Brevet FR2819205A1 — publié le 20020712

"Noyau de fonderie à base de borates de potassium et procédé de fabrication d'un tel noyau" L'invention concerne un noyau pour la réalisation de formes creuses par fonderie et un procédé de fabrication d'un tel noyau. L'invention concerne plus particulièrement un noyau pour la réalisation de formes creuses par fonderie, du type dans lequel le noyau comporte des sels minéraux. Pour réaliser par fonderie des pièces en alliages légers comportant des formes creuses de complexité variable, il est nécessaire de disposer dans des moules des éléments particuliers de la forme des cavités souhaitées. Ces éléments s'appellent noyaux ou tiroirs selon que leur extraction implique ou non leur destruction. La présente demande concerne les noyaux, qui sont donc détruits à la fin du processus de fabrication par fonderie. Généralement, ces noyaux sont réalisés à base de sable et de liants. Après la coulée de la fonte d'alliages légers et sa solidification dans le moule, les liants perdent leurs propriétés, ce qui provoque la destruction des noyaux à l'intérieur de la pièce nouvellement fabriquée. Le sable peut alors être extrait de la pièce par une opération dite de débourrage. Les noyaux à base de sable et de liants présentent de faibles propriétés mécaniques, les solutions les plus robustes offrant une résistance à la rupture de l'ordre de 10 MPa (Méga Pascal). De ce fait, l'utilisation de noyaux à base de sable est limitée : - en termes de finesses de géométrie de noyaux utilisables, car une portion de noyau en sable d'une section de 25 mm2 et d'une portée de 40 mm correspond à une géométrie critique ; - en termes de procédés de fonderie pouvant utiliser de tels types de noyaux, car les noyaux à base de sable ne peuvent être utilisés que dans des procédés de fonderie à faible pression, par exemple en fonderie du type coulée par gravité ou du type coulée à basse pression. Par ailleurs, les noyaux à base de sable ne peuvent offrir des états de surfaces de faible rugosité, c'est à dire de 10 à 20 micromètres, que s'ils sont préalablement enduits, ce qui complique le procédé de fabrication et augmente son coût. De plus, après la solidification de la fonte, il est difficile de retirer l'intégralité du sable, certaines particules restant accrochées aux parois des cavités. Lorsque ces cavités sont destinées à canaliser des fluides, par exemple de l'huile de lubrification dans un moteur de véhicule automobile, la présence de particules abrasives peut entraîner des dommages en fonctionnement. Pour résoudre ces problèmes de propreté et d'états de surfaces, on utilise parfois des noyaux qui sont réalisés par compactage de sels minéraux. Les noyaux de ce type sont cependant fragiles et limités en termes de géométries admissibles. Les procédés de fonderie sous pression offrent de nombreux avantages. Ils permettent notamment de réduire le nombre d'opérations d'usinage et d'augmenter les cadences de fabrication. De plus, les pièces obtenues par des procédés de fonderie sous pression ont des caractéristiques mécaniques plus intéressantes, notamment en termes de résistance à la fatigue. Les avantages obtenus par les procédés de fonderie sous pression sont liés principalement à la formation de pièces de structures métallurgiques plus fines en raison d'un refroidissement plus rapide sous pression. Actuellement, seuls les noyaux dits céramiques peuvent être utilisés dans les procédés de fonderie sous pression. Cependant, les noyaux céramiques ne peuvent pas être utilisés pour la réalisation de pièces en alliage d'aluminium ou de magnésium. En effet, la destruction de ce type de noyaux se fait par dissolution dans des acides forts qui détériorent l'état de surface des alliages d'aluminium ou de magnésium. L'invention vise à remédier à ces inconvénients en proposant un noyau compatible avec les procédés de fonderie sous pression, pour la réalisation de formes creuses de géométries fines, et compatible avec tous les types d'alliages légers utilisés dans ces procédés. Dans ce but, l'invention propose un noyau pour la réalisation de formes creuses par fonderie, du type dans lequel le noyau comporte des sels minéraux, caractérisé en ce qu'au moins une partie des sels minéraux est choisie parmi les borates de potassium. Le noyau selon l'invention permet de réaliser des pièces comportant des formes creuses de géométries complexes et présentant un bon état de surface, tout en garantissant la propreté des cavités. Ce noyau peut être utilisé dans un procédé de fonderie sous pression, mais il peut aussi être utilisé dans un procédé de fonderie du type coulée par gravité, en vue d'améliorer l'état de surface des cavités et en vue de réaliser des cavités de géométries plus complexes, par rapport à un procédé de fonderie du type coulée par gravité utilisant un noyau à base de sable ou de sels minéraux classiques. Selon d'autres caractéristiques de l'invention : - le noyau est constitué exclusivement de borates de potassium ; - le noyau comporte au moins l'un des borates de potassium suivant : . métaborate ou monoborate de potassium ; diborate de potassium ; . triborate de potassium ; 'tétraborate de potassium ; . pentaborate de potassium. L'invention concerne aussi un procédé de fabrication d'un noyau selon l'une des caractéristiques précédentes, caractérisé en ce que le noyau est réalisé par compactage ou par fonderie en réalisant une coulée de sels minéraux en fusion dans un moule. Selon d'autres caractéristiques de ce procédé : - le noyau est réalisé par fonderie du type coulée par gravité ; - le moule est chauffé juste avant la coulée des sels minéraux, de manière à diminuer la différence initiale de température entre les sels minéraux et le moule ; - le coefficient de dilatation du matériau du moule est supérieur ou égal au coefficient de dilatation des sels minéraux. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera à la figure unique annexée qui est une vue schématique en coupe transversale qui représente un moule pour la réalisation d'un noyau conformément aux enseignements de l'invention. Conformément aux enseignements de l'invention, un noyau pour la réalisation de formes creuses par fonderie comporte des sels minéraux dont au moins une partie est choisie dans les borates de potassium, qui s'expriment sous la forme K20-B20s) > . Le noyau peut utiliser des borates de potassium purs ou mélangés à d'autres composés, en vue d'ajuster les propriétés mécaniques et physiques du noyau au type d'utilisation désiré. Avantageusement, le noyau comporte au moins l'un des borates de potassium suivant : - ! e métaborate ou monoborate de potassium qui s'exprime sous la forme 8203, K20 ou sous la forme ko2 ; - le diborate de potassium qui s'exprime sous la forme 2B203, K20 ; - le triborate de potassium qui s'exprime sous la forme 3B203, K20 ; - le tétraborate de potassium qui s'exprime sous la forme 4B203, K20 ; - le pentaborate de potassium qui s'exprime sous la forme 5B203, K20 ou sous la forme KB508 . Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 1, le noyau 10 est réalisé par un procédé de fonderie du type coulée par gravité avec du métaborate de potassium pur. Dans le procédé de fabrication selon l'invention, le métaborate de potassium est mis en solution au-delà de sa température de fusion dans un creuset. On note qu'il ne doit pas y avoir de diffusion d'éléments du creuset vers la solution de métaborate de potassium, au risque de modifier considérablement ses propriétés. Avantageusement, on utilise un creuset qui comporte des parois internes munies d'un revêtement en platine. Selon une variante, les parois du creuset peuvent être réalisées en platine massif. D'autres matériaux comportant les mêmes propriétés de neutralité vis-à-vis des borates de potassium peuvent être utilisés pour réaliser les parois internes du creuset. La température de coulée de la solution de métaborate de potassium peut monter jusqu'à 1200 C. La solution en fusion est ensuite coulée dans un moule 12 donnant la forme du noyau 10. Le noyau 10 a ici la forme d'un disque 14 comportant une jupe axiale périphérique 16 qui s'étend vers le haut et vers le bas par rapport au disque, en considérant la figure 1. L'empreinte 18 du noyau 10 dans le moule 12 a donc une forme complémentaire du noyau 10. Le moule 12 comporte un entonnoir d'alimentation 20 qui permet d'introduire le métaborate de potassium dans l'empreinte 18. A la solidification, si le noyau 10 fraîchement coulé ne peut se rétracter librement dans le moule 12, le noyau 10 est soumis à de fortes tensions internes. Les tensions internes s'exercent ici radialement vers l'extérieur à l'intérieur du disque 14, comme l'illustrent les flèches F. Selon la géométrie du noyau 10, en particulier selon la forme de ses extrémités, ici en forme de jupes axiales 16, les tensions à l'intérieur du noyau 10 peuvent conduire à une rupture, ou à la formation de micro-fissures affectant gravement les propriétés mécaniques du noyau 10. Les contraintes dans le noyau 10 naissent du retrait à la solidification, puis du retrait lié au coefficient de dilatation. Ce second facteur est important puisque le refroidissement du noyau 10 solidifié peut s'opérer sur des intervalles de température de plus de 930 C. Avantageusement, on chauffe le moule 12 juste avant la coulée du métaborate de sodium, ce qui diminue la différence initiale de température entre le métaborate de potassium en fusion et le moule 12, et ce qui permet donc de réduire l'amplitude du retrait. En portant le moule 12 à une température de 500 C par exemple, l'amplitude du retrait diminue de plus de la moitié. De préférence, on choisit le matériau du moule 12 de manière que son coefficient de dilatation soit supérieur ou égal à celui du métaborate de potassium. Ainsi, lorsque le moule 12 et le noyau 10 se refroidissent jusqu'à la température ambiante, le moule 12 se rétracte plus que le noyau 10 et il tend à faire apparaître des jeux entre les parois de l'empreinte 18 et les parois externes du noyau 10, ce qui permet de ne pas accentuer la mise en tension du noyau 10. Tableau 1 : Noyaux sable Noyaux KBO2 Noyaux KBO2 recyclés 3 fois E 3 GPa 7, 6 GPa 10 GPa crmoyT (200C) 6 MPa 35 MPa 35 MPa omoyc (200C) 20 MPa 142, 5 MPa cmoyc (7000C) 91 MPa a (700 C) - 9.10-6 C-1 7, 5. 10-b C' V6 (65 C) / 6 cm3/h 5 cm3/h V20 (65 C) / 30 cm3/h R 10 à20 m 10 à 17 m 10 à 11 m Tmax - 790 C 740 C d 1, 55 g/cm3 2, 2 g/cm-"2, 4 g/cm On a répertorié dans le tableau 1 une partie des valeurs moyennes caractéristiques des propriétés physiques mesurées pour plusieurs types de noyaux. Les lignes du tableau 1 correspondent chacune à des valeurs représentatives des grandeurs suivantes : - E représente le module d'élasticité des noyaux, exprimé en giga Pascals ; - - cymoyc (7000C) représente la résistance moyenne des noyaux à la compression, exprimée en méga Pascal, à la température de 700 degrés Celsius ; - a (700 C) représente le coefficient de dilatation volumique des noyaux, exprimé en degrés Celsius exposant moins un, à la température de 700 degrés Celsius ; - V6 (65 C) représente la vitesse de dissolution dans l'eau du métaborate de potassium pour un noyau de 6 millimètres de diamètre, exprimée en centimètres cube par heure, à la température de 65 degrés Celsius ; - V2o (65 C) représente la vitesse de dissolution dans l'eau du métaborate de potassium pour un noyau de 20 millimètres de diamètre, exprimée en centimètres cube par heure, à la température de 65 degrés Celsius ; - R représente la rugosité des noyaux, exprimée en micromètres ; - Tmax représente la température maximale que les noyaux peuvent supporter sans se détériorer, exprimée en degrés Celsius ; - d représente la densité des noyaux, exprimée en grammes par centimètres cube. Les cases comportant un tiret indiquent qu'on ne dispose pas de valeur pour la grandeur correspondante et le type de noyau correspondant. Les cases comportant une barre oblique indiquent qu'il n'est pas possible d'obtenir une valeur pour la grandeur correspondante et le type de noyau correspondant. La deuxième colonne du tableau 1 répertorie des valeurs mesurées pour des noyaux en sable réalisés par un procédé du type croning . La troisième colonne du tableau 1 répertorie des valeurs mesurées pour des noyaux réalisés conformément aux enseignements de l'invention en métaborate de potassium pur. La quatrième colonne du tableau 1 répertorie des valeurs mesurées pour des noyaux similaires aux précédents mais recyclés trois fois. En analysant le tableau 1 on constate une amélioration générale des caractéristiques mécaniques des noyaux selon l'invention par rapport aux noyaux en sable, même après plusieurs recyclages. Ainsi, le module d'élasticité E des noyaux selon l'invention est de deux à trois fois supérieur au module d'élasticité E des noyaux en sable. En termes de résistance à la traction et à la compression, on constate aussi une nette supériorité des noyaux selon l'invention qui, à une température de 20 C, résistent en moyenne jusqu'à 35 MPa en traction et jusqu'à 142, 5 MPa en compression. La densité des noyaux selon l'invention est supérieure à la densité des noyaux en sable. En réalisant des mesures de la reprise d'humidité, c'est à dire du chargement en eau d'un noyau selon l'invention pendant son refroidissement, on constate que le noyau prend de 1,8 à 3,2 pourcents de sa masse de sels minéraux en une heure, ces valeur variant en fonction de la teneur du noyau en agent démoulant. Grâce à leurs meilleurs propriétés physiques, les noyaux selon l'invention permettent de réaliser des formes creuses plus complexes, avec des géométries plus fines, qu'avec des noyaux classiques. De plus, les noyaux selon l'invention résistent aux procédés de fonderie les plus sévères, en particulier la fonderie sous pression et la fonderie du type squeeze casting indirect . Des noyaux de 10 mm de diamètre et de 150 mm de long, avec une extrémité taraudée du type M6 , ont été testés en fonderie sous pression et en squeeze casting d'aluminium. Ces noyaux ont tenu jusqu'aux capacités maximales de l'équipement de mise sous pression utilisé, c'est à dire avec une pression finale de 1400 bars et pour des vitesses d'attaque de la coulée de 1, 7 m/s à 30 m/s. Un autre avantage des noyaux selon l'invention est leur vitesse de dissolution rapide, après leur utilisation en fonderie, par exemple de 30 cm3 par heure pour un noyau de 20 mm de diamètre. La vitesse de dissolution des noyaux selon l'invention est deux fois supérieure aux vitesses de dissolution identifiées pour des noyaux réalisés en sels de sodium compactés, utilisés pour la fabrication des pistons. De plus, les noyaux selon l'invention se dissolvent parfaitement à l'eau. Il n'y a donc pas de risque, comme avec les noyaux en sable, que des particules dures abrasives subsistent dans la pièce finale. On note que, dans le cas du métaborate de potassium cité en exemple, la dissolution ne dégrade pas l'état de la surface de l'aluminium ou du magnésium utilisé en alliage dans la pièce finale. Les états de surface des cavités réalisées présentent des rugosités R en moyenne plus faibles, ici de 10 à 17 um, que celles obtenues avec des noyaux en sable, de 10 à 20 um). Par ailleurs, les borates de potassium utilisés dans la réalisation des noyaux selon l'invention sont facilement recyclables après leur dissolution, puisqu'il suffit pour cela de provoquer l'évaporation de l'eau contenue dans la solution hydratée de borates de potassium et de réaliser une nouvelle mise en fusion des borates de potassium. Les noyaux selon l'invention peuvent être utilisés dans tous les types de fonderie d'alliages légers, en particulier pour des alliages à base d'aluminium et/ou de magnésium. Ces noyaux sont compatibles avec différents types de procédés de fonderie, notamment avec les procédés de fonderie du type sous pression, du type squeeze casting, du type par gravité, du type dit sei-solide et les procédés de fonderie de précision. On note que, selon une variante de réalisation (non représentée) de l'invention, on réalise le noyau par compactage de borates de potassium. L'utilisation du métaborate de potassium dans un noyau réalisé par compactage peut être avantageuse du fait de la vitesse de dissolution supérieure du métaborate de potassium par rapport à celle du chlorure de sodium habituellement utilisé dans ce type de noyau. REVENDICATIONS 1. Noyau (10) pour la réalisation de formes creuses par fonderie, du type dans lequel le noyau (10) comporte des sels minéraux, caractérisé en ce qu'au moins une partie des sels minéraux est choisie parmi les borates de potassium. 2. Noyau (10) selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il est constitué exclusivement de borates de potassium. 3. Noyau (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le noyau (10) comporte au moins l'un des borates de potassium suivant : - métaborate ou monoborate de potassium ; - diborate de potassium ; - triborate de potassium ; - tétraborate de potassium ; - pentaborate de potassium. 4. Procédé de fabrication d'un noyau (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le noyau (10) est réalisé par compactage. 5. Procédé de fabrication d'un noyau (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le noyau (10) est réalisé par fonderie en réalisant une coulée de sels minéraux en fusion dans un moule (12). 6. Procédé de fabrication d'un noyau (10) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le noyau (10) est réalisé par fonderie du type coulée par gravité. 7. Procédé de fabrication d'un noyau (10) selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que le moule (12) est chauffé juste avant la coulée des sels minéraux, de manière à diminuer la différence initiale de température entre les sels minéraux et le moule (12). 8. Procédé de fabrication d'un noyau (10) selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que le coefficient de dilatation du matériau du moule (12) est supérieur ou égal au coefficient de dilatation des sels minéraux.