sont choisies en faisant intervenir les mêmes raisons que pour les sables siliceux, Il est évident que l'utilisation d'autres sables de fonderie couramment employés et ayant des densités différëntes de celles des sables précités rentre également dans le cadre de l'invention.Il est évidemment nécessaire d'utiliser avec ces autres sables des quantités de liant compatibles avec la densité. L'agent de durcissement doit intervenir en quantité suffisante pour faire durcir le liant et conférer ainsi la résistance nécessaire au noyau pour permettre sa manutention et sa mise en place sans dommage dans la machine de coulée sous pression. Lorsqu'on utilise dans le noyau en sable un agent de durcissement tel que le matériau contenant un métal alcalinoterreux et un oxyde et qui fait l'objet du brevet US 3.930.872 mentionné ci-dessus,on doit utiliser une teneur en agent de dur cissement comprise entre environ 10 et 20% de liant. Quand on diminue la quantité d'agent de durcissement, tel que celui du brevet américain précité,la durée de service augmente. Cependant cet avantage est contrebalancé par une réduction de la capacité de démoulage et de la résistance mécanique du noyau.On a envisagé d'utiliser d'autres agents connus de durcissement, tels que de l'ammoniac gazeux, dans le noyau en sable selon l'invention. Il peut éventuellement exister de l'oxyde de fer, sous la forme de Fe203,dans le noyau en sable en vue d'améliorer encore les propriétés de durcissement et de capacité de démoulage cet oxyde pouvant intervenir en quantité comprise entre 1 et 4% Une quantité de Fe203 supérieure à 4% se traduit par une perte indésirable de la résistance mécanique du noyau. Comme cela a été revendiqué dans le brevet US 3.930,872,de l'eau est incorporée au noyau en sable, dans le but précisé dans ce brevet et en quantité comprise entre 15 et 50%, ces valeurs étant basées sur le poids total de phosphate d'aluminium au bore et d'eau, Pour préparer le noyau non récupérable selon l'invention,il suffit de mélanger intimement le liant,l'age solide de durcissement et éventuellement le Fe203 au sabl - de fonderie.Au cas où on utilise un agent de durcissement gaz-- à la place d'un agent solide, on mélange le liant t le F 'e#,' le sable puis on fait passer l'agent de durcissement gazeux au travers du mélange pour amorcer le durcissejnent du liant, Après préparation,le noyau peut hêtre pourvu d'un revêtement pour améliorer encore ses propriétés en ce qui concerne la résistance à l'érosion et la résistance à la pénétration en surface. Les matières de revêtement de noyau comprennent généralement un agent de mise en suspensionune matière réfractaire, un agent de liaison et un solvant. Comme agents de mise en suspension,on utilise habituellement de l'argile ou des dérivés de l'argile. Ces matières doivent intervenir en quantités suffisantes pour remplir la fonction du maintien de la matière réfractaire en suspension.Ces agents peuvent intervenir en quantités comprises entre environ 4 et 30% du poids total de substances solides. Comme matières réfractaires sous forme de particules pouvant être utilisées dans le revêtement de noyau,on peut citer, sans que cette énumération soit limitative,le graphite,la silice,l'oxyde d1 aluminium, l'oxyde de magnésium,l'oxyde de zirconium et le mica. Ces matières interviennent en quantités généralement comprises entre environ 60 et 95% du poids total de substances solides. La masse de particules est liée intimement en utilisant des liants tels que des résines thermoplastiques. Des liants utilisables dans la mise en oeuvre de l'invention interviennent d'une façon générale en quantités comprises entre environ 1 et 10% du poids total de substances solides dans la composition de revêtement. Les liants et les agents de mise en suspension doivent être compatibles avec le solvant utilisé,qui peut être un liquide organique.Le solvant doit intervenir en quantités permettant d'établir la viscosité nécessaire pour cS trôler l'épaisseur et l'uniformité du revêtement. Les revêtements de noyaux pour pièces coulées sous pression sont plus critiques que des revêtements de noyaux intervenant dans d'autres procédés de coulée. Le revêtement de noyau doit posséder la propriété de pouvoir obturer pratiquement complètement les pores existant sur la surface du noyau. Du fait que, dans ce procédé de coulée, le métal en fusion est mis en pression,une porosité existant sur la surface du noyau permet la pénétration du métal en fusion et a pour conséquence que du sable adhère à la surface de la pièce brute de coulée. Un dépôt du revêtement approprié sur le noyau permet d'obtenir un fini superficiel qui empêche toute pénétration du métal en fusion dans le noyau en sable. Une composition typique de revêtement de noyau contient,sur la base du poids total en substances solides,de 4 à d'un d'un agent de mise en suspension à base de bentonite traité par Amine, de 1 à 10% d'un agent de liaison à base de résine thermoplastique et de 60 à 95% d'une substance réfractaire telle que de la silice ou un matériau semblable. Les constituants précités, sous forme pulvérulente, sont mélangés avec une quantité suffi sante d'un liquide organique formant véhicule pour produire la viscosité nécessaire qui donne au revêtement ,après séchage,l'épaisseur désirée et qui scelle les pores existant sur la surface du noyau. Un autre revêtement de noyau qui s'est avéré satisfaisant pour être utilisé en combinaison avec le système de liaison conforme à l'invention est celui décrit dans le brevet US 4.096.293. Plus particulièrement, une matière de revêtement ayant une viscosité suffisante pour sceller pratiquement tous les pores de la surface du noyau et convenant pour obtenir un revêtement d'une épaisseur et uniformité permettant d'établir une bonne résistance au lavage et à la pénétration en surface pendant l'opération de coulée sous pression,se compose d'environ 5 à 90% d'un solvant liquide organique, de 0,1 à 2% d'un agent de mise en suspension de 5 à 80% de particules d'aluminate de calcium ayant une granulométrie moyenne de 20 à 25 microns,et dont aucune n'a des dimensions supérieures à 70 microns,et une résine dure qui est le produit de réaction d'acide fumarique,de colophane et de pentaérythritol,ladite résine intervenant avec un rapport pondéral compris entre environ 0,5 et 5 parties pour îoe parties de composition,tous les pourcentages-étant exprimés en poids de la composition. On peut éventuellement ajouter un agent de mouillage en quantité comprise entre environ 0,01 et 2%. Après la fabrication du noyau dans une bote appropriée et après son enlèvement,on dispose d'un noyau suffisamment résistant pour être manipulé. On dépose ensuite un revêtement sur le noyau par étalement à la brosse, par immersion,par pulvérisation ou par un procédé équivalent. Une fois que le revêtement est sec, on place le noyau dans une matrice installée dans une machine de coulée sous pression. La partie en acier de la matrice forme la partie de profilage de pièce métallique qui n'est pas constituée par le noyau. On place le noyau dans cette matrice et on le fixe à l'aide de broches,d'empreintes ou d'autres méthodes bien connues des spécialistes. La matrice est ensuite fermée de façon à emprisonner le noyau dans une position fixe et on injecte alors du métal en fusion dans la matrice Pendant le processus de solidification du métal dans la matrice, de la chaleur est cédée par la pièce moulée. Une partie de cette chaleur pénètre dans le noyau et augmente sa température. Cet échauffement assure. la désagrégation du liant et élimine l'humidité résultante. Une fois que le métal fondu s'est solidifié dans la matrice, la machine est ouverte et la pièce moulée produite ainsi que le noyau jetable sont enlevés. Lors d'un refroidissement à la température ambiante,le noyau peut être enlevé mécaniquement. On a donné dans la suite des exemples destinés à illustrer différentes applications de l'invention. EXEMPLE 1 On a moulé sous pression un alliage d'alúminium ou profilé indiqué sur la figure jointe,en utilisant un noyau contenant du sable de fonderie à base d'oxyde de zirconium(finesse AFS N 120,)(0,127 mm en moyenne),du liant intervenant en pourcentage correspondant à 1,25% en poids de sable et un durcisseur alcalinoterreux tel que décrit ci-dessus et intervenant à raison de 20% du poids de liant. On a ensuite revêtu le noyau de deux couches de la composition de revêtement définie ci-dessus. On a enregistré qu'on obtenait une bonne résistance au secouage lors d'une séparation mécanique du noyau par rapport à la pièce moulée avec refroidissement à la température ambiante. Le noyau a présenté une bonne résistance à la pénétration en surface et une bonne résistance à l'érosion. EXEMPLE 2 On a moulé sous pression un alliage d'aluminium sous la forme d'une pièce de pompe comportant une partie en forme de serpentin et on a utilisé un noyau contenant du sable siliceux de fonderie (finesse AFS n065 ( 0,232 mm en moyenneY,du liant conforme à l'invention à raison de 2,5 % en poids de sable , et un durcisseur alcalino-terreux tel que précédemment décrit et intervenant à raison de 20% du poids de liant. On a revêtu le noyau de deux couches de la composition de revêtement précédemment définie. On a obtenu une bonne capacité d'extraction lors d'une séparation mécanique du noyau par rapport à la pièce moulée après refroidissement à la température ambiante. Le noyau a présenté une bonne résistance à la pénétration en surface et une bonne résistance à l'érosion. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'une pièce moulée sous cdntre- pression, comportant une zone/dépouillée,à partir de métal en fusion, dans lequel on injecte du métal en fusion dans un moule comportant une surface de moulage qui comporte au-moins un noyau en sable non récupérable et forme une zonCey-Stérpeouillée de ladite pièce moulée,on laisse le métal fondu injecté se solidifier le long de la surface de moulage pour former une pièce moulée sous pression, on enlève la pièce moulée du moule et sépare cette pièce du noyau';; caractérisé en ce que ledit noyau contient essentiellement de 0,3 à 3,5% ,basés sur le poids de sable de fonderie,d'un liant se composant essentiellement d'un phosphate d'aluminium au bore contenant du bore en quantité comprise entre environ 3 et 40% molaire,ces valeurs étant basées sur les moles d'aluminium, le rapport molaire entre le phosphore et le nombre total de moles d'aluminium et de bore étant compris entre environ 2:1 et 4::1, une quantité d'agent de durcissement approprié pour réagir avec le phosphate d'aluminium et pour faire durcir le liant à un degré tel que le noyau puisse être manipulé sans dommage, et de l'eau en quantité comprise entre 15 et 50% en poids,basée sur le poids total du phosphate d'aluminium au bore et de l'eau,le complément étant constitué essentiellement de sable de fonderie. 2. Procédé selon la revendication l,caractérisé en ce que le sable de fonderie estconstitué par du sable siliceux et en ce que ledit liant intervient en quantité comprise entre environ l,O et 3,5%. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit sable de fonderie contient du sable à l'oxyde de zirconium et en ce que ledit liant intervient en quantité comprise entre environ 0,3 et 1,54o. 4. Procédé selon l'une des revendications l à 3, caractérisé en ce que ledit agent de durcissement de noyau en sable se compose essentiellement d'une matière alcalino-terreuse contenant un métal alcalino-terreux et un oxyde en quantité comprise entre 10 et 20% du poids de liant. l'une que conque 5. Procédé selon/deSrevendicationsl à 4, caractérisé en ce que le noyau contient du Fie203 intervenant en quantité comprise entre 1 et 4% du poids de sable de fonderie. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5,caractérisé en ce que ledit noyau est revêtu d'une matière de revêtement ayant une viscosité suffisante pour sceller pratiquement tous ies pores superficiels du noyau et en ce que ladite matière de revêtement se compose essentiellement de 4 à 30% d'un agent de mise en suspension,de 60 à 95% d'une matière réfractaire sous forme de particules,de 1 à 10% d'un agent de liaison et d'une quantité appropriée d'un véhicule destiné à réagir avec l'agent de suspension et l'agent de liaison pour établir une viscosité appropriée pour obtenir une épaisseur et une unité de revêtement permettant d'établir une bonne résistance au lavage et à la pénétration en cours de coulée sous pression. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5,caractérisé-.n ce que ledit noyau est revêtu d'une matière ayant une viscosité suffisante pour sceller pratiquement tous les pores de la surface dudit noyau et convenant pour établir une épaisseur et une uniformité de revêtement permettant d'obtenir une bonne résistance au lavage et à la pénétration en cours de coulée, ladite composition contenant essentiellement de 5 à 90% d'un solvant liquide organique, de 0,1 g 2% d'un agent de m-.se en suspension,de 5 à 80% de particules d'aluminate de calcium ayant une granulométrie moyenne comprise entre 20 et 25 microns et qui n'ont aucune dimension supérieure à environ 70 microns, et une résine dure qui est le produit de réaction d'acide fumarique,de colophane et de pentaérythritol,ladite résine intervenant avec un report pondéral compris entre environ 0,5 et 5 parties pour 100 parties de composition ,tous les pourcntaes étant exprimés en fonction du poids de la composition.