Brevet FR2620358A1 — publié le 19890317

COULEE D'OBJETS METALLIQUES DANS UNE CAVITE DE MOULE DE SABLE FLUIDE FERMEMENT STABILISE La présente invention se rapporte à la coulée d'objets métalliques dans un moule de sable. Il existe différentes manières de couler du mé- tal en fusion dans des moules de sable. On connaît de façon générale un procédé portant la désignation de "coulée en mousse perdue", dans lequel un modèle est formé à partir d'un matériau évaporable (par exemple de la mousse). Du sable s'écoulant libre- ment (non lié) est tassé autour du matériau et le métal en fusion est coulé directement sur la mousse; on lais- se s'évaporer la mousse et le métal se solidifier à la place du modèle. Le modèle s'étant évaporé lorsque l'on a coulé le métal, il n'est pas nécessaire que le moule de sable soit rigide. Le modèle doit avoir une faible densité afin de limiter le volume de vapeur créé pendant le procédé. Parmi les brevets décrivant ce procédé "de coulée en mousse perdue", on peut citer: le brevet US- 4 085 790 de Wittmoser; le brevet US-4 448 235 de Bishop; le brevet US-4 482 000 de Reuter; le brevet US-4 616 689 de Denis. Dans le procédé de coulée en mousse perdue, on peut se trouver confronté à différents problèmes, comprenant notamment l'existence d'une surfa- ce rugueuse sur le métal fondu et la présence d'inclu- sions gazeuses dans la pièce provenant des produits de décomposition du modèle. Une autre technique de coulée concerne l'utili- sation d'un modèle plus dense (par exemple de la cire) dans un moule rigide et relativement non poreux. De fa- çon typique, une quantité importante du modèle de cire peut être enlevée en le passant à l'autoclave, par exem- ple à une température voisine de 177 C (350 F). Le maté- riau résiduel du modèle reste dans le moule et doit être enlevé à des températures extrêmement élevées pour évi- ter les inclusions de carbone dans la pièce coulée. Ces moules impliquent une quantité relativement importante de liant réfractaire (supérieure à environ 5 %), pour résister à une température extrêmement élevée (par exem- ple 871 C ou 1600 F) nécessaire pour enlever (faire évaporer et brûler) la totalité de la cire. On se réfé- rera à ce propos au brevet US n 3 422 880 de Brown et al., au brevet U.S. n'3 396 775 de Scott et au brevet US n 2 948 935 de Carter. Le mélange de liant-réfractaire peut être placé autour du modèle en couche formant un moule en carapace ou en remplissant un conteneur autour des modèles, pour former un moule monobloc. On a trouvé qu'en ajustant le dosage du mélange sable-liant, on obtient un procédé de moulage en sable entièrement nouveau utilisant un modèle jetable de maté- riau fusible. Le sable contient une quantité suffisante de liant non réfractaire pour lui permettre de prendre pour former un moule, toutefois cette quantité de liant demeure suffisamment faible pour permettre au sable de s'écouler autour du modèle. Le moule résultant est suf- fisamment poreux pour recevoir et emprisonner les pro- duits de décomposition liquides et gazeux du modèle de même qu'il est suffisamment rigide pour conserver la forme du modèle après que ce dernier a été enlevé. Avec la charge de liant appropriée, le moule présente une po- rosité (par exemple plus de 30 % et de préférence plus de 45-50 % du volume du moule est vide) de sorte que le modèle peut être enlevé avant la coulée, à des tempéra- tures relativement faibles qui n'affectent pas le moule. Ainsi, le modèle est enlevé avant d'ajouter le métal en fusion en chauffant le modèle pour qu'il devienne flui- de. Une certaine quantité de matériau du modèle s'écoule par des ouvertures et le reste, qui constitue un pour- centage important, s'infiltre dans le moule de sable o il est inoffensif, supprime la nécessité d'enlever des résidus de modèle à températures élevées. Au moins 15 % et de préférence beaucoup plus (par exemple audessus de %) du matériau de modèle dans la cavité de la pièce de moulage s'infiltre et demeure à l'intérieur du mélan- ge de sable. La cavité est alors remplie du métal en fu- sion que l'on laisse se solidifier de la façon habituel- le. Des modes de réalisation préférés comprennent les caractéristiques suivantes. Le modèle est construit à partir d'une matière polymérique comprenant de la ci- re, de la mousse ou du plastique. Pendant le chauffage du modèle, la portion du moule qui sera positionnée sur le dessus lors du remplissage du métal en fusion est po- sitionnée sur le dessous pour faciliter le dégazage en courant ascendant des produits de décomposition pendant que l'on ajoute le métal en fusion dans la cavité. Le métal en fusion peut être aspiré à l'encontre de la gra- vité ou versé dans la cavité formée après l'enlèvement du modèle. Le procédé est relativement peu onéreux, en par- tie grâce au fait que l'on peut faire couler le sable autour de la forme par une opération relativement sim- ple, telle que par vibrations. En outre, le sable peut être récupéré et la quantité de liant utilisée est rela- tivement faible, ce qui réduit également les coûts. Le procédé fournit des pièces de grande qualité, évitant les inclusions provenant de produits de décomposition qui entrent souvent en ébullition & l'intérieur du métal dans le procédé de coulée en mousse perdue. On peut mou- ler des formes complexes sans utiliser des noyaux de sa- ble séparés. Le procédé peut être appliqué à des modèles relativement complexes car le moule ne perd pas sa forme comme cela peut se produire dans le procédé de coulée en mousse perdue. Même pour des modèles complexes, on peut verser le sable autour de la pièce en faisant tourner le moule pour rendre accessibles des parties difficilement accessibles dans une orientation donnée. Le procédé peut être utilisé avec des moules en cire lisse ou en plasti- que, offrant ainsi une surface beaucoup plus lisse que cela ne serait le cas avec des modèles en mousse expan- sée. Le procédé permet également d'enlever la pièce mé- tallique du moule de façon relativement simple étant donné que le moule est relativement peu rigide. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention apparaîtront à la lecture de la description sui- vante d'un mode de réalisation préféré de celle-ci et à partir des revendications, en référence au dessin, dans lequel: La figure 1 est un schéma du déroulement des opérations d'un procédé préféré de coulée; Les figures 2A-D sont des représentations sché- matiques d'un moule et d'un modèle aux différentes éta- pes du procédé. A la figure 2A, le modèle 10 est positionné dans une caisse 11. Le modèle 10 peut être réalisé à partir d'une variété de matériaus de modèles connus, comprenant la cire, le plastique ou la mousse expansée, en utili- sant des techniques connues. La cire convient particu- lièrement. Un matériau de cire approprié est le KC-610 commercialisé par Kindt-Collins Co. A la figure 2B, un mélange sable-liant 12 a été placé autour du modèle 10. Le mélange sable-liant 12 comprend un sable approprié à la coulée (par exemple de la silice) comme cela est bien connu dans le domaine, revêtu d'un liant. Le liant peut être constitué par une quelconque variété des liants de fonderie, par exemple des liants organiques, couramment utilisés pour les moules de coulée en sable. Par exemple, on peut utili- ser de l'uréthane phénolique normalisé ou de la résine phénol-formaldéhyde modifiée par un agent de durcisse- ment (brevets US 3 725 333; 4 148 177; et 4 311 631). Selon l'invention l'ajustage de la quantité de liant utilisé constitue un élément critique. Si l'on utilise une quantité excessive de liant, le mélange sa- ble-liant ne s'écoulera pas facilement autour du modè- le; en outre, une quantité excessive de liant risque de former un moule relativement non-poreux inapte à la fonction de réservoir pour recueillir le liquide et la vapeur provenant-du modèle. Dans ce cas, le matériau de modèle restant dans la cavité du moule peut affecter la qualité de la pièce moulée. Une quantité trop importante de liant gêne également le procédé d'enlèvement du moule de la pièce moulée finale. En revanche, si l'on utilise une quantité trop faible de liant, le moule ne prendra pas avec une rigi- dité suffisante permettant à la cavité de conserver la configuration du modèle, ce qui donnera une pièce moulée de mauvaise qualité. De façon surprenante, on peut concilier ces exi- gences antagonistes en utilisant un procédé qui ne né- cessite pas le démontage ou dévêtissage mécanique du moule des modèles permanents, mais qui repose en revan- che sur l'infiltration par effet de mèche d'un matériau de modèle Jetable ayant- les caractéristiques de porosité spéciales d'un moule à faible teneur en liant. On a trouvé que le rapport entre le liant et le sable doit se situer dans la plage de 0,25 % à 1 % et de préférence aux environs de 0,4 % à 0,7 % de poids en sable. Il est également possible d'utiliser des liants secs durcissa- bles (par exemple des liants durcis au formate de méthy- le) qui peuvent s'écouler autour du modèle et dont la prise s'effectue par coréaction. Avec ces derniers, des pourcentages de charge plus élevés sont réalisables. Dès que le mélange sable-liant s'est écoulé au- tour du modèle, on fait prendre le mélange pour former un moule rigide, par exemple par des procédés de chauf- fage ou de durcissement appropriés aux liants sélection- nés. En général, le fabriquant de liant fournira des instructions appropriées quant au mode de durcissement ou de cuison de son produit. Après la prise du moule, le modèle est enlevé pour former une cavité destinée à recevoir le métal en fusion. Deux caractéristiques importantes de l'étape d'enlèvement sont constituées par les éléments sui- vants: a) l'enlèvement s'effectue avant d'ajouter le métal en fusion; et b) l'enlèvement s'accomplit à une température relativement faible qui laisse une quantité importante de résidus de matériau de modèle dans le mou- le de sable (et non dans la cavité du moule). Le maté- riau de modèle doit s'infiltrer par effet de mèche dans le moule jusqu'à une profondeur suffisante pour éviter l'insufflation importante de vapeur dans la cavité pen- dant la coulée, ce qui pourrait provoquer des inclusions gazeuses dans la pièce moulée. De façon typique, comme cela est montré à la figure 2C, lors de l'enlèvement du modèle, on inverse le moule pour que s'écoule sous forme liquide une certaine quantité de matériau de modèle hors du godet de coulée. La présence de matériau de modèle dans le mélange de sable est montrée aux figures 2C et 2D par des pointillés 18. On a déterminé que des modèles sont de préfé- rence enlevés à des températures de 121'C-260 C (250- 500'F). De façon spécifique, des modèles de cire sont enlevés en utilisant une vapeur sous pression à 121C- 260'C (250-4506F). Le styrène et la mousse à bas point de fusion doivent être enlevés à des températures légè- rement supérieures (de préférence 204"C-260 C/400- 500 F). La cavité du moule sera de façon générale exemp- te de résidus de modèle nuisibles après une durée mini- male d'environ 10 minutes aux températures ci-dessus. Ces températures contrastent fortement avec les tempéra- tures extrêmement élevées utilisées couramment pour en- lever la cire des moules céramiques, par exemple 871 C (16000F). Apres avoir entièrement chassé le matériau du modèle de la cavité 14, le moule est disponible pour la coulée du métal en fusion, par exemple par coulée par gravité comme cela est montré à la figure 2D ou par un procédé sous vide à contre-gravité comme cela est décrit dans le brevet US-3 900 064. Le métal en fusion pénètre dans la cavité (par exemple par le godet de coulée comme cela est montré à la figure 2D) et la configuration de modèle est retenue par la rigidité du moule Jusqu'à solidification du mé- tal. Dès que la pièce moulée s'est solidifiée, on force l'ouverture du moule pour l'enlever. Il est particuliè- rement avantageux que les teneurs en liant décrites ci- dessus permettent la fragmentation facile du moule sans risque important de détérioration pour la pièce moulée. Si on le souhaite, les pièces du moule peuvent être traitées (par exemple par chaleur intense) pour chasser le liant et le matériau de modèle et pour récupérer le sable. Le procédé décrit ci-dessus convient de façon générale à une grande variété de formes de modèles et à une vaste gamme de matériaux et de produits. Parmi les applications particulièrement utiles, on peut citer les pièces de moteurs automobiles, par exemple les blocs- moteurs et les collecteurs d'admission. 30. Le procédé de l'invention peut être résumé comme suit: a) on place le modèle dans la caisse; b) on fait s'écouler le mélange sable-liant au- tour du moule c) on fait prendre le mélange pour former un moule poreux; d) on fait chauffer pour chasser le matériau de modèle hors du moule et former une cavité dans ce dernier; e) on remplit la cavité de métal en fusion; f) on solidifie le métal; et g) on enleve le métal coulé du moule. REVENDICATIONS 1. Procédé pour la coulée d'un objet métallique comprenant la fourniture d'un modèle Jetable de matériau fusible; la mise en caisse du modèle dans un mélange sable-liant; la prise du mélange sable-liant; le chauffage du modèle jetable pour former une cavité dans le mélange à la place du modèle; subséquemment, le rem- plissage de la cavité de métal fondu; la liberté offer- te au métal de se solidifier; et l'enlèvement de l'ob- jet métallique du moule; caractérisé en ce que: a) le modèle jetable est d'abord positionné. à l'intérieur d'un conteneur; b) on verse le mélange sable-liant autour du mo- dèle; mélange comprenant un liant non réfractaire pré- sent en une quantité, 1) suffisamment élevée pour permettre la pri- se du moule, ii) suffisamment faible pour permettre au mé- lange de s'écouler librement autour du mo- dèle, iii) suffisamment faible pour permettre au mou- le d'ètre facilement enlevé du moulage subséquemment formé à l'intérieur, et iv) suffisamment faible pour conserver la po- rosité du moule; et c) après la prise mélange sable-liant, la cavité formée à la place du modèle en chauffant le modèle et le moule à une température et à des conditions qui provo- quent la fluidisation du matériau du modèle et son écou- lement à la fois dans le mélange pris et hors des ouver- tures du moule. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le modèle est de la cire, de la mousse polymé- rique, ou du plastique. 3. Procédé selon l'une ou l'autre des revendica- tions 1 et 2, caractérisé en ce que le modèle et le mou- le sont chauffés (à l'étape d) jusqu'à une température de 121'C-232 C (250-500'F). 4. Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que le liant est présent en une quantité d'environ 0,250,6 % en poids de sable. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que le métal en fusion est aspiré en contre-gravité pour pénétrer dans la cavité. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que la portion du moule qui se trouve sur le fond pendant le chauffage du modèle pour l'enlèvement du modèle (étape c) est placée sur le dessus pendant la coulée du métal pour faciliter l'évacuation des produits de décomposition du modèle hors du moule. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le moule comprend un orifice d'admission dans lequel on verse le métal en fusion et en ce que pendant le chauffage du modèle (étape c), on inverse le moule pour permettre l'écoulement d'une certaine quantité du matériau du modèle. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que le moule du mé- lange de sable après la prise contient au moins 30 % d'espace vide. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce qu'au moins 15 * du matériau de modèle est emprisonné dans le moule du mélange sable pendant l'étape d.