Brevet FR2826598A1 — publié le 20030103

L'invention concerne un procédé et un dispositif de moulage d'une pièce métallique comportant un insert poreux et en particulier un procédé et un dispositif de moulage d'une culasse pour un moteur à combustion interne de véhicule automobile à haute performance. Les constructeurs automobiles ont actuellement pour but, en particulier, d'améliorer les performances des moteurs des véhicules automobiles tout en réduisant la consommation en carburant et en diminuant les rejets de polluants de ces moteurs. L'un des moteurs développés et utilisés par les constructeurs automobiles qui présente les perspectives les plus prometteuses est le moteur diesel à injection directe perfectionné tel que le moteur de type HDI développé à l'intérieur du Groupe PSA. L'un des problèmes rencontrés lors des études pour l'amélioration des performances et de la fiabilité des moteurs HDI concerne la réalisation de la culasse de ce moteur. La recherche d'une augmentation des puissances spécifiques des moteurs diesel à injection directe tels que les moteurs HDI conduit à générer des niveaux de sollicitation extrêmement élevés à l'intérieur de certaines pièces critiques du moteur telles que la culasse, du fait que l'on cherche à produire une puissance accrue dans un moteur de plus en plus compact et léger. L'augmentation des puissances des moteurs diesel depuis l'apparition des turbocompresseurs a souvent été limitée par le fait qu'il est nécessaire d'assurer une fiabilité suffisante de la culasse. Ce problème est encore plus difficile à résoudre dans le cas des moteurs à injection directe perfectionnés tels que les moteurs de type Ho !. Pour repousser les limites de performance des moteurs en augmentant la fiabilité de la culasse, deux options se présentent aux concepteurs de moteur. Il est possible, soit de modifier profondément la conception des culasses, de façon à répondre aux exigences de plus en plus grandes concernant les sollicitations engendrées dans la culasse, soit d'utiliser de nouveaux matériaux, généralement composites, pour augmenter les perfor- mances et la fiabilité des culasses tout en maintenant une conception relativement classique de cette pièce. La solution consistant à améliorer les matériaux et à utiliser des composites pour la réalisation de pièces telles que la culasse peut constituer un avantage certain dans la mesure où le maintien de formes et conceptions classiques pour les pièces complexes telles que les culasses permet de réaliser l'usinage des culasses en utilisant un matériel industriel (extrêmement coûteux) déjà installé chez les constructeurs. L'une des solutions envisagées pour améliorer la tenue des matériaux constituant des pièces critiques telles que les culasses des moteurs HDI est d'assurer le renforcement des culasses par un composite à matrice métallique (CMM) qui est incorporé au matériau métallique de la culasse, au moment du moulage de la culasse. Le moulage des culasses est réalisé dans un moule, par exemple un moule en sable ou un moule métallique, et généralement par gravité. On place, à l'intérieur du moule, des noyaux de moulage et dans le cas d'une pièce renforcée par un CMM, le CMM constituant un insert poreux à l'intérieur du moule. L'un des problèmes rencontrés lors de l'élaboration de pièces renforcées par un insert poreux tel qu'un CMM est relatif à l'infiltration de l'insert poreux (ou préforme) par le métal liquide coulé dans le moule. L'infiltration du métal liquide est contrariée, d'une part, par l'air présent dans l'insert et, d'autre part, par la tension superficielle du métal sur les éléments constituant l'insert ou la préforme, tels que des fibres d'alumine ou d'autres composés, des plaquettes ou des particules entre lesquels sont ménagés des vides qui doivent être infiltrés par le métal liquide. Pour assurer une bonne infiltration de l'insert poreux par le métal liquide, il est nécessaire d'exercer des pressions à des niveaux très élevés (par exemple supérieurs à 800 bars) sur le métal liquide contenu dans le moule et venant au contact de l'insert poreux. L'utilisation de niveaux de pression très élevés peut être malaisée dans le cas de pièces ayant des formes complexes suivant une disposition tortueuse et qui mettent en oeuvre une quantité importante de noyaux de coulée dont la disposition dans le moule doit être très précise. Ces difficultés sont donc d'autant plus grandes que les tolérances géométriques pour la réalisation de pièces de forme complexe sont plus sévères. On a proposé différents procédés pour réaliser une bonne infiltration de l'insert poreux ou de la préforme à l'intérieur d'un moule de coulée. Dans un procédé, appelé P-CAST (ou MPSV), on exerce successivement sur un four dans lequel on assure la fusion du métal liquide et sur le moule dans lequel est disposé l'insert, des cycles comportant des phases de mise en dépression ou mise sous vide et des phases de mise en pression du moule, à l'intérieur d'une enceinte étanche, c'est-à-dire des phases à des pressions inférieures et à des pressions supérieures à la pression atmosphérique. Ce procédé nécessite des temps d'exécution des cycles de mise en dépression ou en pression et des conditions de mise en oeuvre industrielle qui sont tout à fait inacceptables dans le cadre d'une production de pièces pour l'industrie automobile. En outre, la mise en oeuvre du procédé présente des difficultés technologiques en particulier pour assurer une bonne étanchéité de l'enceinte avec des températures de coulée qui peuvent être élevées et pour faire le vide dans une enceinte de volume important et gérer les cycles de pression et de dépression à l'intérieur de cette enceinte de grand volume. On connaît également un procédé RMD de la société MAHLE GmbH qui consiste à exercer une pression sur le métal coulé par l'intermédiaire des masselottes dans le moule de coulée et à réaliser simultanément une aspiration à l'intérieur de la préforme. Ce procédé a pu être utilisé pour certaines pièces à géométrie simple ne comportant pas de noyau telles que des pistons de moteur. Le procédé est d'une mise en oeuvre difficile quant à la réalisation de l'étanchéité du moule et du fait que, si l'on veut appliquer le procédé au moulage de pièces nécessitant l'utilisation de noyaux, il est nécessaire d'enduire les noyaux ou d'exercer une contre-pression dans les noyaux pour éviter l'imprégnation des noyaux par le métal liquide (phénomène appelé grésage). En effet, la pression du métal liquide appliquée aux noyaux produit une imprégnation des noyaux concurremment à l'imprégnation de l'insert poreux. Il n'est donc pas possible d'appliquer le procédé en grande série à des pièces fortement noyautées. En outre, il est nécessaire de solidifier très rapidement le métal dans la partie d'alimentation du moule, c'est-à-dire aussitôt après le remplissage, pour exercer la pression sur le métal liquide remplissant le moule. On connaît également un procédé MAZDA dans lequel on exerce une pression sur le métal liquide, ce qui fait apparaître, comme dans le cas du procédé RMD, des problèmes de grésage des noyaux. En outre, en l'absence d'aspiration à l'intérieur d'une préforme fibreuse, la seule application de pression sur le métal liquide ne permet pas l'imprégnation si le niveau de pression exercé est trop faible. On connaît également un procédé dans lequel on exerce une pression dans une première enceinte contenant le moule de fusion du métal liquide et on crée un vide dans une seconde enceinte contenant le moule. Les deux enceintes sont reliées par un tube qui alimente le moule en métal liquide. Ce procédé n'est applicable que dans une configuration de coulée basse pression. En outre, la pression étant appliquée sur le métal liquide, on retrouve les problèmes de grésage des noyaux et d'étanchéité du moule rencontrés dans le cas du procédé RMD. Dans le cas de tous les procédés connus jusqu'ici, il est également nécessaire de préchauffer l'insert poreux ou préforme fibreuse avant le remplissage du moule. Le but de l'invention est donc de proposer un procédé de moulage d'une pièce métallique comportant un insert poreux, par coulée d'un métal liquide dans un moule renfermant l'insert poreux, dans lequel on fait pénétrer le métal liquide coulé, à l'intérieur de l'insert poreux, par mise en pression du métal liquide et mise en dépression de l'insert poreux, ce procédé permettant d'éviter les inconvénients des procédés connus de l'art antérieur qui ont été mentionnés plus haut. Dans ce but, on place le moule dans une enceinte, on exerce une pression supérieure à la pression atmosphérique sur le moule contenant le métal liquide coulé et l'insert poreux, par mise en pression de l'enceinte et on crée simultanément une dépression à l'intérieur de l'insert poreux. Afin de bien faire comprendre l'invention, on va décrire, à titre d'exemple, en se référant à la figure jointe en annexe, un mode de réalisation du procédé suivant l'invention qui peut être mis en oeuvre en particulier pour le moulage de culasses pour moteur HDI. La figure unique est une vue schématique en coupe verticale d'un dispositif permettant la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention. Sur la figure, on a représenté une enceinte étanche hyperbare 1 qui est reliée par un conduit 2 à un réservoir ou une installation 3 permettant de mettre sous pression l'intérieur de l'enceinte hyperbare 1, par exemple en introduisant un gaz sous une pression déterminée, à l'intérieur de l'enceinte 1. L'enceinte 1 présente une dimension suffisante pour contenir le moule 4 et comporte des moyens de fermeture étanche tels qu'un couvercle 1 a. Un moule de coulée 4 pour réaliser le moulage d'une pièce telle qu'une culasse en aluminium est placé à l'intérieur de l'enceinte hyperbare 1, dans une disposition permettant la coulée du métal liquide 4'dans le moule. A l'intérieur du moule 4 sont disposés un assemblage de noyaux 5 et un insert poreux 6 constitué par exemple par une préforme en fibres d'alumine. Le moule comporte des moyens de fixation des noyaux 5 et de l'insert poreux 6 dans des dispositions précises. L'insert poreux 6 est relié par un conduit 7 à une installation 8 de mise sous dépression ou sous vide qui peut comporter une pompe à vide ou d'autres moyens d'aspiration d'air par l'intérieur de l'insert poreux 6 en position dans le moule 4. Pour la mise en oeuvre du procédé de moulage suivant l'invention, on remplit le moule 4 par du métal liquide en fusion 4', par exemple de l'aluminium, l'ensemble de noyaux 5 et l'insert poreux 6 qui peut être constitué par une préforme fibreuse étant en position à l'intérieur du moule. En particulier, on peut réaliser la coulée par gravité, en introduisant le métal liquide à travers l'ouverture supérieure 4a du moule 4. La coulée du métal liquide dans le moule 4 peut être réalisée, préalablement à l'introduction du moule 4 dans l'enceinte 1, ou à l'intérieur de l'en- ceinte 1 dont le couvercle supérieur 1 a est enlevé ou dans l'enceinte fermée avant ou pendant la mise en pression. Il est possible d'utiliser un tube d'introduction du métal liquide traversant le couvercle 1 a de l'enceinte étanche 1. On introduit par le conduit 2, à partir du réservoir ou de l'installation 3, un gaz sous pression dans l'enceinte 1, de manière à porter la pression à l'intérieur de l'enceinte à un niveau sensiblement supérieur à la pression atmosphérique. Pendant ou après le remplissage du moule, on aspire l'air contenu dans la préforme fibreuse 6 par l'intermédiaire du conduit 7 et de l'installation de pompage 8. On crée ainsi une dépression à l'intérieur de la préforme, ce qui permet d'évacuer très rapidement l'air contenu et d'aspirer le métal liquide dans les vides entre les fibres de la préforme fibreuse 6. Le moule et le métal liquide sont soumis à la pression interne de l'enceinte, ce qui favorise la pénétration du métal liquide entre les fibres de la préforme 6. Du fait qu'on exerce une dépression à l'intérieur de la préforme pour éliminer l'air et aspirer le métal liquide, la pression qu'il est nécessaire de créer dans l'enceinte 1 peut être limitée à un niveau relativement faible, généralement inférieur à 15 bars. Par exemple, on peut exercer une pression de l'ordre de 12 bars à l'intérieur de l'enceinte ou plus généralement une pression comprise entre 5 et 20 bars pour réaliser le moulage d'une culasse en aluminium pour moteur HDI comportant dans une partie de son volume, une préforme poreuse de type CMM. Le procédé suivant l'invention peut être désigné par l'appellation ICFP (Infiltration à la Coulée sous Faible Pression) en langue française ou par l'appellation ICLP (In situ Composite under Low Pressure), en langue anglaise. On obtient un remplissage de la préforme fibreuse extrêmement rapide et complet. Du fait que le vide est réalisé uniquement à l'intérieur de la préforme et non à l'intérieur du moule, on obtient un effet d'aspiration rapide, quasi instantané, et l'étanchéité de la préforme soumise à l'aspiration est obtenue automatiquement par infiltration du métal dans la partie superficielle de la préforme, si bien que, lors de la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention, on ne rencontre aucune difficulté pour exercer simultanément une surpression sur le métal liquide et le moule et une dépression dans la préforme, les deux zones soumises à la pression et à la dépression étant séparées par le métal liquide infiltré dans la préforme dès le début de l'aspiration. En outre, une même pression est toujours exercée à l'intérieur de l'enceinte 1 sur le métal liquide et le moule qui peut comporter des noyaux 5 de forme complexe et en grand nombre. De ce fait, on ne rencontre aucun problème relatif à l'étanchéité des différentes parties du moule ou à l'infiltration du métal coulé à l'intérieur des noyaux. Il n'existe donc pas de risque de grésage des noyaux, comme dans le cas de certaines techniques antérieures. D'autre part, il n'est pas nécessaire de solidifier rapidement l'attaque de coulée dans la masselotte du moule pour appliquer la pression. Enfin, il est possible d'utiliser, pour la mise en oeuvre de l'invention, un moule d'une nature et d'une composition quelconques, le moule pouvant être un moule métallique, un moule de sable ou de composition mixte. De ce fait, il est possible de maîtriser parfaitement les vitesses de solidification du métal liquide à l'intérieur du moule et d'utiliser le métal liquide pour chauffer la préforme in situ. Il n'est donc pas nécessaire d'effectuer un préchauffage de la préforme préalable au moulage. Il en résulte un avantage industriel et des économies considérables. L'invention ne se limite pas strictement au mode de réalisation qui a été décrit. C'est ainsi que le moule peut comporter un nombre de noyaux quelconque présentant des formes plus ou moins complexes. L'insert poreux peut présenter une forme et des dimensions quelconques. L'insert poreux peut présenter également une nature quelconque et le procédé de l'invention n'est pas limité à l'utilisation d'une préforme fibreuse. Cet insert peut être constitué par des fibres d'alumine ou d'autres composés, des plaquettes ou des particules en un matériau réfractaire quelconque ou de tout autre élément permettant d'obtenir un corps présentant une certaine porosité pour l'infiltration de métal liquide. La partie de la pièce moulée dans laquelle est noyé l'insert poreux peut représenter une proportion quelconque du volume de la pièce. Enfin, le procédé suivant l'invention s'applique non seulement à la fabrication de culasses de moteurs tels que des moteurs HDI à hautes performances mais encore à la fabrication de pièces différentes de culasses de moteurs telles que des pistons, des carters, des pivots, des bras ou des berceaux. L'invention s'applique non seulement à la fabrication de pièces à partir d'un métal liquide constitué par de l'aluminium mais également de pièces en un métal quelconque qui peut être coulé pour la fabrication de pièces renforcées. REVENDICATIONS 1.-Procédé de moulage d'une pièce métallique comportant un insert poreux (6), par coulée d'un métal liquide dans un moule (4) renfermant l'insert poreux (6) dans lequel on fait pénétrer le métal liquide coulé à l'intérieur de l'insert poreux (6), par mise en pression du métal liquide et mise en dépression de l'insert poreux (6), caractérisé par le fait qu'on place le moule (4) dans une enceinte (1), qu'on exerce une pression supérieure à la pression atmosphérique sur le moule (4) contenant le métal liquide coulé et l'insert poreux (6), par mise en pression de l'enceinte (1) et qu'on crée simultanément une dépression à l'intérieur de l'insert poreux (6). 2. - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'on exerce une pression comprise entre 5 et 20 bars et de préférence inférieure à 15 bars sur le moule (4) et le métal coulé à l'intérieur du moule (4). 3.-Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait qu'on réalise la mise en pression de l'enceinte (1) par introduction d'un gaz sous pression à l'intérieur de l'enceinte (1). 4.-Dispositif de moulage d'une pièce métallique comportant un insert poreux (6) comportant un moule (4) de moulage de la pièce métallique et des moyens de fixation de l'insert poreux (6) à l'intérieur du moule (4), caractérisé par le fait qu'il comporte de plus une enceinte (1) de dimensions suffisantes pour contenir le moule (4) et réalisée de manière à pouvoir être fermée de manière étanche, des moyens (2,3) de mise en pression du volume intérieur de l'enceinte étanche (1) et des moyens (7,8) de mise en dépression d'une partie interne de l'insert poreux (6) fixé à l'intérieur du moule (4). 5. - Dispositif suivant la revendication 4, caractérisé par le fait que les moyens (2,3) de mise en pression du volume interne de l'enceinte (1) comportent un moyen d'alimentation du volume intérieur de l'enceinte (1) en gaz sous pression. 6.-Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 4 et 5, caractérisé par le fait que le moule (4) est réalisé de manière à recevoir au moins un noyau de moulage (5). 7.-Utilisation d'un procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3 et d'un dispositif suivant l'une quelconque des revendications 4 à 6, pour le moulage d'une culasse d'un moteur à combustion interne en aluminium renforcée par une préforme (6) constituée par des fibres telles que des fibres d'alumine.