Brevet FR2682624A1 — publié le 19930423

DISPOSITIF ET PROCEDE POUR LA COULEE DE METAUX L'invention concerne la coulée de petites pièces métalliques, et en particulier de pièces coulées dentaires en titane. Il est connu dans l'art antérieur de couler des métaux en les chauffant dans un creuset au-dessus d'un moule, puis en déchargeant le métal fondu par un trou dans le moule, soit par gravité seulement, soit en y ajoutant la pression d'un gaz ou une dépression du côté du moule: voir le brevet US No 4 254 817, "Metal Casting Apparatus", délivré le 10 mars 1981 à Kidowaki et al; et le brevet US No 4 538 671, "Arc Furnace for the Production of Small Investment Castings of Reactive or Refractory Metals such as Titanium", délivré le 3 septembre 1985 à Waterstrat. On connaît des coulées en cire perdue comprenant une liaison obtenue par réaction entre oxyde de magnésium et phosphate d'ammonium, de même que des coulées en cire perdue comprenant des charges constituées par un mélange de zircone et d'alumine. On a trouvé que conformément à l'invention, la coulée de métaux pouvait être réalisée de façon simple et fiable par la fusion dans un creuset disposé au-dessus d'un moule, le creuset comprenant un trou communiquant avec le moule, le trou ayant un diamètre trop faible pour permettre, du fait de la tension superficielle et de la densité, au métal fondu de tomber dans ce trou par gravité, puis en faisant passer le métal fondu par le trou en lui imposant une pression par le dessus. On a trouvé en outre que la fusion a lieu de façon avantageuse dans une chambre dans laquelle s'étend une électrode pouvant effectuer un mouvement axial dans une unité de support l'entourant de façon étanche. On a trouvé également qu'une composition préférée pour coulée en cire perdue, pouvant être employée à basse température, peut être obtenue en mélangeant un matériau d'expansion séparé à un liant et à une charge. Dans des modes de réalisation préférés, le creuset est en cuivre de grade électronique à faible teneur en oxygène, subdivisé et comprenant un gradin le long de chaque moitié de manière que les deux moitiés soient pressées ensemble en direction axiale (celle de l'écoulement du métal) le long des gradins, le trou s'étend axialement alors que l'aire de la section de sa région d'écoulement est subdivisée le long d'un diamètre de manière que la moitié de l'aire de sa section soit disposée dans chacune des moitiés du creuset, et le creuset est monté à ajustement serré dans un foyer en cuivre, une région annulaire externe du creuset formant un angle légèrement supérieur par rapport à l'horizontale (non axiale) à celui d'une région annulaire interne correspondante du foyer. Dans d'autres modes de réalisation préférés, les liants sont constitués par un mélange de phosphate de monoammonium et d'oxyde de magnésium calciné, la charge est un mélange de zircone et d'alumine et le matériau expansible est du spodumène; et la cuisson s'effectue par une augmentation de la température de 9,40 C ( 150 F) à la minute jusqu'à une température d'au moins 10380 C ( 19000 F), cette température étant ensuite maintenue pendant un certain temps. Le mode de réalisation actuellement préféré est représenté sur les dessins et décrit de façon non limitative dans sa structure et son fonctionnement dans la description qui suit, dans laquelle on se réfère aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une vue en coupe d'ensemble schématique du mode de réalisation actuellement préféré de l'invention; la figure 2 est une vue en coupe intermédiaire de la portion du moule dudit mode de réalisation; la figure 3 est une vue en coupe agrandie du creuset et de son foyer (avec arrachement partiel de ce dernier) du mode de réalisation préféré. Structure A la figure 1 est montrée une chambre supérieure 10 et une chambre inférieure 12 Sur la paroi supérieure 14 en acier inoxydable et d'une épaisseur de 3,18 mm ( 1/8 de pouce) de la chambre supérieure est fixé par soudage (non montré) un récipient de compactage en acier inoxydable 16 sur lequel est vissé (les filets n'étant pas montrés) un chapeau 18 en acier inoxydable Dans le récipient 16 sont fixées une douille en caoutchouc au silicone 20 et une douille en TEFLON résistant à la chaleur 22 Au-dessus de la douille 20 sont placées des rondelles en nylon 24 et 26. Une électrode en tungstène 28 s'étendant à travers le chapeau 18, les rondelles 24 et 26 et les douilles 20 et 22 est reliée à son extrémité supérieure au côté positif d'une source de puissance en courant continu haute fréquence 30 de 175 Ampères, dont le côté négatif est relié au foyer en cuivre 32 (grade électronique à faible teneur en oxygène). L'électrode 28 peut être ajustée vers le haut ou vers le bas (par des moyens non montrés) après avoir desserré le chapeau 18. Le foyer 32 est raccordé de façon étanche au vide à la chambre par une paire de joints toriques en caoutchouc au silicone 34 et à la chambre 12 par une paire de joints toriques en caoutchouc au silicone 36. Une pompe à vide 40 et un réservoir d'argon 42 sont reliés à la chambre supérieure 10 par une conduite 38, avec des moyens à soupape (non montrés) pour les commuter. Le creuset 44 est disposé à l'intérieur du foyer 32 qui l'entoure et il est en cuivre de grade électronique à faible teneur en oxygène comme le foyer 32. Le foyer 32 et le creuset 44 comprennent des surfaces biseautées presque concordantes 46, 48 Le creuset 44 est maintenu contre le foyer 32 par la force de ressorts 56 qui agissent par l'intermédiaire du moule 50 La surface 46 est à 450 par rapport à l'horizontale et la surface 48 à 45,5 par rapport à l'horizontale, le foyer et le creuset étant assemblés au niveau d'un joint étanche au vide et la connexion électrique entre lesdites surfaces le long de parties annulaires s'effectuant en direction des parties supérieures du foyer et du creuset. Le moule 50, duquel fait saillie l'extrémité semi-sphérique du collier en céramique pressée 52 du type isolateur de thermocouple, est sollicité par la plaque 54 et par trois ressorts 56 circonférentielle- ment équidistants (dont deux seulement sont montrés à la figure 1), qui peut être comprimé par l'intermédiaire de la plaque 58 par un mouvement de la poignée 60 dans un évidement de forme semi-sphérique correspondante prévue dans le fond du creuset 44 Des trous en alignement 62 et 64, qui sont tous les deux d'un diamètre de 6,35 mm ( 0, 250 "), s'étendent respectivement à travers le creuset 44 et le collier 52 Ce collier 52 est disponible en un matériau répondant à l'appellation "isolateur en arête de poisson 3 F ( 3 F fish spin insulator) auprès de Arklay S Richards Co Inc, Newton Highlands, MA Le trou 62 est défini par deux demi-trous semi-cylindriques 62 a, 62 b, à raison d'un dans chaque moitié 44 a, 44 b du creuset Le trou 62 a une longueur dans la direction axiale de 3,18 mm ( 1/8 "). Des lèvres 80 a, 8 Ob s'étendent chacune semi-circonférentielle- ment autour des moitiés 44 a, 44 b, avec des espacements 82 a, 82 b définissant des espaces annulaires d'une épaisseur de 1,59 mm ( 1/16 ") (en direction axiale). Le moule 50 et le collier 52 sont montrés plus en détail à la figure 2 qui montre également la base gabarit en caoutchouc 70 avec un téton 72 utilisé (dans la position inversée par rapport à la figure 2) pour réaliser le moule 50 (et retiré ensuite avant de créer l'ensemble de la figure 1), un cylindre métallique 74, la cavité de moulage 76 et une dispositif de coulée en cire perdue 78. Le dispositif de coulée en cire perdue 78 est constitué en un mélange de liant, de charge et de matériau d'expansion. Les matériaux de la charge constituent 12 % en poids du disposi- tif de coulée en cire perdue 78 La moitié du poids ( 6 % du dispositif de coulée en cire perdue) est en phosphate de monoammonium vendu par Monsanto Chemical Co sous la dénomination de Code 135; l'autre moitié est en oxyde de magnésium calciné, avantageusement celui qui est vendu par Premier Refractories and Chemicals sous l'appellation de Code DB 90. La charge représente 83 % en poids du dispositif de coulée en cire perdue 78 Cette charge, en pourcentages du dispositif de coulée en cire perdue, est constituée par: 20 % de zircone (avantageusement celle vendue par Zircoa Inc qui est un dioxyde de silicium de faible grade, 0, 75 au maximum); 31,5 % d'alumine -100 mesh (avantageusement celle qui est vendue par Whittaker, Clark and Daniels sous la désignation No 661); et 31,5 % d'alumine + 325 mesh (avantageusement celle qui est vendue par la société dernièrement mentionnée sous la désignation No 635). Le matériau d'expansion est de l'aluminosilicate de lithium, habituellement connu sous le nom de spodumène, dont la dimension des particules est de 44 microns, qui est avantageusement disponible chez Foote Minerals, King's Mountain, N C, et qui constitue les 5 % restants du mélange du dispositif de coulée en cire perdue. Fonctionnement Pour produire le moule 50, on oriente la base gabarit 70 en caoutchouc en la renversant comme montré à la figure 2 On place ensuite le collier 52 sur le téton 72, ce qui aligne le collier 52 Un modèle en cire qui correspond par sa configuration externe aux surfaces qui doivent avoir la forme 76 du moule est ensuite fixé en étant relié par le trou 64 du collier 52 au moyen d'une carotte en cire passant par les trous 64 et 79. Les ingrédients du dispositif de coulée en cire perdue sont mélangés les uns aux autres et brassés à l'eau sous vide, d'une manière classique, puis versés dans le tube 74 (placé sens dessus dessous par rapport à la position montrée à la figure 2), dans lequel s'étend la cire comme décrit. On retire ensuite le gabarit 70, et le dispositif de coulée en cire perdue 78, qui se solidifie en environ 8 minutes et qui atteint sa dureté totale en environ une heure et demie, est cuit par "brûlage" dans des conditions de chauffage caractérisées par une augmentation de la température de 9,40 C ( 150 F) à la minute jusqu'à 10380 C ( 19000 F), cette température étant maintenue pendant une heure. Naturellement, la cire est retirée après cette étape (fondue et ensuite brûlée). Ce dispositif de coulée en cire perdue présente une faible réactivité vis-à-vis du titane, une bonne résistance et une dilatation suffisante pour s'opposer de façon appropriée à un rétreint à la fois de certains des composants du dispositif de coulée en cire perdue et du titane coulé. Le moule et le collier sont ensuite assemblés pour former le creuset 44 et le foyer 32 montrés à la figure 1 L'évidement 94 de la plaque 54 et le collier 52 déterminent, avec l'évidement inférieur du creuset, un centrage relatif des trous 62 et 64 l'un par rapport à l'autre Du fait de l'évidement 92 prévu à la partie supérieure du creuset 44 et de la relation coaxiale entre l'évidement 92 et le trou 1 o 62, le titane fondu en forme de boule roule automatiquement en position sur le trou 62, ce qui fait que le positionnement précis du lingot 90 par rapport au trou 62 n'est pas nécessaire. L'utilisation des ressorts 56 réduit la nécessité de la précision en hauteur de la combinaison moule-collier 50, 52. Les lèvres 80 a, 80 b qui viennent en contact avec le foyer 32 si les moitiés de creuset 44 a, 44 b ne sont pas correctement orientées par rapport au foyer permettent d'être certain que les surfaces biseautées s'assemblent correctement. Les surfaces biseautées 46, 48 déterminent une région supplémentaire permettant une meilleure conduction électrique. L'électrode 28 est ensuite déplacée axialement et amenée en contact avec le lingot 90 et l'élément suiveur 18 est serré pour produire un joint autour de l'électrode au moyen de la douille 20. Les gradins coopérants du récipient 16 et de la douille 22 empêchent cette dernière d'effectuer un mouvement axial indésirable. La douille 20 est caoutchouteuse et flexible, ce qui fait que, sous la sollicitation du chapeau 18 et en coopération avec les surfaces tronconiques correspondantes du récipient 16 et de la douille , on constitue un joint autour de l'électrode 28 Les rondelles 24 et 26 sont non conductrices et comportent des trous tout juste suffisants pour permettre un mouvement libre de l'électrode 28; la rondelle 24 empêche la rondelle 26 de se tordre quand on fait tourner l'élément suiveur 18. La chambre 10 est ensuite mise sous vide jusqu'à 50,8 mm ( 2 pouces) de mercure, puis elle est remplie d'argon à une pression de 71,12 cm ( 28 pouces) de mercure Cette séquence de mise sous vide à la pression de 50,8 mm ( 2 pouces) et d'introduction d'argon à la pression de 71,12 cm ( 28 pouces) est ensuite répétée Finalement, la mise sous vide à 50,8 mm ( 2 pouces) est effectuée une troisième fois, pour réduire encore plus les impuretés présentes dans la chambre 10. L'argon est alors introduit à une pression de 15,24 cm ( 6 pouces) de mercure. Un arc est ensuite provoqué entre l'électrode 28, en contact avec un lingot de titane 90 de 10 grammes de grade 2, et le creuset 84, fondant le titane qui, en raison de la tension superficielle élevée et de la faible densité, reste sur la surface concave supérieure 92 du creuset et ne tombe pas par le trou 62, mais le ferme de façon étanche. Un avantage vient du fait qu'il n'y a pas de parties en mouvement quand l'arc est formé. La fusion s'effectue en quelques secondes, ce qui est important aussi bien du point de vue de la durée en elle-même que de la minimisation de la réaction du titane avec les impuretés présentes. La masse de cuivre est suffisamment importante pour qu'elle ne soit pas fondue du fait de sa bonne conductivité thermique, en dépit de la température élevée du titane fondu. Le relation entre le creuset 44, son évidement supérieur et son trou 62 avec le collier 52, son trou 64 et le moule 76 détermine un trajet court et propre pour l'écoulement du métal fondu, réduisant au minimum les pertes et la quantité de métal nécessaire à chaque coulée. La chambre supérieure 10 comprend une fenêtre de surveillance (non montrée) par laquelle on peut observer l'état du lingot 90 et de la boule fondue qui en provient, ce qui permet de déterminer le moment o la boule fondue doit être entraînée dans les trous 62, 64. Bien que le titane fonde à 909 *C ( 16680 F), on fait monter sa température à 954 C ( 1750 F), température à laquelle on observe un frémissement. On introduit alors l'argon à une pression d'une atmosphère, entraînant le titane fondu par les trous 62, 64 dans le moule 50 Du fait de la courte longueur de 3,18 mm ( 1/8 ") du trou 62, le titane fondu ne se refroidit pas de façon inacceptable quand il se déplace en direction du moule 50. Le cuivre du creuset ne contamine pas indûment le titane fondu quelles que soient les circonstances. Après coulée et refroidissement, on sépare le creuset et le foyer et on sépare les deux moitiés du creuset, ce qui permet un retrait facile de la pièce coulée En raison de la présence de l'oxyde de zirconium dans le dispositif de coulée en cire perdue, le démoulage et le nettoyage par sablage de l'élément coulé sont faciles. Autres modes de réalisation On peut utiliser d'autres métaux que le titane, par exemple dé l'or, de l'argent, du palladium, du chrome et leurs alliages. On peut utiliser d'autres matériaux pour le dispositif de coulée en cire perdue. On peut utiliser d'autres matériaux pour le creuset et le foyer. Le gaz inerte qui est utilisé pour protéger le titane vis-à-vis d'une réaction peut être différent de l'argon. REVENDICATIONS 1 Dispositif de coulée de métal, caractérisé en ce qu'il comprend en combinaison une zone de fusion ( 10), dans laquelle sont prévus des moyens de chauffage ( 28) et un creuset ( 44), ledit creuset étant en cuivre et comportant un trou traversant ( 62) d'un diamètre d'environ 6,35 mm, une zone de coulée ( 50), et des moyens de mise sous pression ( 40, 42) pouvant agir sur ladite zone de fusion pour entraîner le métal fondu par ledit trou dans ladite zone de coulée ( 76). 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un moule ( 50) dans ladite zone de coulée, ledit moule comprenant un liant, une charge et un matériau d'expansion séparé. 3 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau d'expansion séparé est de l'aluminosilicate de lithium. 4 Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le liant est un mélange de phosphate de monoammonium et d'oxyde de magnésium calciné. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la charge est constituée par un mélange de zircone et d'alumine. 6 Dispositif selon les revendications 4 et 5, caractérisé en ce que le matériau d'expansion est constitué par des particules d'une dimension de 44 microns. 7 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend également un foyer ( 32), le creuset ( 44) étant en contact thermique avec le foyer. 8 Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le creuset et le foyer sont dans une relation annulaire. 9 Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'une surface externe biseautée du creuset est en contact avec une surface interne biseautée du foyer. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que la surface interne a un diamètre qui diminue dans sa direction axiale en direction de la zone de fusion. 11 Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que la surface externe biseautée forme un angle avec la direction axiale qui est légèrement inférieur à celui formé par ladite surface interne biseautée. 12 Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que les angles indiqués sont respectivement de 44,50 et de 45 13 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un collier ( 52) et un moule ( 50), ledit collier et ledit moule présentant des surfaces coopérantes. 14 Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que lesdites surfaces sont semi-sphériques. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que ledit collier est en céramique. 16 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le creuset est fendu 17 Dispositif selon la revendication 16, caractérisé en ce que des portions séparées du creuset viennent buter à la fois en direction transversale et en direction axiale contre d'autres portions dudit creuset. 18 Dispositif selon la revendication 17, caractérisé en ce que sont prévues deux portions semi-circulaires. 19 Dispositif selon la revendication 18, caractérisé en ce que des goupilles interconnectent lesdites portions. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le creuset comprend autour de lui, et légèrement espacée du foyer, une lèvre pour faciliter l'inter-engagement. 21 Dispositif de coulée de métal caractérisé en ce qu'il comprend une zone de fusion ( 10), une zone de coulée ( 50), des moyens de support de métal fondu ( 32, 44) généralement horizontaux disposés entre lesdites zones, un orifice ( 62) traversant lesdits moyens de support, ledit orifice ayant une dimension telle que la gravité ne laisse pas passer le métal fondu par lesdits moyens de support, et des moyens ( 40, 42, 28) pour mettre sous pression la zone de fusion ( 10) en supplément de la force de gravité. 22 Dispositif selon la revendication 21, caractérisé en ce qu'il comprend une électrode ( 28) s'étendant dans ladite zone de fusion ( 10) et une unité de traversée ( 16-26) pour permettre sélectivement le mouvement de l'électrode par rapport à ladite zone de fusion ou sa retenue par contact étanche. 23 Dispositif selon la revendication 22, caractérisé en ce que ladite unité comprend une première douille ( 20) compressible en direction radiale, des moyens ( 18) pour comprimer radialement et sélectivement ladite première douille, et une seconde douille ( 22) de support axial. 24 Procédé de coulée de métal, caractérisé en ce qu'il comprend: la fusion d'un métal dans un compartiment, ledit compartiment étant disposé au-dessus d'un creuset qui comporte un trou traversant ayant une dimension telle que la tension superficielle du métal empêche le déplacement par gravité du métal par ledit trou, et ensuite l'application d'une pression dans ledit compartiment pour faire passer le métal par le trou.