Brevet FR2653692A2 — publié le 19910503

FR 2653692 A2 19910503 FR 8914730 A 19891031 La présente invention est relative à un perfectionnement au procédé de moulage à mousse perdue sous pression contrôlée de pièces métalliques, notamment en aluminium et en ses alliages, tel que décrit dans la demande principale nO 8616415 déposée le 17 Novembre 1986. Il est connu de l'homme de l'art, principalement par l'enseignement de l'USP nO 3 157 924, d'utiliser pour le moulage des modèles en mousse polystyrène plongés dans un moule constitué par du sable sec ne contenant aucun agent de liaison. Dans un tel procédé, le métal à mouler, qui a été préalablement fondu, est amené par l'intermédiaire de canaux traversant le sable au contact du modèle et se substitue progressivement à ce dernier en le brfllant et en le transformant en vapeurs qui s' échappent entre les grains de sable. Cette technique s'est avérée séduisante à l'échelle industrielle, parce qu'elle évite la fabrication préalable, par compactage et agglomération de matériaux réfractaires pulvérulents, de moules rigides associés de façon plus ou moins compliquée à des noyaux par l'intermédiaire de canaux, et qu'elle permet une récupération facile des pièces moulées ainsi qu'un recyclage aisé des matériaux de moulage. Cependant, cette technique est handicapée par deux facteurs: - la relative lenteur de la solidification qui favorise la formation de piqûres de gazage - la relative faiblesse des gradients thermiques qui peut causer une microretassure si le tracé de la pièce en rend le masselottage difficile. C'est dans le but d'éviter de tels inconvénients que la demanderesse a mis au point un procédé de moulage à mousse perdue, objet de la demande de brevet publiée en France sous le NO 2606688. Cette demande enseigne qu'après avoir rempli le moule avec le métal fondu, c'est-à-dire quand le modèle a été détruit complètement par le métal, que les vapeurs émises par la mousse ont été évacuées, et de préférence avant que la solidification du métal ne s'amorce, on exerce sur l'ensemble du moule et du métal une pression gazeuse isostatique. Cette pression est appliquée suivant des valeurs croissantes dans le temps afin d'éviter le phénomène d'abreuvage et de manière que la valeur maximum soit atteinte en moins de 15 secondes. Dans cette demande, la valeur maximum de la pression a été fixée entre 0,5 et 1,5 MPa. Mais par la suite, cette fourchette a été étendue jusqu'à 10 MPa dans le certificat d'addition français nO 89-11943 déposé le 7 Septembre 1989, afin de pouvoir, entre autres améliorations, augmenter la tenue à la fatigue des pièces fabriqes. Entre temps, la demanderesse a aussi constatée, qu'outre le phénomène d'abreuvage conduisant à une déformation de la pièce, il se produisait lors de la combustion de la mousse par le métal, une liquéfaction préalable de cette mousse suivie d'une gazéification qui générait une pression telle que du gaz pénétrait dans le métal et y formait des soufflures tout en provoquant l'apparition d'inclusions de carbone provenant d'une combustion incomplète des résidus de mousse. Pour parer à cette nouvelle difficulté, elle a préconisé un perfectionnement, objet de la demande de certificat d'addition déposée le 7 Mars 1989 sous le NO 89-03706 et qui consiste à accroltre la pression avec une vitesse telle qu'en fonction de la granulométrie du sable, de la profondeur d'immersion du modèle, elle génère rapidement et temporairement par perte de charge à travers le sable une surpression du métal fondu par rapport au sable au niveau de leur interface, cette surpression atteignant une valeur comprise entre deux limites et décroissant ensuite à mesure que ladite pression augmente puis à maintenir ladite pression constante jusqu'à solidification complète. De préférence, la vitesse de croissance de la pression est comprise entre 0,003 et 0,3 MPa/sec et est d'autant plus petit que l'épaisseur de la pièce est grande, ladite surpression maximale étant atteinte en moins de deux secondes. C'est dans le cadre de la demande de brevet de base et de ses perfectionnements que la demanderesse a cherché à améliorer encore son procédé. En effet, il est connu que la pression maximum doit être appliquée avant que le métal coulé ait atteint un certain degré de solidification sinon l'effet de ladite pression est très atténué. Or, on a vu également que pour éviter le phénomène d'abreuvage et de pénétration dans la pièce de gaz issus de la vaporisation de la mousse, il fallait se maintenir initialement dans une fourchette donnée de surpression. Cela suppose que pour éviter une surpression trop élevée, la pression doit être augmentée pendant les premières secondes d'application de façon modérée. Mais par ailleurs, si l'on maintient cet accroissement à la même valeur, durant toute l'application de la pression, on constate que le plus souvent l'ensemble du métal est pratiquement ;'solidifié avant que la pression maximum soit atteinte et on limite ainsi l'efficacité du procédé. C'est pourquoi la demanderesse a eu l'idée de procéder à une montée en pression en deux étapes. D'où le procédé caractérisé en ce que l'on fait crotte initialement la pression à une vitesse comprise entre oxo03 et 0,3 MPa/sec pendant une première période d'au plus cinq secondes à partir du-début de la montée en pression puis à une vitesse supérieure à celle de la première période, pendant une deuxième période et ce jusqu a ce que la pression maximum soit atteinte. Ainsi, il est possible de se maintenir dans les conditions propres à éviter l'abreuvage et les inclusions de carbone et à atteindre la pression maximum avant que le métal ne soit complètement solidifié. De préférence, la première période est au plus de deux secondes car cette valeur suffit le plus souvent à éviter les inconvénients précités L1accroissement de vitesse de montée en pression peut être obtenu de deux manières différentes: - soit on procède en deux étapes au cours de chacune desquelles une vitesse faible et constante d'abord puis plus grande et constante ensuite est appliquée. La courbe de pression en fonction du temps est alors représentée par deux portions de droite avec un point commun situé au temps t S 5 secondes. Cela peut être obtenu en placant sur le circuit de gaz une vanne ou deux vannes présentant deux sections d'ouverture différente. - soit à un procédé au cours duquel la vitesse croît continument. La courbe de pression est alors représentée par une courbe continument croissante sur laquelle au temps t $ 5 secondes, la valeur de v est inférieure à 0,3 MPa/sec. Cela peut être obtenu à l'aide d'une vanne dont la section de passage augmente progressivement. Un exemple non limitatif de ce procédé consiste à adapter une loi d'ouverture donnant une croissance de la vitesse linéaire avec le temps de forme dP = kt ce qui conduit à une loi de pression parabolique p = 1/2 kt2. dt L'invention peut être illustrée à l'aide des exemples d'application suivants: EXEMPLE 1 On a réalisé un collecteur pour moteur à combustion interne en un alliage d'aluminium du type A-S7U3G contenant en poids 6,9% de silicium, 3,1% de cuivre, 0,3% de magnésium, solde aluminium et impuretés habituelles. Ce collecteur présentait des brides épaisses et des toiles minces d'épaisseur 3 mm pour lesquelles le temps permettant d'atteindre un taux de solidification de 30% était de l'ordre de 4 secondes; par ailleurs, le parcours du métal étant long cela entralnait une faible vitesse d'alimentation en fin de remplissage et nécessitait une surchauffe du métal. Le métal a été coulé dans un moule contenant le modèle en polystyrène noyé dans du sable et une pression maximum de 1,5 MPa a été appliquée conformément à l'invention suivant le processus: -pendant les deux premières secondes, une croissance de 0,25 MPa/sec de façon à atteindre une pression de 0,5 MPa. - pendant les deux secondes suivantes, une croissance de 0,5 MPa/sec de façon à atteindre la pression de 1,5 MPa. Ce processus a été réalisé à l'aide de deux vannes de section différente placées sur le circuit d'alimentation en gaz. On a ainsi éviter le problème de l'abreuvage et l'inclusion de carbone dans la pièce tout en se plaçant dans des conditions telles que la pression maximum soit atteinte avant que le taux de solidification n'atteigne 30%. Suivant l'art antérieur, l'application d'une pression croissant dans le temps aurait conduit pour atteindre 1,5 MPa en 4 secondes à une croissance de 0,375 MPa/sec, valeur supérieure à la limite imposée dans la demande 89-03706 et qui était de 0,30 MPa/sec. EXEMPLE 2 On a réalisé un bras de suspension en un alliage d'aluminium du type A-S7GO,3 contenant en poids 7,5% de silicium, 0,25% de magnésium, solde aluminium et ses impuretés habituelles. Ce bras présentait une épaisseur normale de 6 à 8 mm et le temps nécessaire pour atteindre un taux de solidification de 30% était de l'ordre de 20 secondes. Le métal a été coulé dans le moule et une pression maximum de 8 MPa a été appliquée conformément à l'invention suivant le processus consistant à obtenir au moyen d'une vanne pilotée, une montée en pression parabolique répondant à la formule P = 2x10.2 2 t2 avec P exprimé en MPa et t en secondes ce qui est réalisé grâce à une vitesse de montée en pression dP = 4xlO t dt Ce processus a permis: - pendant les deux premières secondes d'avoir une vitesse croissante n excédant pas 0,08 MPa/sec donc largement inférieure à la limite de 0,30 MPa/sec imposée dans la demande 89-03706 afin d'éviter l'abreuvage et cependant supérieure dès l'instant t=0,075 sec à la limite inférieure de 0,003 MPa/sec assurant une bonne évacuation des résidus gazeux et liquide provenant du modèle. - au terme de 20 secondes disponibles d'obtenir la pression de 8 MPa requise pour que le phénomène de compaction s'exerce pleinement. On a évité ainsi le problème de l'abreuvage et l'inclusion de carbone dans la pièce tout en se plaçant dans les conditions telles que la pression maximum soit atteinte avant que le taux de solidification atteigne 30%. Suivant l'art antérieur, l'application d'une pression croissant dans le temps aurait conduit pour atteindre 8 MPa en 20 secondes à une croissance de 0,4 MPa/sec, valeur supérieure à la limite requise pour éviter le phenomène d'abreuvage. REVENDICATIONS 1/ Perfectionnement au procédé de moulage à mousse perdue de pièces métalliques, notamment en aluminium et en ses alliages, dans lequel on plonge un modèle du produit à obtenir fait d'une mousse en matière organique dans un moule constitué par un bain de sable sec ne contenant aucun agent de liaison et après avoir rempli le moule avec le métal fondu et avant que la fraction solidifiée de métal dépasse 40 % en poids, on applique une pression gazeuse isostatique sur le moule, caractérisé en ce que l'on fait croître initialement la pression à une vitesse comprise entre 0,003 et 0,3 MPa/sec pendant une première période d'au plus 5 secondes à partir du début de la montée en pression puis à une vitesse supérieure à celle de la première période pendant une deuxième période et ce jusqu'à ce que la pression maximum soit atteinte. 2/ Perfectionnement selon la revendication 1 caractérisé en ce que la première période est au plus de deux secondes. 3/ Perfectionnement selon la revendication 1 caractérisé en ce que la vitesse est constante au cours de chacune des deux périodes. 4/ Perfectionnement selon la revendication 1 caractérisé en ce que la vitesse croît continument au cours des deux périodes. 5/ Perfectionnement selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pression maximum est comprise entre 0,5 et 10 MPa.