Brevet FR2822737A1 — publié le 20021004

La présente invention concerne un procédé de traitement de moules en matériau réfractaire ou carapaces destinés au moulage à mo- dèles perdus de pièces de fonderie en particulier en alliages d'aluminium dans le but d'augmenter la vitesse de solidification de ces pièces de fonderie. Les industries mécaniques, aéronautiques, électroniques..., sont constamment à la recherche de pièces de fonderie toujours plus minces, plus complexes géométriquement et plus résistantes. A cet effet, et en particulier dans le cas de pièces de fonderie en alliage d'aluminium, on dispose du procédé de moulage bien connu des spécialistes dit à modèles perdus qui présente l'avantage de permettre de réaliser des pièces de grande précision. Conformément à ce procédé, l'étape de coulée du métal est mise en oeuvre dans des moules en matériau réfractaire nommés carapaces à base de silicate d'alumine, de sable, de zircon, de silice, de céramique ou encore de plâtre qui sont fabriqués dans une étape préliminaire. Lors de cette étape de fabrication, le matériau réfractaire se présentant sous la forme d'une barbotine liquide réfractaire est appliqué par couches autour d'un modèle immergé dans une cuve agitée mécaniquement ce grâce à une machine de saupoudrage ou en lit fluidisé. Les moules de fonderie à modèles perdus en carapaces comportent en règle générale entre 6 et 9 couches successives de matériau réfractaire dans le cas de la fonderie d'alliages légers. Le modèle qui est classiquement réalisé en cire ou en polystyrène et est obtenu dans une étape notamment d'injection préalable disparaît au cours d'une étape de cuisson de la carapace à une température, suffisante pour le faire fondre ou brûler, en règle générale d'environ 600 à 1 100 C. Le modèle laisse ainsi à sa place dans la carapace une empreinte, dans laquelle on peut couler l'alliage par gravité, par coulée basse pression ou encore par aspiration, ceci à l'air libre, sous vide ou encore sous atmosphère contrôlée. Après refroidissement la pièce de fonderie ainsi moulée est décochée c'est-à-dire sortie de la carapace dans laquelle elle a été coulée puis soumise à des opérations de finition et de traitement thermique classiques. Le procédé de moulage à modèles perdus présente l'avantage de permettre d'obtenir des pièces de fonderie très minces et ayant une géométrie complexe. En revanche, les caractéristiques mécaniques de ces pièces (résistance à la traction, limite élastique, allongement ou encore tenue à la fatigue) sont médiocres, et en particulier nettement inférieures à celles des pièces coulées en moules métalliques (coquilles). Cet inconvénient est lié au fait que, comme il est bien connu des spécialistes dans le domaine de la métallurgie et en particulier de la fonderie d'aluminium, il existe une relation universelle et incontestée entre la vitesse de solidification d'un alliage métallique et ses caractéristiques mécaniques ; en effet ces dernières sont d'autant plus élevées que la solidification est rapide. Cette altération des propriétés mécaniques d'une alliage lorsque sa vitesse de refroidissement décroît est principalement consécutive à une augmentation de la taille des grains et des dimensions des dendrites de solidification. Or, dans le procédé de moulage à modèles perdus, la coulée est effectuée dans des carapaces en matériau réfractaire qui par définition ont tendance à conserver les calories qu'elles reçoivent et à ne les évacuer que très lentement ; ceci entraîne une forte grosseur de grains et nuit par suite au caractéristiques mécaniques des pièces de fonderie ainsi obtenues. La présente invention a pour objet de remédier à ces inconvénients en proposant un procédé de traitement de carapaces destinées au moulage à modèles perdus de pièces de fonderie en particulier en alliage d'aluminium permettant d'augmenter la vitesse de refroidissement de ces pièces après l'étape de coulée. Selon l'invention, ce procédé est caractérisé en ce que, préalablement et/ou simultanément à l'étape de coulée, on applique sur la couche externe de la carapace une matière métallique sous forme de particules de faibles dimensions. Ces particules métalliques viennent intimement en contact avec le matériau réfractaire constitutif de la carapace de façon à former une carapace composite matériau réfractaire/métal beaucoup plus conductrice de la chaleur que la carapace de base et évacuant donc les calories beaucoup plus rapidement. Il est bien entendu nécessaire que l'application des parti- cules métalliques soit effectuée de façon à permettre à celles-ci d'exercer de manière optimum, ce au moment même de la coulée, leur fonction consistant à refroidir la carapace en pompant et évacuant les calories provenant du métal coulé, en particulier de l'alliage d'aluminium. En effet, plus rapidement l'alliage coulé pourra être refroidi, meilleures seront les caractéristiques mécaniques finales de la pièce de fonderie. Dans ce but, selon une première variante de l'invention : - lors de l'étape de fabrication de la carapace, on applique sur la couche externe de matériau réfractaire alors qu'elle n'est pas encore solidifiée, au moins une couche à base d'un matériau métallique de préférence sous forme de particules notamment de billes ayant un diamètre de l'ordre de 0, 1 à 3 mm, - on soumet la carapace composite matériau réfractaire/métal ainsi obte- nue à une étape de cuisson à une température maximale de 600 à 800oC, et - on coule dans cette carapace le métal, en particulier l'alliage d'aluminium constitutif de la pièce de fonderie à mouler. Comme il a déjà été indiqué, les moules de fonderie à modèles perdus en carapaces comportent en règle générale plusieurs couches successives de matériau réfractaire. Cette première variante de l'invention consiste par suite à remplacer la dernière couche ou les deux, trois ou quatre dernières couches en matériau réfractaire de la carapace par une ou plusieurs couches à base de particules métalliques. Ces couches peuvent avantageusement être appliquées par un procédé similaire au procédé classique d'application de la barbotine réfractaire liquide en mettant en oeuvre une machine de saupoudrage ou dans un bac à lit fluidisé, de sorte que les particules métalliques viennent se coller sur la couche de barbotine liquide externe venant d'être posée. Ces particules métalliques peuvent être en fonte, en acier, ou encore en cuivre ou alliage cuivreux, sans pour cela sortir du cadre de l'invention ; cependant, pour des raisons de poids, on met de préférence en oeuvre des particules en alliages léger notamment en alliages d'aluminium. Selon une seconde variante de l'invention : - on fabrique la carapace en matériau réfractaire de façon connue en elle- même, - on soumet cette carapace à une étape de cuisson à une température maximale de 600 à 1 100oC, - on l'immerge dans un bac à lit fluidisé renfermant des particules métal- liques de faibles dimensions de sorte que ces particules métalliques viennent se coller sur la couche externe de la carapace, - on coule le métal, en particulier l'alliage d'aluminium constitutif de la pièce de fonderie à mouler dans la carapace ainsi positionnée dans le bac à lit fluidisé, et - on maintient la carapace dans le bac à lit fluidisé jusqu'à ce que la pièce de fonderie soit refroidie. Conformément à cette seconde variante, les particules métalliques qui sont notamment en aluminium, fonte, acier ou cuivre, viennent se coller au matériau réfractaire de la carapace en épousant sa forme extérieure, et peuvent ainsi parfaitement remplir leur fonction de refroidissement de celle-ci. Selon une autre caractéristique de l'invention, après l'immersion de la carapace dans le bac à lit fluidisé, on soumet celle-ci à un champ magnétique de façon à améliorer l'adhérence des particules métalliques sur la carapace en matériau réfractaire. Les pièces de fonderie en alliages de la famille aluminiumsilicium (A357 T6 ; AS7GO6 T6 ; AMS 4215...) obtenues par le procédé classique de moulage à modèles perdus présentent en moyenne les caractéristiques mécaniques suivantes : Rt : 270 Mpa Re : 200 Mpa A : 1 % Ces valeurs sont obtenues sur un état trempé et revenu selon les normes en vigueur (T6) : mise en solution à 540oC (pendant 10 à 12 heures), trempe à l'eau puis revenu à 160oC (pendant 4 heures). Or, on a pu constater que l'utilisation de carapaces traitées par le procédé conforme à l'invention, permet d'améliorer considérablement ces caractéristiques mécaniques et d'obtenir les valeurs moyennes suivantes : Rt : 320 à 340 Mpa Re : 240 à 260 Mpa A : 3à5% Ces valeurs peuvent être obtenues après le traitement thermique susmentionné correspondant aux normes en vigueur (T6) ou encore après un traitement thermique dit de globulisation du silicium dans lequel on augmente la durée de la phase de mise en solution avant trempe à l'eau (24 heures) le revenu à 160oC restant quant à lui identique. REVENDICATIONS 1 ) Procédé de traitement de moules en matériau réfractaire ou carapaces destinés au moulage à modèles perdus de pièces de fonderie en particulier en alliages d'aluminium dans le but d'augmenter leur vitesse de solidifia- tion, caractérisé en ce que préalablement et/ou simultanément à l'étape de coulée, on applique sur la couche externe de la carapace une matière métallique sous forme de particules de faibles dimensions. 2 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que - lors de l'étape de fabrication de la carapace, on applique sur la couche externe de matériau réfractaire alors qu'elle n'est pas encore solidifiée au moins une couche à base d'un matériau métallique de préférence sous forme de particules notamment de billes ayant un diamètre de l'ordre de 0, 1 à 3 mm, on soumet la carapace composite matériau réfractaire/métal ainsi ob- tenue à une étape de cuisson à une température maximale de 600 à 800 C, et on coule dans cette carapace le métal en particulier l'alliage d'aluminium constitutif de la pièce de fonderie à mouler. 3 ) Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le matériau métallique est un alliage léger notamment un alliage d'aluminium. 4 ) Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que l'on applique le matériau métallique en mettant en oeuvre une machine de saupoudrage. 5 ) Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que l'on applique le matériau métallique dans un bac à lit fluidisé. 6 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que on fabrique la carapace en matériau réfractaire de façon connue en elle-même, - on soumet cette carapace à une étape de cuisson à une température maximale de 600 à 1 100 C, - on l'immerge dans un bac à lit fluidisé renfermant des particules mé- talliques de faibles dimensions de sorte que ces particules métalliques viennent se coller sur la couche externe de la carapace, - on coule le métal, en particulier l'alliage d'aluminium constitutif de la pièce de fonderie à mouler dans la carapace ainsi positionnée dans le bac à lit fluidisé, et - on maintient la carapace dans le bac à lit fluidisé jusqu'à ce que la pièce de fonderie soit refroidie. 7 ) Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que après immersion de la carapace dans le bac à lit fluidisé, on soumet celleci à un champ magnétique.