Brevet FR2530512A1 — publié le 19840127

La présente invention se rapporte d'une manière générale à un procédé de fabrication de pièces moulées, et concerne plus particulièrement une nouvelle technique de traitement thermique de ces pièces. Elle vise également un dispositif pour l'exécution de ce procédé, ainsi que les pièces moulées obtenues à l'aide de ce procédé et/ou de ce dispositif. I1 est connu depuis très longtemps de fabriquer des pièces moulées métalliques ou autres, en introduisant un matériau fondu dans un moule approprié où ledit matériau formera, après refroidissement, la pièce moulée que l'on désire. Plus précisément, dans le cas où l'on utilise un alliage métallique, la fabrication des pièces moulées à partir de cet alliage s'effectue jusqu'à-present en deux temps, généralement. L'alliage, à l'étant fondu, est tout d'abord coulé dans le moule. I1 s'y solidifie, puis s'y refroidit progressivement jusqu'à la température ambiante ; ce après quoi on procède à l'opération de démoulage ou décochage. Ensuite, la pièce moulée devant généralement subir un traitement thermique, il convient par conséquent de la réchauffer à une température supérieure à la température ambiante pour lui faire subir un cycle thermique approprié et qui est fonction de l'alliage consideré et des qualités de la pièce moulée que l'on veut obtenir, étant bien entendu que l'intervalle de températures du traitement thermique adopté sera toujours compris entre la température ambiante et la température de solidus de l'alliage considéré. Cependant, un tel processus en deux temps, de fabrication d'une pièce moulée à partir d'un alliage métallique présente de nombreux inconvénients. En effet, l'étape de refroidissement de l'alliage dans le moule n'est pratiquement jamais contrôlée ou programmée. C'est dire que le refroidissement s'effectue naturellement et d'une façon plus ou moins aléatoire, car il est en fait toujours lié à l'inertie thermique du moule, de sorte que, au total, les pièces ainsi moulées par un tel refroidissement aléatoire, peuvent déjà présenter des défauts de structure ou autres. En outre, la phase de traitement thermique ou de réchauffage de la pièce pour la soumettre à un cycle thermique choisi constitue une opération supplémentaire qui présente de nombreux inconvénients dont certains seront énumérés ci-après - La pièce moulée doit autre, après refroidissement, extraite du moule puis traitée par un appareillage séparé pour la soumettre au cycle thermique en question, ce qui, comme on le comprend, exige une manutention particulière et un temps de main d'oeuvre coûteux. c X csltcis lc-sute'uc çvlsS=Sc réchauffer la pièce moulée et refroidie exige bien sûr un apport d'energie calorifique considérable puisqu'il convient de porter la pièce à la température de début de cycle thermique, c'est-à-dire à une température très élevée quissans nécessairement llatteindre, se rapproche de la température que l'on avait en fin de solidification dans le moule. Il en résulte que l'on est loin de satisfaire aux exigences d'économie d'énergie que l'on recherche à l'heure actuelle. - Au surplus, la montée en température de l'alliage ainsi que le cycle thermique en général nécessitent un temps relativement long de sorte que non seulement l'énergie calorifique à fournir doit être importante, mais que la pièce finie demeure coûteuse. La présente invention a pour but de remédier à tous les inconvénients ci-dessus ainsi qu'à d'autres en proposant un nouveau procédé et dispositif de fabrication de pièces moulées, à partir d'un liquide appelé à se solidifier, tel que par exemple un alliage quelconque, lequel procédé et dispositif permettent notamment de réaliser des économies d'énergie et de temps de fabrication considérables, et de conférer à la pièce moulée toutes les qualités recherchées. A cet effet, l'invention a essentiellement pour objet un procédé de fabrication de pièces moulées, et du type consistant à utiliser un matériau fondu, tel que par exemple un alliage métallique, que l'on coule dans un moule où ledit matériau formera, après refroidissement, la pièce moulée, caractérisé en ce qu'on interrompt ou ralentit le processus de refroidissement d'au moins une partie du matériau dans le moule par apport d'énergie calorifique au matériau solidifié, de façon à maintenir ledit matériau en température de début de traitement thermique et à pouvoir ainsi lui faire subir, par la suite, dans le moule un traitement thermique ou un refroidissement contrôlé, avant que ledit matériau ne soit finalement démoulé. On comprend donc déjà que le matériau se trouvant à haute température en fin de solidification, on tire avantage de l'existence de cette haute température que l'on maintient et qui marque le début d'un cycle de traitement thermique ou de refroidissement à tout moment contrôlé, du matériau. Ainsi, on évite avantageusement toute perte inutile de l'énergie calorifique du matériau lorsqu'il se refroidit, et on supprime tout apport d'énergie important au matériau ou à l'alliage pour le traiter après qu'il ait été refroidi et démoulé. En bref, le traitement thermique contrôlé du matériauou del'allia- ge qui vient de se solidifier constitue en quelque sorte un traitement intégré au processus de refroidissement naturel de ce matériau. Selon une autre caractéristique du procédé de l'invention, le maintien en température précité d'au moins une partie du matériau ou de l'alliage, ainsi que son traitement thermique contrôlé sont effectués par chauffage par induction et/ou par resistance électrique chauffante. On peut donc ainsi moduler la température du matériau à la température désirée et lui imposer une loi de refroidissement choisie. On notera encore ici que, lors du traitement thermique précité, on peut procéder à un refroidissement accéléré d'au moins une partie du matériau ou de l'alliage et qui, dans le cas où on utilise un moyen de chauffage par induction, peut être réalisé par passage temporaire d'un fluide de refroidissement dans ce moyen. Un tel refroidissement permettra, si le matériau l'exige, d'extraire de ce matériau un flux calorifique qui sera supérieur à l'évacuation calorifique naturelle effectuée par le moule. Ainsi, on comprend qu'on pourra facilement faire varier à volonté et dans des limites importantes la loi de refroidissement que l'on désire imposer à l'aîliageouaumatériau. Suivant encore une autre caractéristique de l'invention, on soumet à un chauffage par induction la masselotte à la partie supérieure du moule, avant que le matériau dans le moule ne soit solidifié. Ainsi, on evitera avantageusement à la masselotte de constituer un point froid, et on réalisera également une économie de poids sur ladite masselotte. L'invention vise également un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé répondant aux caracteristiques susmentionnées, ce dispositif comprenant essentiellement un moule d'un type quelconque susceptible de recevoir un matériau fondu, tel que par exemple un alliage métallique fondu, et étant essentiellement caractérisé en ce que ledit moule est équipé d'au moins un moyen de chauffage par induction et/ou d'au moins une résistance électrique chauffante. Ce dispositif est encore caractérisé par le fait que le moule est équipe d'au moins d'un circuit de fluide de refroidissement qui est indépendant ou bien qui est constitué par le moyen de chauffage par induction lui-même, lequel est constitué par un élément tubulaire à l'intérieur duquel passe ledit fluide. On ajoutera encore ici que ce dispositif est caraCtérisé en ce que le moyen de chauffage par induction et/ou la résistance électrique précités sont agencés à l'intérieur ou à l'extérieur du moule, sur toute la hauteur du moule ou sur seulement une partie de cette hauteur pour affecter telle ou telle partie, par exemple en creux ou en saillie, de l'espace de moulage. Suivant encore une autre caractéristique de ce dispositif, on prévoit autour du col de- la masselotte à la partie supérieure du moule un moyen de chauffage par induction. Bien entendu, l'invention vise aussi les pièces moulées obtenues à l'aide du procédé et/ou du dispositif répondant a l'une quelconque des caractéristiques sus-énoncées. Mais, d'autres caractéristiques et avantages-de l'invention apparaîtront mieux dans la description détaillée qui suit et se réfère aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple, et dans lesquels - les figures 1 à 3 montrent trois courbes de température (T0 C) en fonction du temps (t) (les échelles de température et de temps étant les mêmes pour les trois courbes), et dans lesquelles : la figure 1 illustre la courbe de refroidissement d'un exemple d'acier en cours de solidification dans un moule ; la figure 2 illustre le traitement thermique appliqué à ce même acier, postérieurement au refroidissement illustré par la figure 1 ; et la figure 3 illustre le traitement thermique contrôlé et réalisé suivant les principes de l'invention, ce traitement étant appliqué au meme acier que celui des figures 1 et 2 qui illustrent l'art antérieur; - la figure 4 est une vue schématique d'un moule équipé de moyens permettant la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention, et ; - les figures 5 et 6 sont également des vues schématiques illustrant deux modes de réalisation du dispositif selon l'invention. Dans un but de meilleure compréhension, on commentera tout d'abord les courbes des figures 1 et 2 illustrant respectivement la solidification par refroidissement d'un acier moulé, et le traitement thermique que l'on fait subir à cet acier particulier, étant entendu qu'il s'agit là d'un exemple non limitatif. Comme cela est connu, on coule dans un moule un alliage fondu qui se trouve alors à une température supérieure à environ 15000C. Puis, par refroidissement dans ce moule, l'alliage se solidifie, c'est-à-dire passe progressivement de l'état liquide à l'état solide, comme on l'a montré respectivement en Ajusqu' à B sur la figure 1. Enfin, l'alliage moulé et solidifié achève son refroidissement jusqu'à la température ambiante, comme le montre la portion de courbe C, cette dernière présentant, pour l'alliage considéré, un palier D qui, dans le cas de l'alliage considéré,correspond à un dégagement calorifique de courte durée résultant d'une transformation au sein de cet alliage. Lorsque la pièce d'acier moulée est pratiquement complètement refroidie, on lui fait alors subir le traitement thermique selon la courbe de la figure 2 qui nreprésente, encore une fois) qu'un exemple de cycle thermique pour l'alliage considéré. Suivant cet exemple le matériau est réchauffé comme le montre la portion de courbe E, jusqu'à une température de 11000C. Puis on maintient la pièce à cette température pendant un certain temps, comme on le voit en F, avant de la laisser se refroidir, comme cela est visible en G. Si l'on applique les principes de l'invention à l'alliage traité suivant les figures 1 et 2, on obtient alors la courbe de la figure 3 que l'on commentera comme suit. En fin de solidification, comme on l'a montré en B, c'est-à-dire à une température voisine -de 1a000C, on fournit, par des moyens qui seront décrits ultérieurement, un apport d'énergie calorifique à l'alliage dans le moule, ce qui maintient l'alliage en température de début de traitement thermique de façon à pouvoir lui faire subir, par la suite, dans le moule un refroidissement contrôlé.En d'autres termes, on contrôlera la loi de refroidissement de l'alliage dans le moule, c'est-à-dire qu'on pourra par exemple, comme précédemment, maintenir l'alliage à la température de 11000C et le laisser continuer son refroidissement par la suite. Mais on voit ici que le palier H correspond à un temps (t1) de maintien beaucoup plus faible comparativement au palier F (t2) avec le procédé antérieurement connu. Cela provient du fait que, selon l'invention, l'alliage se trouve déjà en température lorsqu'on lui applique une loi de refroidissement contrôlée et que, par conséquent on minimise le temps de maintien précité. Ainsi, le procédé de l'invention permet non seulement d'éviter la perte d'énergie calorifique de l'alliage en cours de refroidissement dans le moule (figure 1) et d'éviter un apport d'énergie considérable pour le traitement de réchauffage (figure 2), mais il permet aussi de traiter les phases de l'alliage (solutions solides, précipités, etc..) dès l'origine.Par contre, selon le cycle thermique classique en deux temps (figures 1 et 2) il fallait recréer les phases ou bien les remettre en équilibre à haute température, ce qui exigeait en définitive un temps beaucoup plus long, une énergie calorifique importante, et pouvait être préjudiciable à la qualité du matériau, c'est-à-dire de la pièce moulée. On ajoutera ici que le traitement thermique selon llinven- tion peut être mis en oeuvre avec facilité, qu'il soit simple ou complexe, c'est-à-dire s'il comprend un ou plusieurs cules thermiques et/ou comporte une ou plusieurs opérations en relation avec ce ou ces cycles. Par ailleurs, la nouvelle façon d'opérer selon l'invention peut également être appliquée au matériau avant une operation éventuelle de décochage à chaud précédant elle-même, le cas échéant, d'autres opérations. On décrira maintenant les moyens utilisés, selon la présente invention, pour la mise en oeuvre du procédé illustré par la figure 3. Suivant un exemple de réalisation, et en se reportant plus particulièrement à la figure 4, on voit qu'un dispositif conforme à l'invention comprend essentiellement un moule 1 avec, à sa partie supérieure, une masselotte 2, ce moule comprenant un espace de moulage 3 autour duquel est agencé, suivant un enroulement hélicoïdal, un système de chauffage par induction 4 relié à une alimentation appropriée 5. On a montré en 6 et en 7 une goulotte et un conduit d'alimentation du moule, lequel conduit communique avec lsespace de moulage 3. Ainsi, grâce à l'inducteur 4, on pourra apporter la quantité d'énergie calorifique suffisante en fin de solidification du matériau, comme on lla expliqué précédemment, de façon à pouvoir stabiliser la température de ce matériau au moment ou on le désire et à pouvoir moduler le refroidissement ultérieur. Bien entendu, le temps de passage et les fréquences du courant appliqué à l'inducteur 4 pourront être choisis à volonté et seront fonction de la pièce métallique ou de la partie de cette pièce que l'on veut traiter. Il est à noter ici que l'inducteur 4 sera de préférence constitué par un élément tubulaire, comme on le voit bien sur la figure 4, à l'intérieur duquel pourra circuler un fluide de refroidissement comme matérialisé par les flèches F sur ladite figure. Ainsi, on pourra accélérer le refroidissement de la pièce dans l'espace de moulage 3 en imposant cette pièce une loi de refroidissement telle que le flux calorifique extrait de cette pièce soit supérieur à ltéva- cuation calorifique naturelle effectuée par le moule. En bref, le dispositif montre sur la figure 4 demeure d'un emploi particulièrement souple en ce qu'il permet de réaliser tous les traitements thermiques possibles, tels que :maintien isotherme, refroidissement lent, refroidissemént rapide et trempe étagée, par exemple. Il est également possible, sans sortir du cadre de l'invention, et bien que cela ne soit pas représenté, de prévoir un circuit de refroidissement indépendant du moyen 4 de chauffage par induction. On peut également utiliser comme moyen de chauffage, à la place de l'inducteur 4 ou en combinaison avec lui, une résistance électrique chauffante (non représentée) et agencée d'une manière appropriée dans le moule de façon à pouvoir chauffer la pièce moulée ou telle ou telle partie de celle-ci. Ainsi, l'inducteur 4 et/ou la résistance électrique chauffante peuvent être agences sur toute la hauteur et l'entière périphérie de l'espace de moulage 3, comme on le voit sur la figure 4, ou bien sur toute la hauteur de cet espace et seulement sur une partie de sa périphérie, comme on le voit sur la figure 5, ou bien encore sur une petite partie de la hauteur de l'espace de moulage, par exemple dans une cavité 8 formée dans cet espace, comme on le voit sur la figure 6. Sur cette figure, on voit d'ailleurs qu'on a prévu un inducteur 4a dans la cavité 8, et autre inducteur 4b qui entoure la partie supérieure de l'espace de moulage 3.On peut bien entendu imaginer une infinité de variantes de formes, de nombres et d'emplacements des inducteurs et/ou des résistances chauffantes, cela étant bien entendu fonction de la conformation de l'espace de moulage 3 et également des traitements thermiques que l'on désire faire subir au matériau à tel ou tel endroit à traiter. Dans le même ordre d'idées, la nature et la constitution du moule 1 peuvent être quelconques, sans sortir du cadre de l'invention. C'est ainsi que le moule 1 peut être un moule non métallique,. par exemple un moule en sable comme représenté sur la figure 4, ou bien encore un moule métallique dans lequel on fixera ou en remboîtera, par tout moyen approprié, l'inducteur 4 et/ou la résistance électrique chauffante. Revenant à la figure 4, on a montré en 9 un inducteur qui entoure le col de masselotte 2 à la partie supérieure du moule 1. Ainsi grâce à cette disposition avantageuse, on maintiendra le col de la masselotte à l'état liquide de sorte que ledit col ne devienne pas un "point froid" conduisant à une solidification prématurée avant que la solidification ne soit achevée dans le moule, ce qui. bien sûr conférerait à la pièce moulée des défauts. Egalement, l'utilisation d'un chauffage-par induction au niveau du col de la -masselotte permettra de maintenir cette partie à I'état-liquide suivant une température déterminée en fonction de l'alliage considéré, et on pourra ainsi moduler le refroidissement du col de la masselotte, y compris le refroidissement dans l'état solide. Au surplus, le chauffage de la masselotte 2 par l'inducteur 9 permettra avantageusement de réduire notablement le volume de ladite masselotte situé au-dessus du col. L'inducteur 9 pourra etre agencé au-dessus du moule 1, comme on le voit sur la figure 4, mais il pourrait très bien, sans sortir du cadre de l'invention, être disposé dans le moule autour de la partie 2a du col (voir figure 4). On ajoutera ici qu'on peut prévoir des inducteurs au niveau d'autres parties du dispositif, tel que par exemple sur la goulotte 6 et/ou le conduit d'alimentation 7. Enfin, on ajoutera ici que le procédé et le dispositif de l'invention peuvent s'appliquer à tous les matériaux moulables et notamment à tous les traitements thermiques d'alliages métalliques moulés, entraînant une évolution structurale de ces alliages, donc en général une apparition de nouvelles caractéristiques. Et, par évolution structurale, il faut entendre toute évolution de la structure métallographique ayant fait appel soit à un mécanisme dit "diffusionnel", soit à un mécanisme dit "de cisaillement", soit à l'association de ces deux mécanismes. On a donc réalisé suivant l'invention, un procédé et un dispositif de fabrication de pièces moulées qui permettent de réaliser des économies d'énergie substantielles, qui permettent de réaliser des pièces moulees rapidement, et qui sont d'une grande souplesse d'emploi, ce qui leur confère des possibilités d'application au traitement de matériaux et d'alliages très divers. REVENDICATIONS 1. Procède de fabrication de pièces moulées et du type consistant à utiliser un matériau fondu, tel que par exemple un alliage métallique, que l'on coule dans un moule où ledit matériau formera, après refroidissement, la pièce moulée, caractérisé en ce qu'on interrompt ou ralentit le processus de refroidissement d'au moins une partie du matériau dans le moule par apport d'énergie calorifique au matériau solidifié, de façon à maintenir ledit matériau en température de début de traitement thermique et à pouvoir ainsi lui faire subir, par la suite, dans le moule un traitement thermique ou un refroidissement contrôlé, avant que ledit -matériau ne soit finalement démoulé. 2. -Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le maintien en température dau moins une partie du matériau et son traitement thermique contrôlé sont effectués par chauffage par induction et/ou par résistance électrique chauffante. 3. Procedé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que lors du traitement thermique précité, on procède à un refroidissement accéléré d'au moins une partie du matériau et qui, dans le cas où on utilise un moyen de chauffage par inductfon, peut être réalisé par passage temporaire d'un fluide de refroidissement dans ce moyen 4. Procédé selon l'une des. revendications 1 à .3, caractérisé en ce qu'on soumet à un chauffage par induction la masselotte à. la partie supérieure du moule, avant que le matériau dans le moule ne soit solidifié. 5. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 4, et comprenant un moule d'un type quelconque susceptible de recevoir un matériau fondu, tel que par exemple un alliage métallique, caractérisé en ce que ledit moule est équipé d'au moins un moyen de chauffage par induction et/ou d'au moins une résistance électrique chauffante. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le moule précité est-équipé d'au moins un circuit de fluide de refroidissement qui est indépendant ou bien qui est constitué par le moyen de chauffage par induction lui-même,. lequel est constitué par un élément tubulaire à l'intérieur duquel passe ledit fluide. 7. Dispositif selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que le moyen de chauffage par induction et/ou la résistance électrique precitée sont agencés à l'interieur ou à l'extérieur. du moule, sur toute la hauteur du. moule ou sur seulement une partie de cette hauteur pour affecter telle ou telle partie, par exemple en creux ou en saillie, de l'espace de moulage. 8. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 7., caractérisé en ce qu'on prévoit au moins un inducteur au niveau du système d'alimentation du moule. 9. Dispositif selon l'unie des revendications 5 à 8, caractérisé en ce qu'autour du col de masselotte à la partie supérieure du moule est prévu un moyen de chauffage par induction. 10. Pièce moulées obtenues à l'aide du- procédé selon l'une des revendications 1 à 4.