Brevet FR2648064A1 — publié le 19901214

PROCEDE DE COULEE BASSE-PRESSION DANS UN MOULE SOUS VIDE PLUS SPECIALEMENT DESTINE A LA REALISATION DE PIECES A PARTIES MINCES ET DISPOSITIF POUR SA MISE EN OEUVRE La présente invention concerne un nouveau procédé de coulée sous basse-pression dans un moule maintenu sous vide partiel, plus spécialement destiné à la réalisation de pièces en alliage d'aluminium, de magnésium, de cuivre, de fer, de chrome et de nickel, comportant des parties minces, ainsi qu'un dispositif pour sa mise en oeuvre. Le procédé de coulée sous basse-pression est connu depuis le début du siècle. Dans cette technique on remplit par le bas un moule, métallique ou non, avec un alliage liquide contenu dans un four hermétiquement clos. Cet alliage peut remonter dans le moule par l'intermédiaire d'un tube d'injection, on effectue ce remplissage à l'aide d'un fluide de refoulement sous une pression de quelques décibars, après le remplissage du moule, on maintient une surpression de masselottage pendant la durée de solidification de la pièce, on récupère l'alliage non solidifié, situé dans le bas du moule dans les canaux d'injection, dès solidification de la pièce et après cessation de la pression de refoulement. Les moules utilisés peuvent être permanents (dans ce cas, ils sont réalisés en fonte ou en acier, ou en graphite) ou non permanents et ils sont détruits, dans ce cas, après la coulée pour libérer la pièce. Ces moules non permanents sont en sables chimiques, en céramiques ou en plâtre. Les alliages utilisés sont généralement ceux de l'aluminium, les applications pour l'automobile étant très importantes, mais également ceux du magnésium et du cuivre (laitons, bronzes). Par ailleurs, des développements importants se déroulent pour les fontes et les aciers. Dans le procédé sous sa forme conventionnelle, le four contenant le métal est mis sous pression par de l'air dans le cas de l'aluminium et le remplissage du moule par le métal se fait en exerçant un régime de pression dans le four qui est adapté à la pièce à couler. Mais au fur et à mesure des coulées, la hauteur du métal dans le creuset diminue ; d'autre part, le four peut ne pas être étanche et ces deux causes font que la reproductibilité des caractéristiques de remplissage du métal dans le moule (vitesse, pression) n'est pas assurée. Pour assurer cette reproductibilité, la Demanderesse a développé un procédé qui s'affranchit de la variation de hauteur du métal dans le creuset et des fuites de gaz du four la presison dans le four et le temps de passage du métal sur un capteur de référence sont considérés comme les origines, c'està-dire comme des valeurs 0, pour les variations de pression et de temps qui suivent ce passage sur le capteur de référence. Ce dispositif permet donc de mettre en phase et d'affranchir de tout phénomène aléatoire, les deux évolutions : celle de la pression de gaz dans le four qui est la variable intensive unique d'action et celle du métal dans le four qui en est le résultat. Ce procédé est décrit notamment dans FR-A-2.460.170 et EPA-0.055.947. Pour faciliter le remplissage des parties minces, il est possible, comme décrit dans EP-A-0.055.947, d'aspirer les gaz qui s'accumulent dans les parties d'empreinte qui vont donner les parties minces et d'assurer dans ces zones un remplissage à vitesse contrôlée par un procédé identique à celui de la pièce de base, c'est-à-dire un capteur de référence. La figure 1 des dessins annexés à la présente description illustre cette opération. Lorsque le métal arrive sur le capteur 1', l'appareil de pilotage 2' du cycle de coulée déclenche une aspiration sur la zone mince de l'empreinte 3' par le groupe de vide 4' et établit une première vitesse d'aspiration pendant une première durée déterminée, puis, passe à une deuxième vitesse pendant une seconde durée déterminée, etc... faisant ainsi se succéder les phases d'aspiration. Après la mise au point, ces informations sont mises en mémoire dans l'appareil de pilotage. I1 peut être nécessaire de généraliser cette mesure destinée aux parties minces, en particulier dans le cas où la pièce est constituée par de nombreuses parties minces. L'empreinte totale doit être vidée des gaz qui peuvent s'y accumuler et qui font obstacle à l'écoulement du métal. Le but de la présente invention est précisément de proposer un procédé de coulée basse-pression dans un moule sous vide, plus spécialement destiné à la réalisation de pièces à parties minces et permettant de vider totalement de ses gaz l'empreinte. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de coulée basse-pression dans un moule sous vide, plus particulièrement destiné à la réalisation de pièces à parties minces, dans lequel les caractéristiques d'évolution de vitesse et de pression du métal au cours du remplissage du moule sont en tout point et à tout instant asservies à des valeurs prédéterminées, caractérisé en ce que le moule et le four sont placés dans deux enceintes hermétiques distinctes et en ce que les pression dans les deux enceintes sont asservies constamment en vue de réaliser les étapes successives suivantes - dans une première phase, préalable à la coulée proprement dite, les pressions dans les deux enceintes sont amenées conjointement à une même valeur de vide dépendant de la nature du métal, - dans une seconde phase, durant laquelle s'opère le remplissage complet du moule, la pression dans l'enceinte du moule est sensiblement maintenue à la pression de la première phase, cependant que la pression dans l'enceinte du four est asservie auxdites valeurs de pression du métal prédéterminées - dans une troisième phase, la pression dans l'enceinte du moule est toujours sensiblement maintenue à la pression de la seconde phase, cependant qu'à la pression dans l'enceinte du four est appliquée une surpression déterminée - dans une quatrième phase, la pression dans l'enceinte du moule est ramenée et maintenue à la pression de départ ou à une pression différente, cependant que la pression dans l'enceinte du four est amenée à suivre l'évolution de la pression dans l'enceinte du moule en conservant constamment entre les deux pressions l'écart existant à la fin de la troisième phase, l'ensemble des phases 3 et 4 correspondant à l'étape de solidification du métal dans le moule et, enfin, - dans une cinquième phase, la pression dans l'enceinte du four et celle dans l'enceinte du moule sont amenées à la valeur de la pression de départ de la première phase. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va suivre d'un mode de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, description donnée uniquement à titre d'exemple et en référence aux dessins annexés sur lesquels - Figure 1 illustre l'art antérieur ; - Figure 2 est une vue schématique en coupe verticale d'une installation propre à mettre en oeuvre le procédé de l'invention - Figure 3 illustre une variante de réalisation des moyens de maintien de la cloche de l'installation de la figure 2, - Figure 4 est un diagramme représentant les variations de la pression en fonction du temps dans la cloche et dans le four de l'installation de la figure 2, au cours des différentes phases du procédé de l'invention dans le cas où la pression de départ est la pression atmosphérique. Dans l'installation représentée schématiquement sur la figure 2, le métal 1 est dans un creuset 2 placé dans un four étanche 3 fermé par un couvercle 4. Un tube;5 plonge dans le métal. I1 est prolongé par une buse de liaison 6 qui relie le tube au moule 7. Le moule peut être posé sur une plaque 8 et à l'entrée du moule est un noyau en sable ou isolant 9 qui permet au métal de ne pas se solidifier dans cette zone au contact de la plaque métallique 8. Au dessus du noyau 9 est l'empreinte 10 qui va être remplie par le métal. Le moule est sous une cloche 11 et est immobilisé en position verticale par des tiges filetées 12 qui le maintiennent à distance fixe de la cloche 11 sans l'écraser pour ne pas déformer l'empreinte. Les tiges 12 sont portées par un plateau 13.1 monté à l'extrémité de la tige d'un vérin 15.1 porté par un bras fixe 15'.1. De ce fait, en cours de coulée, le moule 7 ne peut se soulever à l'intérieur de la cloche 11. Le passage des tiges filetées à travers la cloche 11 est rendu étanche par un système de presse-étoupe classique. Le système manuel de maintien par les tiges 12 peut être remplacé par un dispositif automatique tel que celui illustré par la figure 3. Dans ce dispositif un plateau 13 à l'extrémité de la tige 14 d'un vérin 15 porté par un bras 15'ou solidaire de la cloche 11 par des liaisons rigides 15", vient appuyer sur le moule avec une force très faible qui est en mémoire dans le dispositif de commande du vérin 15 (relié à un pilote 30). Quand cette force est obtenue, le vérin 15 est bloqué dans sa position (vérin hydraulique ou vérin mécanique ou bridage hydraulique par exemple). De ce fait, si le moule veut se soulever pendant la coulée, il en est empêché par le plateau 13. Ce dispositif automatique réalise donc les deux objectifs du dispositif manuel : ne pas déformer le moule et le maintenir en position. Par ailleurs, la cloche 11 peut etre portée par le bras 15' qui porte le vérin 15 et le plateau 13, ce qui rend automatique l'ensemble de cette zone. La cloche 11 est fixée sur la plaque 8 par un dispositif classique 16 (clavetage, vérin) ou appuyé par le vérin qui actionne la cloche. Un joint 16.1 assure l'étanchéité. Quant à la plaque 8, elle-même maintenue appliquée sur la table 17 de la machine par le même type de dispositif, elle repose sur le joint 18 de la buse de liaison 6 qui assure l'étanchéité de ce passage. Par ailleurs, entre la buse de liaison 6 et le tube d'injection 5 se trouve un joint d'étanchéité 19. Le four de coulée appuie sur ce joint sous l'effet d'un vérin 20 qui l'applique contre la table. L'ensemble ainsi décrit : four, tube, buse, plaque, cloche, moule1 est étanche et l'étanchéité au niveau de tous les joints indiqués est contrôlée avant et pendant la coulée par le dispositif de pilotage (30) qui est muni d'un module de sécurité. Le four 3 et la cloche 11 sont reliés par un tuyau étanche et souple 21 qui permet les déplacements de la cloche. Il comporte un départ vers une pompe à vide 22 et deux vannes d'arrêt 23-24. Le four peut être mis sous pression par une canalisation 25 reliée à une source d'air ou d'un autre gaz sous une pression déterminée et munie d'une vanne pilotée 26. I1 peut être dépressurisé par une tuyauterie 27 munie d'une vanne pilotée 28. Le fonctionnement de l'ensemble décrit ci-dessus est le suivant en se référant à la figure 4 qui illustre un cycle complet de coulée selon l'invention dans le cas où dans le four 3 la pression de départ et celle d'arrivée sont la pression atmosphérique, étant entendu que ces pressions pourraient être différentes de la pression atmosphérique, en particulier supérieures. Ce cycle est divisé en cinq phases successives. La première phase est une étape préparatoire au cours de laquelle on amène la pression dans les deux enceintes (four 3 et cloche 11) de la pression atmosphérique à une pression faible (de quelques dizaines de millibars à quelques millibars pour l'aluminimum selon les pièces à couler). La deuxième phase constitue la coulée proprement dite, au cours de laquelle le pilote 30 va introduire dans le four 3 de l'air ou un autre gaz, la pression dans la cloche li étant maintenue sensiblement inchangée, et va faire respecter les vitesses d'écoulement dans le moule en assujettissant la différence de pression entre-les deux enceintes Pf - Pc à avoir une évolution en fonction du temps, identique à une valeur prédéterminée pour obtenir les caractéristiques métalliques désirées dans la pièce. Pendant les phases NO 3 et 4 s'opère la Solidification. En un premier temps (phase 3), une surpression est établie dans le four 3, la cloche 11 étant toujours maitenue sensiblement à la même pression et, en un second temps (phase 4), de l'air ou un autre gaz est envoyé simultanément par le pilote (30) dans le four et dans la cloche tout en conservant entre eux la différence de pression qui existait à la fin de la phase 3. La phase 5 est l'étape finale de retour à la situation d'origine avec mise à l'atmosphère des deux enceintes. Plus précisément, au cours de la phase 1, on ouvre les deux vannes 23 et 24 et on fait le vide dans le four 3 et la cloche 11 par le groupe de pompage 22. Dans le cas de l'aluminium on peut descendre à quelques millibars ; pour le magnésium il faut rester à une pression telle que les éléments de l'alliage ne passent pas en phase vapeur. Quoi qu'il en soit, avant la pompe se trouve un circuit (non représenté) de refroidissement des gaz pour condenser les vapeurs métalliques éventuelles. Arrivé à la pression désirée de vide Pv, on ferme la vanne 23 et le groupe de pompage maintient, par sa régulation, la pression dans la cloche 11 à une pression voisine de Pv. La valeur exacte de la pression obtenue dans la cloche à un instant donné sera appelée ultérieurement Pc et celle du four Pf. Le cycle de coulée est alors lancé (phase 2) par l'opérateur sur le dispositif de pilotage 30. La vanne d'admission 26 s'ouvre et le dispositif de pilotage augmente la pression dans le four 3 selon une loi préétablie, dans une première étape dans laquelle le métal monte uniquement dans le tube (5,6). Lorsque le métal arrive sur le capteur de présence Eo 29 situé dans la buse de liaison 6, avant l'entrée du moule, la différence de pression entre le four et la cloche bPo = Pfo - Pco et le temps de passage to sont enregistrés dans le dispositif de pilotage 30. Celui-ci établit ensuite dans le four 3 une pression Pf, fonction du temps, telle qu'à tout instant la valeur P - Po = Pf-Pc-(Pfo-Pco) soit une fonction du temps égale à celle qui a été préétablie pour obtenir les caractéristiques optimales de la pièce. Cette valeur b P - A Po est donc l'excès de pression du four par rapport à la cloche 11, lorsque l'on prend le temps de passage du métal devant le capteur Eo29 comme'valeur Eo. Cette étape de coulée (montée du métal jusqu'au remplissage complet de l'empreinte 10) est conforme au procédé mis au point par la Demanderesse et ayant fait l'objet des brevets mentionnés plus haut. En particulier, l'évolution de la différence de pression P - A Po peut être faite selon un certain nombre de phases différenciées où la vitesse d'évolution de ss P- a Po = f(t-to) reste constante à l'intérieur d'une phase. L'appareil 30 de pilotage du procédé est identique à celui décrit dans lesdits brevets. Brièvement, le pilote 30 comprend un calculateur, un ensemble de mémoires contenant un programme des séquences à réaliser et des paramètres à faire respecter et des éléments d'entrée-sortie recevant des informations et/ou donnant des ordres aux divers capteurs (dont Ex9), vannes (23,24,26,28,32,33) et vérins ( 15.1, 15). Par ailleurs, le procédé objet de la présente invention s'applique évidemment au cas où le four de coulée est à deux enceintes comme dans le procédé mis également au point par la Demanderesse et décrit dans FR-A-2.583.321, l'enceinte extérieure étant maintenue à une pression sensiblement égale à celle de l'enceinte intérieure. Le procédé selon la présente invention permet donc d'avoir une évolution du métal dans un moule maintenu en dépression qui soit liée d'une façon univoque à l'évolution de la différence de pression comptée au-dessus d'une différence de pression de référence, existant à tout instant entre le four contenant le métal du creuset et l'enceinte contenant le moule. Cette mise en phase par un capteur de référence (Eo29) permet donc de définir la différence de pression qui est la variable intensive unique d'action du système et qui est indépendante de la hauteur du métal dans le creuset et des fuites de gaz dans l'ensemble du dispositif. I1 est à noter que l'on pourrait appliquer ce procédé au remplissage du moule sous vide, sans utiliser de capteur de référence, c'est-à-dire avec une évolution de la différence de pression et une évolution du métal mises en phase d'une façon approximative et aléatoire par des réglages basés sur des observations statistiques, telles que la variation de hauteur du métal dans le creuset obtenue par calcul 'à partir du poids des grappes des pièces coulées. Par ailleurs, la cloche 11 est munie d'un tube 31 pour mise à la pression atmosphérique ou en communication avec un gaz extérieur sous une pression déterminée par l'intermédiaire d'une vanne 32 reliée au pilote 30. Lorsque le moule est rempli de métal (fin de la phase 2), le pilote électronique 30 qui dirige le procédé fait exercer une surpression supplémentaire dans le four 3 par rapport à la cloche 11, de valeur h PS, pour permettre au métal liquide venant des parties chaudes de venir compenser les retassures dues au retrait et qui prennent naissance dans les parties plus froides au cours de la solidification. Cette surpression hPS s'établit (phase 3) en quelques secondes (4 à 5). A la fin de cette période le métal va exercer sur les parois du moule une pression égale à la valeur de la surpression indiquée PS, soit environ 100 à 150 millibars dans le cas général de l'aluminium. Dans ces conditions, le métal se solidifierait donc sous un vide partiel ce qui peut entraîner l'apparition de porosités lors de la solidification. Ces porosités sont dues au fait que l'hydrogène est plus soluble dans le métal liquide que dans le métal solide et une fraction est donc expulsée lors de la solidification. Cette fraction est d'autant plus importante que la pression au-dessus du métal est plus faible. Il est donc utile d'augmenter la pression sur le métal dès le début de sa solidification. C'est pourquoi la cloche 11 est munie de la tubulure 31 avec la vanne pilotée 32 et le pilote électronique qui dirige le cycle met les deux enceintes en liaison avec l'air ou un gaz extérieur, le four 3, par le tube 25 et la vanne pilotée 26, la cloche 11, par le tube 31 et la vanne pilotée 32. Mais, pour que le métal continue à monter du creuset jusqu'aux retassures qui peuvent se former dans la pièce au cours de la solidification, il est nécessaire que la différence de pression entre le four et la cloche soit maintenue à la valeur qui existe à la fin de l'établissement de la surpression tPS . Dans ce but, le pilote électronique 30 (phase 4) ferme la vanne 24 d'aspiration sur la cloche et introduit l'air ou le gaz extérieur dans chacune des deux enceintes en pilotant les ouvertures-fermetures des vannes 26 et 32 pour maintenir à tout instant entre les deux enceintes, la différence de pression signalée précédemment. Cette opération se fait en quelques secondes. A la fin de la phase 4, si la cloche 11 est à la pression atmosphérique le four 3 est à une pression supérieure. Ces pressions sont maintenues jusqu'à la fin de la solidification. A la fin de la solidification, la cloche 11 et le four 3 sont ramenés (phase 5) à la même pression qui est en général la pression atmosphérique. I1 est à noter qu'à la fin du cycle la pression finale établie dans le four et dans la cloche pourrait etre supérieure à la pression atmosphérique. REVENDICATIONS =:=:=:=:=:=:=:=:=:=:=:=:=:= 1. Procédé de coulée basse-pression dans un moule sous vide, plus particulièrement destiné à la réalisation de pièces à parties minces, essentiellement en alliages métalliques tels que ceux d'aluminium, de magnésium, de cuivre, de fer, de chrome et de nickel, dans lequel les caractéristiques d'évolution de vitesse et de pression du métal au cours du remplissage du moule sont en tout point et à tout instant asservies à des valeurs prédéterminées, caractérisé en ce que le moule (7) et le four (3) sont placés dans deux enceintes hermétiques distinctes et en ce que les pressions dans les deux enceintes sont asservies constamment en vue de réaliser les étapes successives suivantes - dans une première phase, préalable à la coulée proprement dite, les pression dans les deux enceintes sont amenées conjointement à une même valeur de vide dépendant de la nature du métal, - dans une seconde phase, durant laquelle s'opère le remplissage complet du moule, la pression dans l'enceinte du moule est sensiblement maintenue à la pression de la première phase, cependant que la pression dans l'enceinte du four est asservie auxdites valeurs de pression du métal prédéterminées ; - dans une troisième phase, la pression dans l'enceinte du moule est toujours sensiblement maintenue à a pression de la seconde phase, cependant qu'à la pression dans l'enceinte du four est appliquée une surpression déterminée - dans une quatrième phase, la pression dans l'enceinte du moule est ramenée et maintenue à la pression de départ de la première phase ou à une pression différente, cependant que la pression dans l'enceinte du four est amenée à suivre l'évolution de la pression dans l'enceinte du moule en conservant constamment entre les deux pressions l'écart existant à la fin de la troisième phase, l'ensemble des phases 3 et 4 correspondant à l'étape de solidification du métal dans le moule et, enfin, - dans une cinquième phase, la pression dans l'enceinte du moule et celle dans l'enceinte du four sont ramenées à la pression de départ de la première phase. 2. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, comprenant un creuset (2) placé dans un four étanche (3), et un moule (7) disposé au dessus du four et relié à ce dernier par un conduit (5,6) plongeant dans le métal (1) du creuset, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, une enceinte hermétique (11) entourant ledit moule (7) et reliée, d'une part, à l'enceinte du four (3) par une canalisation (21) elle-même reliée à une source de vide (22) et munie de vannes (23,24,33) et, d'autre part, à l'atmosphère ou à une source de gaz appropriée, par une canalisation (31) munie d'une vanne (32), et un pilote électronique (30) relié, d'une part, auxdites vannes (23,24,33 ; 32), d'autre part, à une vanne (26) interposée dans une canalisation (25) reliant l'enceinte du four (3) à l'atmosphère ou à une source de gaz appropriée et à une vanne (26) interposée dans une canalisation (27) reliant l'enceinte du four (3) à l'atmosphère, et, enfin, à des dispositifs de contrôle de l'étanchéité au niveau des différents joints entre les éléments du dispositif de coulée. 3. Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, un capteur de présence du métal (Eo29) disposé dans ledit conduit (6) reliant l'enceinte du four (3) à l'enceinte (11) du moule (7) et relié audit pilote (30). 4. Dispositif suivant la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que le moule (7) est posé sur une plaque fixe (8) sur laquelle est fixée de manière amovible et étanche ladite enceinte (11), le moule (7) étant maintenu appliqué contre la plaque par un dispositif approprié. 5. Dispositif suivant la revendication 4, caractérisé en ce que ledit dispositif d'application du moule (7) est constitué de tiges filetées (12) traversant l'enceinte (11) et portées par un plateau (13.1) monté à l'extrémité de la tige d'un vérin (15.1) lui-même porté par un bras fixe (15'.1). 6. Dispositif suivant la revendication 4, caractérisé en ce que ledit dispositif d'application du moule (7) est constitué d'un plateau (13) solidaire d'une tige (14) de vérin traversant l'enceinte (11), le vérin (15) étant, soit porté par un bras fixe (15'), soit solidaire de l'enceinte par des liaisons rigides (15").