Brevet FR2831086A1 — publié le 20030425

L'invention concerne un procédé et un dispositif de fabrication par coulée de pièces métalliques comportant au moins une partie formée par noyautage et plus particulièrement d'une pièce métallique mettant en oeuvre des noyaux de formes complexes et occupant un volume important de la pièce, au moment de la coulée. L'invention concerne en particulier la fabrication 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 de 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 Hot 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. En effet, cette pièce est l'une des plus difficiles à réaliser, parmi toutes les pièces obtenues par les techniques de fonderie. En particulier, la pièce est fortement noyautée, c'est-à-dire qu'elle comporte des noyaux en grand nombre et de forme complexe qui constituent une partie importante du volume de la pièce à l'intérieur du moule de coulée. En outre, dans le cadre de l'amélioration des performances et de la fiabilité des moteurs HDI, on cherche à renforcer localement la culasse par un composite à matrice métallique (CMM). L'intégration d'un tel composite à matrice métallique dans une pièce aussi complexe que la culasse fortement noyautée pose des problèmes très difficiles à résoudre. Pour repousser les limites de performances en augmentant la fiabilité de la culasse, les concepteurs de moteurs pourraient éventuellement envisager de modifier profondément l'architecture de la culasse, de façon à ré- pondre aux exigences concernant les niveaux de sollicitation de la culasse, au lieu d'envisager l'utilisation d'un composite à matrice métallique assurant le renforcement de certaines parties de la culasse. Cependant, une modification profonde des formes des culasses demanderait de remplacer les machines utilisées pour l'usinage des culasses sur les lignes de fabrication des constructeurs automobiles. Malgré les difficultés rencontrées pour la fabrication de pièces renforcées par un composite à matrice métallique, cette solution paraît préférable, dans la mesure où elle ne nécessite pas d'investissements importants concernant l'usinage des culasses. De manière plus générale, dans le cas de pièces fortement noyautées pour lesquelles on recherche une très bonne santé du métal, les noyaux doivent répondre à des exigences qui peuvent paraître contradictoires. En effet, les noyaux introduits dans le moule de la pièce doivent tenir à la pression exercée sur le métal, par exemple lorsqu'on veut améliorer la santé du métal coulé ou infiltrer un composite de renforcement, par un procédé tel que le procédé d'infiltration à la coulée sous haute pression (ICHP). En outre, les noyaux doivent pouvoir être détruits de manière aisée pour être éliminés des parties creuses de la pièce après coulée. Ils doivent être étanches, de manière que le métal ne pénètre pas à l'intérieur des noyaux pendant la coulée sous pression. En outre, pour assurer un très bon moulage de la pièce, il faut isoler le métal des parois du moule et lubrifier ces parois, par un poteyage dont la mise en oeuvre peut être très difficile dans le cas de la coulée de certaines pièces. Il est également nécessaire de pouvoir effectuer un nettoyage satisfaisant de toutes les parties creuses de la pièce, après démoulage et dénoyautage. Toutes ces conditions peuvent être contradictoires quant à la nature des noyaux et quant au procédé à mettre en oeuvre pour réaliser les différentes phases du moulage des pièces. Le but de l'invention est donc de proposer un procédé de fabrication par coulée d'une pièce métallique comportant au moins une partie formée par un noyautage, consistant à fabriquer au moins un noyau dans une boîte à noyau, à mettre le noyau en place dans le moule et à couler un métal liquide dans le moule au contact du noyau, ce procédé permettant de fabriquer des pièces complexes fortement noyautées pouvant être renforcées par un insert tel qu'un composite à matrice métallique. Dans ce but : - on réalise le noyau par moulage d'un mélange comportant, en masse, de 96 % à 98 % de sable de fonderie et de 4 % à 2 % d'une résine renfermant au moins 50 % de copolymère acrylique et un durcisseur constitué par un peroxyde, - on durcit le noyau au contact d'un gaz durcisseur constitué, en vo- lume, de 90 % à 95 % de C02 et de 10 % à 5 % de 802, - on place le noyau dans un moule de coulée de la pièce métallique, et - on coule le métal liquide dans le moule et on soumet le métal liquide à une pression d'au moins 35 MPa. L'invention s'applique en particulier à la fabrication de culasses en aluminium pour moteur HDI renforcées par un insert. Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décrire, à titre d'exemple, en se référant aux figures jointes en annexe, un mode de réalisation du procédé suivant l'invention pour la fabrication d'une culasse telle qu'une culasse en aluminium d'un moteur HDI. La figure 1 est une vue en coupe d'un moule et de noyaux pour la fabrication d'une culasse, pendant le moulage de la culasse en aluminium. La figure 2 est une vue en perspective des attaques de coulée du moule représenté sur la figure 1. Comme il est visible sur la figure 1, le moulage de la culasse est ré- alisé dans un moule en deux parties comportant une empreinte fixe 1 et une empreinte mobile 2 qui sont rapportées l'une contre l'autre pour le moulage suivant un plan de joint 3. L'empreinte 4 du moule dans laquelle on coule l'aluminium de la culasse comporte une partie inférieure 4a communiquant avec un canal d'injection de métal liquide sous pression 5 et une partie su- périeure 4b dans laquelle sont disposés les noyaux utilisés pour le moulage de la culasse. La culasse est une pièce de forme complexe comportant de nombreuses parties creuses nécessitant l'utilisation de nombreux noyaux. Sur la figure 1, on a représenté cinq noyaux 6a, 6b, 6c, 6d et 6e qui sont respectivement, le noyau de cadre, un noyau de chambre d'eau, un noyau d'échappement, un noyau d'admission tangentielle et un noyau d'admission hélicoïdale pour former les différentes parties creuses de la culasse. Le noyau de chambre d'eau 6b est lui-même constitué de plusieurs parties de forme complexe. Avant d'effectuer la coulée, on introduit de plus dans le moule un élément de renforcement 7 qui peut être constitué par une préforme pour composite à matrice métallique. La préforme 7 est un élément poreux qui doit être pénétré par le métal liquide au moment de la coulée. On exerce donc, sur le métal coulé introduit dans le canal d'admission 5, une pression qui est généralement supérieure à 35 MPa (350 bars), par l'intermédiaire d'un piston se déplaçant dans le canal 5. Les noyaux 6a, 6b, 6c, 6d et 6e utilisés pour le moulage de la culasse sous pression doivent résister à la pression du métal liquide et donc présenter une compacité suffisante ; toutefois, ces noyaux doivent pouvoir se détruire facilement pour être éliminés des parties creuses de la culasse après le moulage et le refroidissement du métal liquide. Ces deux conditions sont contradictoires. En outre, les noyaux doivent être étanches, pour éviter une infiltration de métal liquide au moment de la coulée sous pression. Il est de plus nécessaire de prévoir un poteyage du moule pour isoler les parois du moule du métal liquide et lubrifier ces parois. Un tel poteyage ne doit introduire aucune substance gazeuse dans le métal liquide qui serait susceptible de diminuer la santé et la qualité de la pièce coulée. De manière à pouvoir satisfaire ces exigences, soit contradictoires, soit difficiles à atteindre, on a imaginé un procédé de coulée comportant une fabrication préalable de noyaux par moulage dans une boîte à noyau qui permette de satisfaire les exigences rappelées plus haut en ce qui concerne les noyaux. Une première étape du procédé de fabrication des noyaux consiste à préparer un mélange qui est ensuite introduit, moulé, puis durci dans des boîtes à noyaux correspondant à la forme des noyaux utilisés pour la fabrication de la culasse. Le mélange pour la fabrication des noyaux est principalement constitué par du sable de fonderie qui peut être en particulier du zircon (silicate de zirconium) ou de la silice. Dans le cas où l'on utilise du zircon, le sable est constitué par un mélange de particules de deux granulométries différentes et généralement de 70 % de particules de granulométrie 70 AFS et 30 % de particules de granulométrie 120 AFS. Dans le cas où l'on utilise de la silice, la granulométrie du sable peut être comprise entre 40 et 90 AFS et par exemple de l'ordre de 55 AFS. On réalise un mélange renfermant, en masse de 96 % à 98 % de sable et de 4 % à 2 % d'une résine à laquelle est ajouté un durcisseur. Dans le cas de l'utilisation du zircon, la proportion de la résine est plus proche de 2 % et, dans le cas de l'utilisation du silice, plus proche de 4 % qui sont les bornes de l'intervalle des pourcentages en masse de résine. On peut par exemple utiliser une résine commercialisée par la société ASHLAND ayant la référence Isocet 2015. La résine Isocet est à base de copolymère acrylique et renferme au moins 50 % de copolymère acrylique et généralement de l'ordre de 60 %. On utilise un durcisseur qui est un peroxyde de cumène dans une proportion en masse de 5 % par rapport à la quantité de résine. Le mélange homogène de résine et de sable est introduit dans les boîtes à noyau et soumis à un gazage effectué par un mélange de gaz carbonique C02 dans une proportion volumique de 90 % à 95 % et d'anhydride sulfureux S02 dans une proportion volumique de 10 % à 5 %. On réalise un lavage et un gazage des noyaux à l'intérieur des boîtes à noyaux par le mélange de gaz, le rapport des temps de lavage et de gazage étant de l'ordre de 1/5ème. La quantité totale d'anhydride sulfureux SO2 utilisée pour le durcissement des noyaux représente, en masse, de 15 % à 20 % de la masse de la résine. On peut ainsi régler le débit et le temps d'injection du gaz dans les boîtes à noyaux. A l'issue du durcissement, les caractéristiques mécaniques des noyaux à la vitesse de déformation de 0,2 mm/s, à la température ambiante, sont les suivantes : - contrainte à la rupture en compression, de 8 à 10 MPa ; - contrainte à la rupture en flexion : 6 à 8 MPa. Ces caractéristiques mécaniques se comparent très favorablement aux caractéristiques mécaniques correspondantes des noyaux habituellement utilisés pour le moulage de pièces en aluminium telles que des culasses, la contrainte à la rupture en compression de tels noyaux étant de 1 à 3 MPa. Les caractéristiques mécaniques très fortement améliorées des noyaux sont dues à la forte proportion de résine (2 % à 4 % en masse au lieu de 1 % habituellement), ainsi qu'à l'utilisation d'un gaz de durcissement de composition bien définie. Les pièces obtenues ont une parfaite santé métallurgique et en particulier ne présentent pas de porosité due à un dégagement gazeux. De manière surprenante, malgré l'utilisation d'une proportion forte de résine, le dégagement gazeux accru dans le moule au moment de la coulée ne se traduit pas par l'apparition de défauts dans la pièce coulée. On peut supposer que la mise sous pression du métal liquide, pendant la coulée, s'oppose à la sortie de gaz des noyaux incorporant une forte proportion de résine. De manière à éviter une infiltration de métal liquide sous pression à l'intérieur des noyaux, il est nécessaire de déposer sur les noyaux, avant de les placer dans le moule de coulée, une ou plusieurs couches s'opposant au passage du métal liquide dans les porosités du noyau. Dans le cas du procédé suivant l'invention, on applique au moins deux couches et généralement trois couches au trempé sur le noyau. Une première couche réalise une imperméabilisation de la partie superficielle du noyau en pénétrant à l'intérieur des porosités, la deuxième couche recouvre la surface du noyau et la troisième couche s'oppose au mouillage des noyaux par l'alliage d'aluminium coulé. La première couche déposée sur les noyaux doit pénétrer dans l'épaisseur des noyaux sur une profondeur d'environ 0,5 mm à 1 mm. Cette couche doit être mouillante avec un faible seuil d'écoulement et un taux de charge minérale élevé. Le diamètre des particules constituant la première couche de recouvrement des noyaux doit être plus faible que les pores des noyaux. De ce fait, la première couche assure une étanchéité des noyaux en bouchant les pores de ces noyaux. La première couche est déposée au trempé sur les noyaux qui sont plongés à l'intérieur d'une suspension de type argileux ou barbotine argileuse. Les noyaux sont ensuite séchés dans une étuve à une température de 60 C à 130 C. La seconde couche doit recouvrir la première couche afin de réaliser une couche en surépaisseur imperméabilisant le noyau. La perméabilité du noyau à l'issue du dépôt de la seconde couche doit être inférieure à 10 GF selon la norme GEUG FISHER (Echelle de 0 à 500 GF, buse de diamètre 1,5 mm et dépression de 0 à 100 mm d'eau). Initialement, le noyau a une perméabilité de 80 GF à 120 GF, lorsque le noyau est constitué principalement de sable zircon et une perméabilité de 120 GF à 200 GF, lorsque les noyaux sont réalisés sous forme siliceuse. La troisième couche déposée éventuellement sur les noyaux est à base de graphite, de carbone amorphe, de silicate de sodium ou de potassium ou de silice colloïdale, en suspension dans l'eau. Les noyaux sont trempés dans une suspension telle que définie plus haut destinée à produire la troisième couche de recouvrement du noyau. Le noyau est ensuite séché dans une étuve. La troisième couche permet de rigidifier la surface du noyau et joue le rôle d'agent anti-mouillant vis-à-vis de l'alliage d'aluminium liquide, lors de la coulée, pour améliorer le décollement de la couche vis-à-vis de la pièce. La couche est déposée sur les noyaux, à partir de la suspension. Les noyaux sont ensuit séchés dans une étuve. Avant de couler le métal liquide dans le moule, il est nécessaire de réaliser un poteyage des surfaces venant en contact avec le métal liquide, à partir de produits, soit pulvérulents, soit en émulsion aqueuse. Pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention, la composition chimique de ces produits doit être telle qu'ils renferment une proportion importante de substances à l'état minéral, telles que le graphite et la silice. De préférence, les compositions de poteyage du moule doivent renfermer, en masse, au moins 80 % de produits minéraux tels que le graphite et la silice, afin de limiter le dégagement gazeux au moment de la coulée du métal liquide. De tels produits à base de graphite et de silice ont pour rôle- de lubrifier les surfaces du moule et de créer un interface réfractaire entre la pièce coulée et les parois du moule et de favoriser les transferts thermique entre la pièce et le moule. Les compositions de poteyage renferment, en plus des composés minéraux, au plus 20 % de produits organiques dont la fusion est réalisée lors de la coulée vers 250 C. Ces produits organiques jouent le rôle d'agents de cohésion des particules des produits minéraux du poteyage, de lubrifiant entre la pièce et le moule et de film d'étanchéité entre l'alliage d'aluminium coulé et les parois du moule. Les produits organiques des compositions de poteyage sont constitués, de préférence, par du stéarate. Lorsqu'on a réalisé la coulée et le refroidissement de la culasse, il est nécessaire de réaliser une élimination des noyaux contenus dans les parties creuses de la culasse. De manière inattendue, les noyaux qui présentent des caractéristiques mécaniques satisfaisantes leur permettant de résister à la pression de coulée du métal liquide peuvent être facilement éliminés par un procédé de débourrage de noyaux, par exemple par lit fluidisé où par onde de choc. Dans le cas d'un débourrage des noyaux par lit fluidisé, on fait circuler à l'intérieur de la pièce, au contact des noyaux, un lit fluidisé à une température de l'ordre de 4500C constitué par de l'air contenant en suspension un sable tel qu'un sable zircon. La circulation de l'air à haute température au contact des noyaux produit une oxydation de la résine des noyaux qui deviennent cassants, se délitent et se brisent en fines particules sous l'effet du lit fluidisé, pour être entraînées à l'extérieur de la pièce coulée. Le procédé de débourrage des noyaux par onde de choc est réalisé sous une puissance de 7 KW pendant une durée de 30 secondes, dans une cuve remplie d'eau. A la suite de l'élimination des noyaux, il est nécessaire d'éliminer toute trace de dépôt dans les canaux de la culasse qui ont été formés grâce à la présence des noyaux. On effectue tout d'abord une attaque de la culasse et en particulier des surfaces intérieures des conduits de la culasse, par de la soude à une concentration de 80 g/l vers 60 C pendant une demi-heure. Dans un second temps, on réalise le rinçage à l'eau à 20 des canaux et cavités de la culasse, pendant une durée de cinq minutes. On effectue ensuite, dans un troisième temps, un blanchiment des surfaces de la culasse au moyen d'un mélange suifochromique à une température de 450C pendant deux minutes, de manière à éliminer les traces de silicium non attaqué qui présentent une couleur noire qui peut ne pas être acceptée par les services de contrôle des culasses. On effectue enfin, dans un quatrième temps, le rinçage à l'eau à 200C pendant cinq minutes de la culasse. Le nettoyage chimique de la culasse est réalisé par circulation interne de liquides dans les conduits de la culasse permettant d'évacuer toute trace de résidus Pour la mise en oeuvre d'un procédé de coulée d'une culasse comportant un insert du type composite à matrice métallique (CMM), il peut être nécessaire de réaliser un préchauffage de la préforme destinée à constituer l'insert avant son introduction dans le moule. La préforme peut être chauffée, par exemple, à 1000 C, de manière qu'après sa mise en place dans le moule et le démarrage de la coulée, sa température soit encore d'au moins 6000C. La coulée du métal liquide est réalisée sous pression en exerçant une pression dans le conduit d'introduction de métal liquide, par exemple un alliage d'aluminium, par l'intermédiaire d'un piston. On a représenté sur les figures 1 et 2, les attaques de coulée 8a, 8b, 8c, 8d et 8e par lesquelles le métal liquide introduit dans l'ouverture d'admission et porté à une pression supérieure à 35 MPa s'écoule à l'intérieur de la partie supérieure du moule. Les attaques de coulée 8a, 8b, 8c, 8d et 8e doivent avoir une dimension suffisante pour permettre une bonne transmission de la pression à l'intérieur de l'ensemble du moule et pour permettre une solidification dirigée du haut vers le bas à l'intérieur du moule. L'arrivée de métal liquide 5 dans le moule se trouve du côté admission du moteur et les attaques de coulée permettant d'alimenter la partie supérieure du moule se trouvent du côté échappement du moteur et réparties suivant la ligne de cylindres du moteur. Le procédé suivant l'invention permet de réaliser la coulée de pièces complexes telles que des culasses et en particulier des culasses de moteurs HDI renforcées par un composite à matrice métallique, ces pièces étant fortement noyautées et devant être réalisées sans défaut à l'intérieur du métal de la pièce et avec une propreté parfaite des surfaces des cavités et canalisations internes à la culasse. L'invention peut être mise en oeuvre suivant certaines variantes, quant à la nature des composants des noyaux et quant à la réalisation des différentes opérations successives de la coulée. L'invention s'applique également à la fabrication de pièces fortement noyautées différentes de culasses comportant un élément de renforcement du type composite à matrice métallique. De manière générale, le procédé suivant l'invention peut s'appliquer à toute coulée sous pression de pièces fortement noyautées, dans le cadre de l'industrie automobile ou dans le cadre d'autres industries. REVENDICATIONS 1.-Procédé de fabrication par coulée de pièces métalliques comportant au moins une partie formée par noyautage, consistant à fabriquer au moins un noyau (6a, 6b, 6c, 6d, 6e) dans une boîte à noyaux, à mettre le noyau en place dans un moule (4) et à couler un métal liquide dans le moule (4), caractérisé par le fait : - qu'on réalise le noyau (6a, 6b, 6c, 6d, 6e) par moulage d'un mélange comportant, en masse, de 96 % à 98 % de sable de fonderie et de 4 % à 2 % d'une résine renfermant au moins 50 % de copolymère acrylique et un durcisseur constitué par un peroxyde, - qu'on durcit le noyau au contact d'un gaz durcisseur constitué, en volume, de 90 % à 95 % de COs et 10 % à 5 % de SOg, - qu'on place le noyau dans un moule de coulée de la pièce métallique, et qu'on coule le métal liquide dans le moule (4) et qu'on soumet le métal liquide à une pression d'au moins 35 MPa. 2.-Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que le sable de fonderie est constitué principalement par l'un des composants suivants : zircon (silicate de zirconium), silice. 3.-Procédé suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que le sable de fonderie est constitué principalement par des particules de zircon ayant une granulométrie de 70 AFS dans une proportion de 70 % et des particules ayant une granulométrie de 120 AFS dans une proportion de 30 %. 4.-Procédé suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que le sable de fonderie est constitué principalement par de la silice ayant une granulométrie comprise entre 40 AFS et 90 AFS et de préférence voisine de 55 AFS. 5.-Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait qu'on ajoute à la résine un durcisseur constitué par du peroxyde du cumène, dans une proportion d'environ 5 % en masse par rapport à la résine. 6.-Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que le noyau présente une contrainte à la rupture en com- pression comprise entre 8 et 10 MPa, à la vitesse de déformation de 0,2 mm/s, à la température ambiante. 7.-Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait qu'on dépose sur le noyau (6a, 6b, 6c, 6d, 6e) au moins une première couche d'étanchéité constituée par des particules dont la taille est inférieure à la taille des pores des noyaux et une seconde couche recouvrant la première qui peut être de composition identique. 8.-Procédé suivant la revendication 7, caractérisé par le fait qu'on dépose sur le noyau une troisième couche à base d'au moins une matière minérale telle que le graphite, le carbone amorphe, un silicate de sodium ou de potassium ou encore la silice colloïdale. 9.-Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait qu'avant la coulée du métal liquide dans le moule, on réalise un poteyage du moule par dépôt sur les parois du moule venant en contact avec le métal liquide, d'un revêtement en une substance constituée à 80 % par des produits minéraux tels que le graphite et la silice et à 20 % par un produit organique tel que le stéarate. 10.-Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait qu'après la coulée et le refroidissement de la pièce mé- tallique, on réalise l'élimination des noyaux par circulation d'un lit fluidisé à l'intérieur de la pièce, au contact des noyaux (6a, 6b, 6c, 6d, 6e). 11.-Procédé suivant la revendication 10, caractérisé par le fait que le lit fluidisé est constitué par de l'air à une température de 450 C portant en suspension un sable tel qu'un sable constitué de zircon. 12.-Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé par le fait qu'on réalise l'élimination des noyaux (6a, 6b, 6c, 6d, 6e) à l'intérieur de la pièce après coulée et refroidissement, par onde de choc. 13.-Procédé suivant l'une quelconque des revendications 11 et 12, caractérisé par le fait qu'on réalise, après élimination des noyaux (6a, 6b, 6c, 6d, 6e) dans la pièce refroidie et solidifiée, le nettoyage des parties creuses de la pièce par circulation à l'intérieur de la pièce : - dans un premier temps, d'une solution d'attaque contenant de la soude, - dans un second temps, d'eau de rinçage, - dans un troisième temps, d'une solution de blanchiment des parois internes de la pièce, et - dans un quatrième temps, d'eau de rinçage. 14.-Procédé suivant la revendication 13, caractérisé par le fait que la solution de blanchiment est un mélange suifochromique à une température de 45 C mis en circulation pendant deux minutes au contact des parois des cavités de la pièce coulée. 15.-Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisé par le fait que la pièce comporte un composite à matrice métallique sous la forme d'une préforme poreuse (7) introduite dans le moule de coulée avant la coulée du métal liquide et la mise du métal liquide à une pression d'au moins 35 MPa. 16.-Utilisation d'un procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 15, pour la fabrication d'une culasse d'un moteur à combustion interne et en particulier d'une culasse pour un moteur diesel à injection directe du type HDI.