Brevet FR2641218A1 — publié le 19900706

- La présente invention a pour objet une nouvelle composition particulièrement bien adaptée à la fabrication d'éléments moulants. Elle a plus particulièrement pour objet un matériau pour moules à base de silice vitreuse. A l'heure actuelle, la mise en forme par moulage, utilise des moules métalliques en général d'une seule nature. L'emploi de la plupart des métaux présente de très nombreux inconvénients. D'une part, on peut citer la trop grande conductibilité thermique de ces pièces métalliques et d'autre part, les éléments chimiques constitutifs du moule risquent de migrer dans la pièce en cours de moulage et ce, notamment, en raison de la différence de potentiel pouvant exister entre le moule et la matière à mettre en forme. Une partie de ces problèmes est résolue par la technique dite du "poteyage" qui consiste à réaliser un revêtement à l'intérieur des moules. Toutefois, en raison des contraintes exercées sur les parois du moule, ce poteyage ne permet pas de résoudre les problèmes ci-dessus de façon durable et ne constitue finalement qu'un palliatif. Parmi les différents problèmes non résolus, ceux qui sont induits par la trop grande conductibilité thermique des moules sont les plus importants. En particulier, le fait qu'il y ait des zones d'épaisseur variable dans la pièce à mouler conduit à des difficultés lors du remplissage du moule, les parties les plus étroites refroidissant beaucoup plus vites. Pour pallier ces difficultés, en général on est conduit d'une part, à accorder un volume important à la masselotte qui servent de réserve à la pièce à mouler, "les masselottes" d'autre part, à chauffer les moules avant et souvent pendant la production et enfin à augmenter la température de la matière alimentant le moule. Tous ces palliatifs sont très coûteux tant en argent qu'en énergie. En outre, le poteyage est une opération longue qui immobilise les moules, ce qui implique d'avoir au moins deux jeux de moules, l'un étant en cours de poteyage pendant que l'autre est en service. ~ En outre, I'ensemble des appareillages est immobilisé lorsque l'on change un jeu de moules par un autre. Dans ce dernier cas, une perte de rendement de l'ordre de 10 à 20 9o est relativement courante. C'est pourquoi un des buts de la présente invention est de fournir un matériau utilisable pour les moules qui ne réagissent pas avec les matières à mettre en forme. Un autre but de la présente invention est de fournir un matériau dont on puisse maîtriser la conductibilité thermique. Un autre but de la présente invention est de fournir un matériau du type ci-dessus qui ne nécessite pas de poteyage. Un autre but enfin, est de fournir des moules ou des parties de moules réalisées en ce matériau. Ces buts et d'autres qui apparaîtront par la suite sont atteints au moyen d'un matériau pour éléments moulants, caractérisé par le fait qu'il contient de la silice vitreuse en quantité au moins égale à 30 % avantageusement à environ à la moitié en volume. En effet, au cours des études qui ont mené à la présente invention, il a été montré que contrairement aux enseignements de l'art antérieur, d'une part, il était possible en optimisant les conditions opératoires, de réaliser des pièces pour lesquelles le rapport entre l'épaisseur maximale et l'épaisseur minimale était élevé. II a été également montré qu'au cours de la fabrication des éléments moulants et lors de leur utilisation les agents de charges et les adjuvants diffusaient trop peu dans la silice vitreuse pour en altérer les propriétés. Il a été montré que l'on pouvait choisir une large gamme de divers matériaux constituant la charge et/ou le liant. En ce qui concerne la charge, elle peut être choisie dans les différents adjuvants classiques : terres réfractaires, oxydes métalliques, ou composés d'oxydes, borures métalliques, carbures métalliques, nitrures métalliques, néocéramiques, silice vitreuse et composés de la silice. Parmi les oxydes métalliques, ce sont les oxydes réfractaires et composés d'oxydes qui sont concernés et plus particulièrement les oxydes des métaux de transition et des éléments des colonnes 3 et 4a de la classification périodique des éléments. Comme carbures, les carbures les plus appropriés sont les carbures de silicium, de titane, de tungstène ; comme nitrures, les nitrures de titane, de tungstène, de bore, de silicium, les sialons et les oxy-nitrures de silicium ; comme borures, les borures de titane; comme néocéramiques, on peut citer celles qui sont obtenues par décomposition thermique des carbosilanes. Un des avantages de la présente invention est de pouvoir moduler la conductibilité thermique en jouant sur l'importance et la composition de la charge. On peut ainsi faire varier la conductibilité thermique facilement entre une valeur d'environ 1/2 W/m. C à environ 10 W/m."C. Pour la mise en oeuvre de ces matériaux, il a fallu mettre au point diverses compositions et divers procédés surtout lorsque le rapport de l'épaisseur maximum sur l'épaisseu! minimum de la pièce à mettre en forme est supérieur à environ 1,5. Les techniques mises en oeuvre permettent d'obtenir facilement la fabrication de pièces dont les rapports d'épaisseur atteignent environ 6, 7, voire 10. La technique mise en oeuvre utilise un mélange contenant entre 2 et 20 % d'eau en poids.Ce mélange est composé d'une barbotine de silice vitreuse, de silice vitreuse en grains, de la charge d'adjuvants et du liant éventuel. Ladite barbotine contient en outre des agents à viscosité pour amener la viscosité du mélange à une valeur comprise entre 0,1 Pa.s et environ 50 Pa.s. La technique de mise en forme conditionne la viscosité et la teneur en eau de ladite barbotine et dans une moins mesure, la granulométrie de la silice vitreuse. La granulométrie et la viscosité doivent être choisies de manière que la vitesse de sédimentation d'une particule moyenne soit inférieure à environ 200, de préférence à environ 100 mmlh. Lorsque l'on utilise une technique de coulage, il convient de prévoir pour le moule un réservoir pour compenser le rétreint qui est en général de environ 10 % en volume. Pour cette technique de coulage, on utilise de préférence une barbotine ayant de l'ordre de 16 à 20 ,ó d'eau. Ce mélange est coulé dans un moule réalisé en plâtre à modeler selon des techniques connues en soi. Au cours du séchage dans le moule plâtre, le rétreint est compensé par la réserve de mélange. Pour les autres techniques, à savoir le pressage, I'injection, le vibro-compactage ou le vibro-coulage, on utilise des mélanges ayant une viscosité élevée de l'ordre de I à 20 Pa.s, de préférence aux alentours de 10 Pa.s. Dans ces cas également, on utilise les mélanges ayant un pourcentage d'eau bien inférieur puisqu'ils ne contiennent en général qu'entre environ 2 et environ 10 % d'eau en poids. Une fois le mélange mis en forme, la cohésion de la pièce est obtenue par vieillissement naturel, par séchage, par polymérisation ou par cuisson. Ces moyens peuvent être utilisés séparément ou en combinaison. Dans certains cas très difficiles, il peut être envisagé après obtention de la cohésion, de modifier la forme des pièces et en améliorer l'état de surface. La tolérance dimensionnelle dans ce cas est de l'ordre de 1/10e de millimètre. Il convient pour cela d'utiliser de préférence des outils diamantés et/ou carburés avec, à titre d'exemple, des fraises de environ 2 à 10 millimètres de diamètre, ayant une vitesse de coupe supérieure à 250 m/mn et ayant une vitesse d'avance de aux alentours de 10 à 100 mm/mn ; les quantités enlevées sont de l'ordre de 100 mm3/mn. Les pièces ainsi obtenues pourront former des coquilles ou des éléments de moule qui, rassemblés par exemple dans un berceau, pourront constituer le moule dans sa totalité. Chaque élément du moule pourra avoir sa propre conductibilité thermique permettant ainsi des gains substantiels de productivité et une baisse significative des masselottes. Dans la présente description, les expressions "environ", "aux alentours de" et "de l'ordre de" soulignent que les valeurs chiffrées données correspondent à des arrondis mathématiques et que les zéros ne constituent pas des chiffres significatifs mais correspondent simplement à l'arithmétique de position. ~ A titre indicatif, des essais réalisés sur la coulée de pistons (cf. exemple) ont pu permettre de réduire la masselotte d'une quantité égale à 102 g pour un poids de pièce brute de 453 g. L'exemple non limitatif suivant mettra à même l'homme du métier de mettre en oeuvre la présente invention et d'en mieux comprendre l'intérêt. Exemple Un moule de piston est réalisé en utilisant les techniques objets de la présente invention. Les éléments du moule sont réalisés en utilisant un mélange à 18 % en eau constitué d'une barbotine réalisée avec une silice vitreuse dont le d80 est 41 I um et d'une charge composée de silice vitreuse de granulométrie L 300pm et éventuellement complétée par du carbure de silicium et l'un ou plusieurs des autres adjuvants décrits précédemment dans des moules en plâtre à modeler. Une fois la pièce sèche, cette dernière est progressivement portée à 850"C, I'opération de montée en température dure 4 jours ; la pièce est maintenue à 8500C pendant 24 heures. On ramène progressivement l'élément moulant à température ambiante; I'opération dure 24 heures ; les éléments sont montés comme indiqué dans les figures 1, 2 et 3. - la figure 1 représente un demi-moule, vu en élévation, du côté de la face interne de celui-ci, - la figure 2 est une coupe selon A-A du moule complet tel que représenté en figure 1, - la figure 3 est une coupe selon B-B du même moule complet. La forme des éléments du moule et leur montage sont connus en soi et ne sont pas l'objet de la présente invention, aussi pour alléger la description, on se contente de rassembler dans le tableau suivant la référence, le nombre, et des indications sur la composition et sur la conductivité des éléments constitutifs du moule. La silice vitreuse utilisée est celle vendue sous la marque Clasrock et dont les caractéristiques sont rassemblées dans le tableau I suivant. Les références de ces figures sont la constitution des éléments référencés et rassemblés dans le tableau II. TABLEAU I CARACTERISTIQUES GENERALES Analyse chimique : SiO2 99,5 % Composition minéralogique Phases cristallines 2 % Propriétés physiques Densité 1,9 Kg.dm-3 Porosité ouverte 12 % Coefficient de dilatation 0,6 10-6K-1 Module de rupture pour flexion 12 N.mm 2K -l Conductivité thermique 533 K (260 C) 0,42 W/m.K (0,36 Kcal.h-1.m-1 . C-1) 813 K (540 C) 0,59 W/m.K (0,51 Kcal.h-1.m-1. C-1) 1088 K (815 C) 0,74 W/m.K (0,64 Kcal.h-1.m-1. C-1) 1363 K (1090 C) 1 W/m.K (0,88 Kcal.h-1.m-1. C-1) TABLEAU II REFERENCE NOMBRE INTITULE MATERIAUX CONSTITUTIFS 15 2 Joint collé carton fibreux 14 2 Partie inférieure d'alimentation acier 38CD4 13 2 Partie supérieure glasrock* pur # 0,6 12 1 Chape droite côté coulée 70 % glasrock* 11 1 Chape droite côté opposé " " 10 1 Chape gauche côté coulée " " 09 1 Chape gauche côté opposé " " 08 1 Pavé rapporté de corps de chape droit glasrock pur # 0,6 07 1 Pavé rapporté de corps de chape droit " " " 06 1 Pavé rapporté de corps de chape gauche " " " 05 1 Pavé rapporté de corps de chape gauche " " " 04 2 Plaquette de maintien acier CC35 03 2 Plaquette de maintien " " 02 4 Bride " " 01 2 Support " " * dénomination commerciale de silice vitreuse # = conductivité thermique REVENDICATIONS 1. Matériau pour éléments moulants, caractérisé par le fait qu'il contient de la silice vitreuse en quantité au moins égale à 30 % en masse. 2. Matériau selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre une charge contenant au moins un adjuvant choisi dans le groupe constitué par les terres réfractaires, les oxydes métalliques et composés d'oxydes, les carbures, les borures, les nitrures, les oxy-nitrures de silicium, les sialons et les produits de décomposition thermique des carbosilanes. 3. Matériau selon les revendications I et 2 prises séparément, caractérisé par le fait que l'on choisi les éléments de la charge de manière à ajuster la conductibilité thermique de la composition entre environ 1/2 à environ 10W Ir. K 4. Eléments moulants susceptibles de fonctionner entre 200 et 1600"C, caractérisé par le fait qu'ils sont réalisés en matériau selon les revendications 1 à 3 prises séparément. 5. Procédé pour réaliser un élément moulant selon la revendication 4, caractérisé par le fait que ladite silice vitreuse est mise au moins en partie barbotine et en partie en charge, que des adjuvants y sont ajoutés et par le fait que le mélange présente une viscosité comprise entre environ 0,1 ml Pa.s et 50 Pa.s, de préférence entre 0,5 et 20 Pa.s. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé par le fait que la teneur en eau du mélange varie de 2 à 20 % en poids.