Brevet FR2829048A1 — publié le 20030307

La présente invention a trait à une composition d'enduit, du type revêtement secondaire, ou d'entretien, en particulier pour moule métallique destiné à la coulée d'alliages métalliques, notamment par coulée centrifuge. Elle a également pour objet un procédé de préparation d'une couche d'enduit, à partir de ladite composition ainsi qu'un procédé de fabrication d'une pièce rugueuse sensiblement tubulaire, par coulée centrifuge dans un moule en rotation chauffé sur lequel est appliqué ledit revêtement secondaire. La présente invention a encore pour objet une pièce tubulaire, notamment une chemise en alliage métallique, susceptible d'être obtenue par un tel procédé. Elle a encore pour objets, un procédé de fabrication d'un bloc moteur par insertion de la dite chemise et un bloc moteur comportant une telle chemise. Dans la fabrication de pièces pour automobile, notamment de pièces moteur (carter cylindre, carter chapeau ...), pour des raisons évidentes, la tendance est au remplacement de la fonte par un alliage plus léger, tel qu'un alliage d'aluminium. Néanmoins il reste des difficultés à surmonter : - les propriétés mécaniques des alliages d'aluminium sont inférieures à celles de la fonte - les propriétés de dilatation à chaud sont telles que l'aluminium se dilate comparativement beaucoup plus que la fonte, créant des contraintes thermomécaniques en fonctionnement. Pour pallier ces inconvénients, il est connu de réaliser des pièces bi-métalliques , telles qu'un carter cylindre comportant pour la partie principale un alliage d'aluminium et des inserts en fonte pour les parties très sollicitées. Dans la fabrication des bi-métalliques, il est connu de créer des liaisons mécaniques par exemple, de type filetage mais qui coûtent cher en usinage, sans compter les problèmes de dilatation respective des deux métaux. Une autre technique connue appelée frettage est également utilisée mais, là encore, un usinage très précis et donc coûteux est requis. Le document FR 8414498 enseigne un procédé amélioré de coulée centrifuge qui dépend de l'utilisation d'un revêtement de moule formé d'un matériau réfractaire en particules sans liant. Selon ce document : le revêtement est constitué d'au moins une couche primaire formée directement sur la surface active du moule métallique et d'une couche faciale sur la face intérieure de la couche primaire ; lorsque la surface de l'objet moulé délimitée par la couche faciale doit être rugueuse, la couche faciale peut être formée d'une matière réfractaire en particules sans liant constituée par un mélange uniforme de 40 à 90 % en poids d'une farine réfractaire broyée et, par conséquent de 60 à 10 % en poids d'un sable. Aussi ce document enseigne une méthode améliorée pour maîtriser la conductivité thermique d'un revêtement réfractaire formés sans liant. On connaît par ailleurs du document FR 8714527, un procédé de poteyage liquide de fonderie, pour coulée centrifuge en continu de pièces tubulaires telles que des chemises de moteurs. Le poteyage liquide décrit dans ce document est constitué par une composition dite de base et une dite d'entretien. Selon ce document, sur une composition de base formée de 40 à 50 % d'eau, 25-30% d'un gel de bentonite 10-15% de silice, moins de 1% d'ocre rouge et 10-15 % de solution de métasilicate de soude, il est appliquée une composition formée d'un mélange de 60- 70% d'eau et 25-30% de silice et moins de 10% de gel de bentonite. On connaît encore du document FR 9605822 un revêtement isolant pour moule métallique destiné à la coulée de métaux ferreux, notamment par coulée centrifuge, comprenant au moins un revêtement primaire appliqué sur la surface du moule et destiné à y demeurer de façon permanente et un revêtement secondaire, appliqué sur le revêtement primaire et renouvelé totalement ou partiellement à chaque opération de coulée. Ce revêtement connu se caractérise en ce qu'il comporte ou est constitué essentiellement par du métakaolin. L'invention décrite dans ce document de l'état de la technique visait en fait à supprimer toute utilisation de produit de silice comme revêtement isolant pour moule métallique et à lui substituer un produit réfractaire non silicogène, tel que le métakaolin, sans danger pour le personnel aux postes de travail, y compris lors des opérations de nettoyage et de finition des pièces. EP 96/401620 enseigne par ailleurs un moule de fonderie comprenant un substrat dont la surface interne est revêtue d'une couche protectrice permanente en matériau réfractaire et ladite surface interne du substrat présente une texture rugueuse, ladite couche protectrice étant une couche mince épousant la texture rugueuse de la surface interne du substrat. Au vu de l'état de la technique actuellement à sa disposition, la demanderesse a en particulier identifié le besoin d'une composition d'enduit pour moule métallique du type décrit en préambule et permettant de surmonter les difficultés et problèmes rencontrés dans l'art antérieur et qui en particulier est facile et sans danger à préparer et à utiliser est peu coûteuse pour être renouvelable en entretien est suffisamment poreuse ce qui favorise la pénétration d'alliage métallique permet la fabrication de pièces tubulaires notamment chemises moteurs perfectionnées et donc de bloc- moteurs à durée de vie améliorée. Ce besoin est satisfait par la présente invention qui a d'abord pour objet une composition d'enduit, du type revêtement secondaire pour moule métallique destiné à la coulée d'alliages métalliques, notamment par coulée centrifuge, appliqué sur au moins un revêtement primaire permanent appliqué directement sur la surface externe de la coquille métallique nue du moule, ledit revêtement secondaire, ou d'entretien, étant renouvelé en partie ou totalité à chaque opération de coulée, et du type comportant au moins un réfractaire ou charge de base constitué par du métakaolin, au moins un liant minéral, un solvant et/ou agent de suspension, ladite composition étant caractérisée en ce qu'elle comporte en outre au moins un agent moussant, seul ou en association avec au moins, un agent générateur de porosité dans le revêtement secondaire. De manière avantageuse, l'agent moussant est un tensioactif. De préférence, ladite composition conforme à l'invention renferme en outre au moins un agent homogénéisateur du revêtement secondaire apte à favoriser une homogénéisation du moussage et si besoin sa stabilité dans le temps dans le revêtement secondaire, ledit au moins un agent étant choisi de préférence dans la famille des tensioactifs ; de manière encore plus préférée, est présent en outre dans ladite composition au moins un agent favorisant l'adhérence du revêtement secondaire au moule. La composition conforme à l'invention, a notamment les avantages suivants : - elle est d'une préparation simple ; il suffit d'incorporer un ou plusieurs agents moussant, en particulier des tensioactifs, après le dernier ingrédient de poteyage ; - se prête bien à la pulvérisation classique au pistolet, en adaptant de manière connue les temps du cycle ; - ne concerne que des produits industriels du commerce non nocifs, peu coûteux ; - elle mousse de manière persistante, ce qui permet d'obtenir une couche poreuse au séchage (porosités fines et très nombreuses, en particulier fonction des tensioactifs sélectionnés...) - permet de créer un nouveau type de liaison mécanique, obtenue brut de fonderie (en injectant un alliage d'aluminium directement sur l'insert), ne nécessitant pas d'usinage ultérieur. L'accrochage mécanique ainsi réalisé présente des valeurs de contraintes de traction à la rupture remarquables. La présente invention va maintenant être décrite de manière encore plus détaillée ainsi que ses autres objets, caractéristiques et avantages en référence aux dessins annexés, dans lesquels la Figure 1A et 1 B (détail) sont des vues en coupe schématique montrant les couches de revêtement primaire, secondaire et d'alliage métallique (fonte) qui sont formées dans un moule à coulée centrifuge conformément à l'invention ; la Figure 2, est une photographie de la structure rugueuse et poreuse avec de petites aspérités ou picots en forme de champignons de la face extérieure de la chemise rugueuse, conforme à l'invention ; la Figure 3, est une photographie montrant en coupe la pénétration de l'aluminium entre les picots de la chemise ; et la Figure 4, illustre une coupe d'un cylindre de bloc-moteur coulé autour de la chemise, conformément à l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION Dans l'utilisation des procédés de coulée centrifuge de type général, il est courant de recouvrir la surface interne ou active d'un moule métallique d'une couche, généralement plusieurs, de revêtement de produits réfractaires. De la sorte on protège le moule, empêchant le métal de se coller sur le moule, évite un refroidissement trop rapide de la pièce tubulaire, y fabriquée, et on sépare facilement la pièce du moule. L'application du revêtement réfractaire s'effectue très généralement par pulvérisation d'une suspension céramique, appelée barbotine, sur la coquille chaude du moule, mis en rotation. Cette barbotine est constituée souvent par une suspension de grains très fins de réfractaires avec des agents rhéologiques et liants minéraux et organiques. De la sorte, le moule métallique est revêtu d'une couche réfractaire uniforme et lisse après évaporation de l'eau entre 50 et 200 microns se reporter par exemple au document EP 9605822. Il s'en suit qu'un alliage métallique coulé sur cette couche a une peau de pièce lisse. Pour obtenir un état de surface rugueux de ladite pièce en alliage métallique, les présents inventeurs ont avantageusement incorporé au moins un agent apte à favoriser le moussage dans une composition d'enduit, servant de revêtement secondaire, comportant de l'eau comme solvant et agent de suspension, un réfractaire ou charge de base, telle que du métakaolin, et un liant minéral tel que la bentonite sodique ou calcique activée ; de préférence cette incorporation d'un agent moussant est réalisée lors de l'évaporation de l'eau contenue dans la barbotine. Dans la composition conforme à l'invention, ledit au moins un agent moussant est de préférence associé à au moins, un agent générateur de porosité, et, de manière encore plus préférée, à au moins un agent homogénéisateur, et à au moins un un agent favorisant l'adhérence de la couche sur le moule. L'agent moussant est avantageusement un tensioactif. Comme tensioactif apte à être incorporé dans la composition conforme à l'invention, on peut utiliser, un tensioactif de la famille chimique des esters d'acides organiques saturés ou insaturés, ramifiés ou non, notamment en C16 à C20, communément appelés savons ; de préférence ces esters sont des esters de l'acide oléique (C18). Le tensioactif préféré est un acide gras de coprah neutralisé par de la soude, l'oléate de sodium. Il est généralement présent dans la composition d'enduit selon l'invention avantageusement a une concentration de 0,5 % à 1 % (rapporté au volume global du poteyage (eau + métakaolin + bentonite). Cet agent génère la porosité dans la couche de revêtement secondaire comme illustré à la Figure 2, où on voit des aspérités en forme de champignons . Afin d'améliorer l'homogénéité de la couche, on peut utiliser un alcool gras éthoxylé avec 2 molécules d'oxyéthylène, en C12 et C14, en particulier le lauryl éther sulfate de sodium. Lorsqu'il est présent dans la composition conforme à l'invention, un tel agent a une concentration préférée de 0,2 % à 0,4 % rapporté à la masse globale du poteyage. Pour augmenter encore l'adhérence du revêtement secondaire au moule, on peut incorporer dans la composition d'enduit le composé suivant : le nonylphénol éthoxylé avec 8 molécules d'oxyéthylène en C7 et C8. Lorsqu'il est présent dans la composition conforme à l'invention, un tel agent a une concentration préférée de 0,01 % à 0,1 % rapporté à la masse globale du poteyage. A la connaissance des inventeurs, ce type de produit n'a pas encore été utilisé à chaud, et en particulier dans des revêtements pour moule métalliques. Aussi la présente invention a également pour objet une utilisation à chaud d'environ 250 C à environ 400 C, dans une composition d'enduit, d'un agent, tel que le nonylphénol éthoxylé avec 8 moles d'oxyéthylène en C7 et C8, à titre d'agent favorisant l'adhérence des revêtements pour moules métalliques. Aussi, une composition d'enduit préférée selon l'invention comporte de 58% à 74% d'eau de 25% à 35% de métakaolin de 0,1% à 5% de bentonite sodique ou calcique activé de 0,5% à 1% d'acide gras de coprah neutralisé par de la soude, en particulier l'oléate de sodium de 0,2% à 0,4% d'un alcool gras éthoxylé, ayant 2 molécules d'oxyéthylène en C12 et C14, de préférence le lauryl éther sulfate de sodium et de 0, 01% à 0, 1% de nonylphénol éthoxylé avec 8 moles d'oxyéthylène en C7 et C8. EXEMPLE Comme rappelé ci-dessus, sur la surface intérieure du moule métallique (12) est appliqué de manière connue deux revêtements de réfractaire. Le premier revêtement, dit primaire (14), est destiné à protéger chimiquement et thermiquement le moule tout en maîtrisant la solidification ultérieure de chemise coulée. Le revêtement secondaire (10), appliqué sur le primaire (14), est renouvelé totalement à chaque opération de coulée. Comme mentionné précédemment le revêtement secondaire est original en ce qu'il permet lors de son séchage d'obtenir une couche macroporeuse. Conformément à l'invention le procédé de préparation d'une couche d'enduit pour revêtement d'un moule métallique comprend les étapes suivantes consistant à (i) préparer une suspension de métakaolin dans de l'eau, par exemple comme décrit dans EP 9605822 ; (ii) mélanger ladite suspension obtenue à l'étape (i) à au moins un liant minéral ; (iii) ajouter au moins un agent tensio-actif seul ou associé à au moins un agent choisi dans le groupe constitué par un agent un agent générateur de porosité, un agent homogénéisateur, et un agent favorisant l'adhérence au moule ; et (iv) pulvériser le mélange obtenu sur la surface de la coquille du moule métallique, préalablement chauffée. La pulvérisation de cet enduit sur la coquille métallique chaude du moule cylindrique provoque l'ébullition de l'eau avec une mousse suffisamment persistante, notamment grâce au tensioactif de manière à laisser déposer une couche poreuse. Des caractéristiques complémentaires ou alternatives du procédé de préparation de l'enduit conformément à la présente invention sont définies par la gamme suivante sur des coquilles centrifugées : - la température du moule est d'environ 250 C à environ 400 C. - à l'étape (iv) du procédé, conforme à l'invention tel qu'il vient d'être décrit, le moule est en rotation centrifuge entre environ 500 rpm et environ 1500 rpm (tours par min) ; - l'étape (iv) est effectuée par pulvérisation au pistolet avec une rallonge et à l'aide d'une buse pour projection circulaire. - les mouvements de va et vient ont une vitesse de 0,03 min à 0,1 min, par cycle - le nombre de cycles de pulvérisation est d'environ 1 à environ 4 ; - le débit est avantageusement régulé avec une pression appliquée au réacteur d'environ 0,1 MPa à environ 0,3 MPa - la pression de pulvérisation est de préférence de 0,1 MPa à 0,2 MPa. Comme illustré en particulier sur les Figures 1 et 2, l'alliage métallique ainsi coulé présente des aspérités en forme de champignons en contre dépouille (18) d'environ 0,3 mm à environ 2 mm. La forme de ces aspérités permet un accrochage mécanique entre la pièce tubulaire (16, ayant une surface interne 20) et l'alliage métallique coulé sur ce décor rugueux. Comme illustré notamment à la Figure 3, l'alliage liquide (24) pénètre uniquement dans les pores du revêtement secondaire conforme à l'invention. Comme illustré à la Figure 4, la pièce sensiblement tubulaire (16) est ensuite mise dans un nouveau moule, pour coulée sous pression d'un alliage métallique, de préférence un alliage d'aluminium (24), injecté autour de ladite pièce, pour former un bloc-moteur. Sur cette Figure 4, est illustrée l'interface entre le carter moteur en alliage d'aluminium et la chemise insérée à la coulée. Après solidification complète de l'alliage métallique constitué par la fonte, on retire la pièce rugueuse sensiblement tubulaire (16) encore enrobée de revêtement secondaire (10). Alors que le revêtement primaire (14) reste dans le moule cylindrique (12), on nettoie la pièce de sa gangue de revêtement secondaire (10) relativement friable, par exemple par sablage, ou de préférence par un grenaillage très fin. De préférence on choisit une grenaille fine anguleuse et d'une dureté appropriée (GP80 de WHELLABRATOR ALLEVARD : diamètre de 0, 18 mm en acier, dureté d'environ 48 à environ 52 HRC ; utilisation en rotor-jet à turbine ; vitesse de projection d'environ 60 à environ 80 m/s) réalisant ainsi un bon compromis entre nettoyage et matage des aspérités. On mesure d'excellentes tenues mécaniques en traction ; un exemple de mesure lors d'un test dit essai d'accrochage est donné ci-après ; en particulier avec environ 20 MPa à environ 90 MPa de contrainte de traction à la rupture entre une pièce tubulaire en fonte, par exemple en fonte en graphite lamellaire, et un alliage d'aluminium coulé sous pression. Essai d'accrochage entre carter cylindres (en aluminium) et chemise rugueuse en fonte : L'essai est réalisé avec des éprouvettes usinées en queue d'aronde afin de pouvoir les fixer dans les mors d'une machine de traction INSTRON. Après essai, on retrouve de l'aluminium sur la partie fonte et inversement. Cette remarque permet de conclure à une bonne cohésion entre l'aluminium et la fonte. Résultats sur un bloc-moteur, de quatre cylindres en ligne, coulés en aluminium avec chemises fontes insérées à la coulée : Mpa Maximales Minimales Moyenne Ecart type Résistance 69 35 55 9 Mécanique Rm Sur 14 éprouvettes. Par ailleurs : les essais d'accrochage sur bloc-moteur Mercedes Classe A 170D avec chemises rugueuses MWP donnent des résultats similaires avec Rm = 63 MPa et a = 14 MPa. Par ailleurs, le fournisseur de chemises MWP annonce un résultat d'accrochage légèrement plus faible de 44 MPa. Aussi la présente invention a encore pour objet un procédé de fabrication d'une pièce rugueuse sensiblement tubulaire, par coulée centrifuge dans un moule en rotation chauffé sur lequel est appliqué par pulvérisation au moins un revêtement primaire, permanent lisse sur la surface externe de la coquille du moule, puis un revêtement secondaire, à titre d'enduit renouvelable à chaque opération de coulée, la composition de l'enduit étant telle que décrite précédemment, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte en outre les étapes successives suivantes : (i) on coule un alliage métallique (fonte), dans le moule en rotation, sur ledit deuxième revêtement, et (ii) après solidification complète de l'alliage métallique, on retire la pièce rugueuse sensiblement tubulaire encore enrobée du revêtement secondaire. La présente invention a donc également pour objet, une pièce tubulaire, notamment une chemise de bloc moteur, en alliage métallique susceptible d'être obtenue par un procédé tel que décrit ci-dessus. En variante, il est particulièrement avantageux d'effectuer un nettoyage de la chemise brute de coulée afin de retirer le revêtement de poteyage secondaire. De préférence un tel nettoyage est réalisé à l'aide de grenaille fine de diamètre environ 0, 1 mm à environ 0,2mm, plutôt anguleuse, et de dureté d'environ 48 HRC à 54 HRC. La présente invention a encore pour objet un procédé de fabrication d'un bloc moteur comportant les étapes consistant à (i) insérer dans un moule métallique une chemise obtenue comme décrit précédemment, (ii) couler dans le moule un alliage métallique, notamment d'aluminium, autour de ladite chemise. De préférence, ce procédé est caractérisé en ce que l'étape (ii) est effectuée par injection... Grâce au procédé de la présente invention, une bonne conductivité thermique ainsi qu'une excellente liaison mécanique entre chemise et bloc-moteur sont obtenues, par insertion à la coulée de chemises en fonte à profil extérieur rugueux dans un bloc en alliage d'aluminium. Ces deux propriétés sont particulièrement recherchées pour les moteurs très sollicités comme les diesels turbocompressés et équipés d'injecteurs de gasoil à haute pression. Les présents inventeurs ont ainsi mis au point des pièces tubulaires rugueuses en brut de fonderie, en particulier, des chemises, assurant un accrochage mécanique amélioré à leurs blocs moteurs et ce, par opposition aux pièces tubulaires, du type chemises à profil usiné type filetage, qui ne donnent pas toujours satisfaction dans ce type d'application. La présente invention a ainsi encore pour objet un bloc moteur du type comportant une chemise telle que décrite cidessus caractérisé en ce qu'une liaison mécanique entre chemise et bloc est obtenue au moyen de rugosités présentes sur la surface externe de ladite chemise. REVENDICATIONS 1. Composition d'enduit, du type revêtement secondaire pour moule métallique destiné à la coulée d'alliages métalliques, notamment par coulée centrifuge, appliqué sur au moins un revêtement primaire permanent appliqué directement sur la surface externe de la coquille métallique nue du moule, ledit revêtement secondaire, ou d'entretien, étant renouvelé en partie ou totalité à chaque opération de coulée, et du type comportant au moins un réfractaire ou charge de base constitué par du métakaolin, au moins un liant minéral, un solvant et/ou agent de suspension, ladite composition étant caractérisée en ce qu'elle comporte en outre au moins un agent moussant seul ou en association avec au moins, un agent générateur de porosité dans le revêtement secondaire, un agent homogénéisateur du revêtement secondaire, et un agent favorisant l'adhérence du revêtement secondaire au moule. 2. Composition selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit au moins un agent moussant est un tensioactif. 3. Composition d'enduit selon la revendication 1 ou 2, comportant en % (P/P) : de 58% à 74% d'eau de 25% à 35% de métakaolin de 0,1% à 5% de bentonite sodique ou calcique activé de 0,5% à 1% d'acide gras de coprah neutralisé par de la soude, notamment le sel de sodium constitué par l'oléate de sodium, de 0,2% à 0,4% d'un alcool gras éthoxylé avec 2 molécules d'oxyéthylène en C12 et C14, de préférence le lauryl éther sulfate de sodium et de 0, 01% à 0, 1% de nonylphénol éthoxylé avec 8 molécules d'oxyéthylène en C7 et C8. 4. Procédé de préparation d'une couche d'enduit, à partir d'une composition selon l'une quelconque des revendications précédentes, pour moule métallique destiné à la coulée centrifuge d'alliages métalliques, comprenant les étapes successives suivantes consistant à : (i) préparer une suspension de métakaolin dans de l'eau (ii) mélanger ladite suspension obtenue à l'étape (i) à au moins un liant minéral (iii) ajouter au moins un agent tensio-actif seul ou associé à au moins un agent choisi dans le groupe constitué par un agent générateur de porosité, un agent homogénéisateur, et un agent favorisant l'adhérence au moule (iv) pulvériser le mélange obtenu sur la surface de la coquille du moule métallique, préalablement chauffée. 5. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la température du moule est d'environ 2500C à environ 4000C. 6. Procédé selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce qu'à l'étape (iv) le moule est en rotation centrifuge entre environ 500 rpm et 1500 rpm. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que l'étape (iv) est effectuée par pistolage avec une rallonge et à l'aide d'une buse pour projection circulaire. 8. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les mouvements de va et vient de pistolage ont une vitesse de 0,03 min à 0,1 min par cycle. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 à 8, caractérisé en ce que le nombre de cycles de pulvérisation est d'environ 1 à environ 4. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 à 9, caractérisé en ce que le débit est régulé avec une pression appliquée au réacteur d'environ 0,1 MPa à environ 0, 3 MPa. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que la pression de pulvérisation du pistolet varie de 0, 1 MPa à 0,2 MPa. 12. Procédé de fabrication d'une pièce rugueuse sensiblement tubulaire, par coulée centrifuge dans un moule en rotation chauffé sur lequel est appliqué par pulvérisation au moins un revêtement primaire permanent lisse sur la surface externe de la coquille du moule, puis un revêtement secondaire, à titre d'enduit renouvelable à chaque opération de coulée, la composition de l'enduit étant selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte en outre les étapes successives suivantes : (i) on coule un alliage métallique (fonte), dans le moule en rotation, sur ledit deuxième revêtement, et (ii) après solidification complète de l'alliage métallique, on retire la pièce rugueuse sensiblement tubulaire encore enrobée du revêtement secondaire. 13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il est prévu un nettoyage de la chemise brute de coulée afin de retirer le revêtement de poteyage secondaire, de préférence à l'aide de grenaille fine de diamètre environ 0, 1 mm à environ 0,2mm, plutôt anguleuse, et de dureté d'environ 48 HRC à 54 HRC.