Brevet FR2820149A1 — publié le 20020802

L'invention a pour objet un procédé de traitement d'un alliage en fusion oxydable, tel qu'une fonte à l'aluminium, et de coulée dudit alliage en fusion traité afin de réaliser des pièces dans les cavités d'un moule alimentées en alliage en fusion par un canal de descente de coulée. Les développements de certaines techniques imposent de disposer de matériaux, et notamment de fontes, capables de conserver leurs qualités mécaniques et leurs qualités de résistance à l'oxydation pour des températures de plus en plus élevées. C'est en particulier le cas dans le domaine de l'industrie automobile où les progrès réalisés en matière de performance des moteurs avec les culasses multisoupapes, les turbocompresseurs, les écrans thermiques, et les nécessités de dépollution avec les pots catalytiques, conduisent à un accroissement continu de la température des gaz d'échappement. Par conséquent, les matériaux utilisés pour réaliser certaines pièces, telles que les collecteurs d'échappement et les carters des turbocompresseurs, doivent être capables de subir des sollicitations thermodynamiques de plus en plus sévères, qu'il s'agisse des températures maximales, des gradients thermiques, des chocs thermiques, des contraintes mécaniques, de la fatigue à chaud ou de la fatigue thermique. Dans ce contexte, des investigations ont été entreprises depuis plusieurs années par les fondeurs pour mettre au point des alliages pour réaliser des pièces moulées, notamment des collecteurs d'échappement, qui répondent aux critères des cahiers des charges des motoristes et qui soient plus économiques que les collecteurs réalisés au moyen de tubes d'acier mécanosoudés, ou de demi-coquilles en tôle d'acier inoxydable embouties puis soudées. Parmi les alliages susceptibles de répondre aux besoins, les fontes faiblement alliées à l'aluminium semblent les plus appropriées pour satisfaire, à moindre coût, aux conditions sévères d'utilisation des collecteurs. EP 0 534 850 a déjà proposé une famille de fontes à graphite sphéroïdal ou vermiculaire contenant une teneur en aluminium comprise entre 0,5 % et 2,5 %. Cependant, l'élaboration de ces fontes faiblement alliées à l'aluminium par un procédé classique, qui consiste à additionner l'aluminium au four ou à la poche, est rendue très difficile. En effet, la présence d'aluminium engendre la formation de peaux d'alumine dans le bain, car la fonte est continûment oxydable du fait de l'oxydabilité de l'aluminium. Ces peaux d'alumine vont, d'une part, encrasser le réfractaire du four et de la poche, et vont, d'autre part, perturber le bon écoulement du métal liquide et former des inclusions dans les pièces coulées. De plus, du fait de la faible densité de l'aluminium, l'homogénéisation de la fonte en fusion est rendue difficile. EP 0 534 850 prévoit de mettre en oeuvre des techniques courantes pour élaborer ces fontes faiblement alliées à l'aluminium et il mentionne qu'il y a seulement lieu d'introduire l'aluminium le plus tard possible. Le but de l'invention est de proposer un procédé de traitement et de coulée d'un alliage oxydable, tel qu'une fonte à l'aluminium, qui évite l'encrassage du four ou de la poche, et qui permette d'obtenir des pièces coulées présentant une microstructure homogène et une santé interne satisfaisante. Le procédé selon l'invention est caractérisé par le fait que l'on dispose d'une dose constituée d'au moins les éléments oxydables de l'alliage dans une chambre ménagée dans le moule au-dessus du canal de descente de coulée et isolée de ce dernier par une pastille en matériau fusible ayant une épaisseur calibrée, on verse dans ladite chambre un volume d'alliage non traité en fusion correspondant au volume des cavités du moule, ce qui entraîne dans ladite chambre le traitement dudit volume d'alliage par fusion des éléments oxydables de la dose, et la coulée automatiquement dudit volume traité vers les cavités du moule après la fusion de la pastille. Ainsi, l'addition des éléments oxydables est réalisée dans une chambre supérieure du moule lors du versement du volume d'alliage en fusion non traité. Ainsi, les parois du four et de la poche de coulée ne sont jamais en contact avec les éléments oxydables, ce qui élimine leur encrassage. En outre, la teneur en éléments oxydables est facilement réglable, car il suffit de réaliser des doses homogènes et précises par type de moule. Le moule étant à usage unique, un encrassage éventuel de la paroi de la chambre n'aura aucune incidence sur les coulées ultérieures. Enfin, la pastille séparant la chambre du canal de descente de coulée ayant une épaisseur calibrée, sa destruction par fusion se produira à un moment précis après le début de l'opération de coulée, pour le même type de moules donné et une température d'alliage non traité donnée. Avantageusement, la chambre est surmontée d'un entonnoir formant plafond, et on verse le volume d'alliage non traité en fusion dans ledit entonnoir, cet entonnoir comportant à son extrémité inférieure un diffuseur axialo-centrifuge qui imprime un mouvement tourbillonnaire au bain d'alliage résidant dans ladite chambre. Cette chambre est de préférence cylindrique. Cette disposition assure une bonne homogénéisation de l'alliage. Très avantageusement, on procède à l'inertage de la chambre et des cavités du moule avant la coulée du volume d'alliage non traité en fusion dans la chambre. L'invention concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé comportant un moule de fonderie ayant des cavités internes susceptibles d'être alimentées en alliage en fusion par un canal de descente de coulée ménagé dans ledit moule, caractérisé par le fait que le moule de fonderie comporte au- dessus du canal de descente de coulée une chambre isolée dudit canal par une pastille en matériau fusible, et par le fait que ledit dispositif comporte en outre un entonnoir surmontant ladite chambre et formant son plafond, ledit entonnoir présentant à son extrémité inférieure un diffuseur axialo-centrifuge susceptible d'imprimer un mouvement tourbillonnaire au bain d'alliage lors de sa coulée dans ladite chambre. Avantageusement, l'entonnoir est séparable du moule de fonderie. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple et en référence aux dessins annexés, dans lesquels : la figure 1 est une vue en coupe d'un moule de fonderie selon l'invention équipé d'un entonnoir permettant la mise en oeuvre du procédé selon l'invention ; la figure 2 est une vue de dessus de l'entonnoir surmontant la chambre supérieure du moule de la figure 1 ; la figure 3 est une vue latérale du tube de l'entonnoir montrant les orifices du diffuseur ; et la figure 4 est une vue de dessous du tube de l'entonnoir. La référence 1 désigne un moule de fonderie à usage unique destiné au moulage de pièces métalliques. Ce moule 1 est réalisé de manière traditionnelle en deux parties, à savoir une partie inférieure ta et une partie supérieure 1 b réunies selon un plan de joint 2. Les deux parties 1a et 1b présentent, de part et d'autre du plan de joint 2, des empreintes, non montrées sur les dessins, qui, lorsque les deux parties 1a et 1b sont réunies selon le plan de joint 2, forment des cavités prévues pour recevoir un alliage en fusion au moyen de canaux 3 reliant les cavités à un canal de descente de coulée 4 ménagé dans la partie supérieure 1b. Après solidification de l'alliage contenu dans les cavités et les canaux, on détruit le moule 1 et on enlève le métal issu des canaux 3. Cette technique de moulage par coulée est connue depuis très longtemps et ne nécessite pas d'explications supplémentaires. Ainsi que cela se voit sur la figure 1, la partie supérieure du moule 1 b comporte dans sa face supérieure 5 une chambre de préférence cylindrique 6 dans l'axe X de laquelle débouche le canal de descente de coulée 4. Cette chambre 6 a un volume au moins égal au volume des cavités du moule 1 et des canaux d'alimentation 3. Le fond 7 de la chambre 6 présente une cuvette 8 dans laquelle débouche le canal de descente de coulée 4. L'orifice du canal de descente de coulée 4 est obturé par une pastille en matériau fusible 9 disposée dans le fond de la cuvette 8. Le rôle de la pastille 9 sera expliqué plus loin dans le présent mémoire. La chambre 6 est obturée par un couvercle 10 qui comporte une paroi périphérique 11 prenant appui par sa base 12 dans une rainure 13 ménagée dans la face supérieure 5 du moule 1 autour de l'orifice de la chambre 6, et une partie médiane 14 en forme d'entonnoir raccordée au bord supérieur 15 de la paroi périphérique 11. La partie médiane 14 comporte un tube 16 d'axe X qui s'étend dans la chambre 6. L'extrémité inférieure 17 du tube 16 est disposée au-dessus de la cuvette 8 et au-dessus du plan du fond 7 de la chambre 6. Un diffuseur 18 axialo-centrifuge est disposé dans l'extrémité inférieure 17 du tube 16. Ce diffuseur 18 comporte un corps 19 d'axe X obturant l'extrémité infé- rieure 17 du tube 16 et une pluralité d'orifices 20 ménagés dans la paroi du tube 16 et mettant en communication l'intérieur du tube 16 avec la chambre 6. La géométrie des orifices 20, par rapport à l'axe X, est calculée de telle manière que l'éjection d'un alliage en fusion par les orifices 20 entraîne un mouvement tourbillonnaire du bain en fusion déversé dans la chambre 6. Le corps 19 présente une pointe 21 dirigée vers le haut. La référence 22 désigne un conduit reliant la face supérieure 5 du moule 1 au plan de joint 2 destiné à être relié à une source de gaz inerte sous pression, de l'azote par exemple, avant une opération de coulée afin d'introduire ce gaz inerte dans les cavités du moule 1, les canaux 3, le canal de descente de coulée 4 et la chambre 6. Le couvercle 10 est réalisé à partir d'un agrégat de grains de sable et de résine. Le matériau fusible constituant la pastille 9 peut être de différentes natures, par exemple en acier, liège, carton et silicate de soude. Cette pastille 9 a une épaisseur déterminée, afin qu'elle fonde au moment voulu après l'introduction d'un alliage en fusion non traité dans la chambre 6, ce qui permet de déclencher automatiquement l'alimentation du moule 1. Le moule 1 décrit ci-dessus avec la chambre 6, surmonté d'un couvercle 10 en forme d'entonnoir, est particulièrement adapté pour le traitement et la coulée d'alliages oxydables, tels qu'une fonte faiblement alliée à l'aluminium. Avant de procéder à la coulée de cet alliage, on dispose dans la chambre 6 une dose 23 de produits de traitement sous forme de granulés ou de blocs massifs. Cette dose contient notamment les éléments oxydables de l'alliage après la coulée. La quantité de chacun de ces éléments est fonction du volume d'alliage coulé et de la teneur souhaitée de chacun des éléments. On peut également disposer une dose 24 renfermant les inoculants nécessaires pour le traitement dans la chambre 6. Lorsqu'il s'agit par exemple d'un alliage de fonte à l'aluminium, on utilise une dose 24 contenant un inoculant et une dose 23 d'un alliage aluminium/magnésium contenant les teneurs en aluminium et en magnésium nécessaires pour sphéroïdiser correctement la fonte et pour atteindre le pourcentage en aluminium souhaité dans les pièces coulées. Selon le procédé de l'invention, on verse un volume d'alliage en fusion non traité dans l'entonnoir 14 du couvercle 10 après avoir procédé à l'inertage. Le volume d'alliage versé est égal au volume du métal nécessaire pour procéder à la réalisation de pièces à l'aide du moule 1. Ce volume d'alliage non traité versé dans l'entonnoir 14 s'écoule par le tube 16 et est éjecté dans la chambre 6 par les orifices 20 du diffuseur 18. Les jets de métal en fusion non traité font un angle identique par rapport à des plans radiaux passant par l'axe X et par les extrémités des orifices 20. Cette disposition provoque un mouvement tourbillonnaire du bain de métal en fusion déversé dans la chambre 6. Le bain en fusion entraîne la fusion des éléments de la dose 23, et également la fusion du matériau constitutif de la pastille 9. Les éléments oxydables de la dose 23, en particulier l'aluminium et le magnésium, ont une température de fusion nettement inférieure à la température de fusion du matériau constitutif de la pastille 9. Les éléments de la dose 23 sont rapidement fondus et le tourbillon généré par le diffuseur 18 entraîne une bonne homogénéisation de l'alliage en fusion dans la chambre 6. Le traitement de l'alliage est ainsi réalisé dans la chambre 6. L'addition des éléments oxydables, notamment l'aluminium, est ainsi effectuée juste avant la coulée dans le moule 1. Grâce à l'inertage préalable, l'aluminium introduit dans l'alliage n'est pas en contact avec l'oxygène, et l'alliage traité est normalement exempt de peaux d'alumine préjudiciables à une bonne tenue mécanique des pièces coulées. Dès que la pastille 9 est fondue, le volume d'alliage traité contenu dans la chambre 6 s'écoule par le canal de descente de coulée 4 vers les cavités du moule 1. La chute de température de l'alliage entre le début de son introduction dans l'entonnoir 14 et sa coulée dans le moule 1 sera compensée par une surchauffe de la fonte non traitée. A titre d'exemple, quatre collecteurs d'échappement ont été réalisés par élaboration d'une fonte à l'aluminium par le procédé décrit ci- dessus. L'étude métallurgique réalisée sur ces pièces coulées a mis en évidence l'efficacité du procédé. En effet, d'après les études spectroscopiques réalisées sur quelques échantillons prélevés sur les collecteurs, au niveau des tubulures, du collet et des brides, les teneurs en aluminium et en magnésium sont proches des teneurs visées et sont homogènes, ainsi que cela est montré sur le tableau 1. Les échantillons observés présentent la structure attendue, à savoir une matrice ferritique, avec moins de 10 % de perlite, et un taux de graphite sphéroïdal GS (A+B) élevé, ainsi que cela est montré sur le tableau 2. De plus, les radiographies et les observations micrographiques des pièces coulées ont mis en évidence l'absence d'inclusions du type peaux d'alumine. Ceci confirme l'efficacité de l'inertage et de la décantation du métal liquide dans la chambre 6. L'introduction d'un gaz inerte, tel que l'azote, dans la chambre 6 et dans l'empreinte du moule 1, avant la coulée du métal liquide dans la chambre 6, assure en effet le maintien d'une propreté inclusionnaire satisfaisante dans les pièces coulées. Pour améliorer, si nécessaire, la propreté inclusionnaire du métal, on pourra filtrer l'alliage traité dans le moule 1, en sachant que les surfaces utiles de filtration doivent être suffisantes pour éviter le colmatage prématuré des filtres. TABLEAU 1 C Si AI Mn Mo Mg Collet 3. 10% 4. 10% 1. 32% 0. 15% 0. 46% 0,037% Tubulure nO 1 3. 10 % 4. 10 % 1. 08% 0. 15% 0. 47% 0,035% Briderai 3. 09% 4. 05% 1. 33% 0. 15% 0. 47% 0, 044% Tubulure nO 4 3. 09% 4. 25% 1. 30% 0. 15% 0. 45% 0. 038% Bride no 4 3. 11 % 4. 14% 1. 24% 0. 15% 0. 46% 0, 035% TABLEAU 2 Taux GS (A+B) Collet > 90 % Bride 1 > 85% Tubulure 1 Tubulure 2 > 95% Tubulure 3 Tubulure 4 REVENDICATIONS 1. Procédé de traitement d'un alliage en fusion oxydable, tel qu'une fonte à l'aluminium, et de coulée dudit alliage en fusion traité afin de réaliser des pièces dans des cavités d'un moule (1) alimentées en alliage en fusion par un canal de descente de coulée (4), caractérisé par le fait que l'on dépose une dose (23) constituée d'au moins les éléments oxydables de l'alliage dans une chambre (6) ménagée dans le moule (1) au-dessus du canal de descente de coulée (4) et isolée de ce dernier par une pastille en matériau fusible (9) ayant une épaisseur calibrée, on verse dans ladite chambre (6) un volume d'alliage non traité en fusion correspondant au volume des cavités du moule (1), ce qui entraîne dans ladite chambre (6) le traitement dudit volume d'alliage par fusion des éléments oxydables de la dose (23), et la coulée automatique dudit volume traité vers les cavités du moule (1) après la fusion de la pastille (9). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la chambre (6) est surmontée d'un entonnoir (14) formant plafond, et par le fait que l'on verse ledit volume d'alliage non traité en fusion dans ledit entonnoir (14), ledit entonnoir (14) comportant à son extrémité inférieure un diffuseur (18) axialo-centrifuge qui imprime un mouvement tourbillonnaire au bain d'alliage lors de sa coulée dans ladite chambre (1). 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que la chambre (6) est cylindrique. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que l'on procède à l'inertage de la chambre (6) et des cavités du moule (1) avant la coulée du volume d'alliage en fusion dans la chambre (6). 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que la dose (23) comporte de l'aluminium et du magnésium. 6. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, comportant un moule de fonderie (1) ayant des cavités internes susceptibles d'être alimentées en alliage en fusion par un canal de descente de coulée (4) ménagé dans ledit moule (1), caractérisé par le fait que le moule de fonderie (1) comporte au-dessus du canal de descente de coulée (4) une chambre (6) isolée dudit canal (4) par une pastille en matériau fusible (9), et par le fait que ledit dispositif comporte en outre un entonnoir (14) surmontant ladite chambre (6) et formant son plafond, ledit entonnoir (14) présentant à son extrémité inférieure un diffuseur (18) axialo-centrifuge susceptible d'imprimer un mouvement tourbillonnaire au bain d'alliage lors de sa coulée dans ladite chambre (6). 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé par le fait que l'entonnoir (14) est séparable du moule (1).