Brevet FR2841163A1 — publié le 20031226

La presente invention concerne d'une facon generale la coulee de pieces de fonderie en alliage leger, principalement a base d'aluminium. - On connalt diverges techniques de fonderie, pour ltessentiel par le haut du moule en mode gravite et par le teas du moule en mode basse pressio. On connalt egalement divers types de moules, principalement les moules en sable et les moules metalliques. L'utilisation de la coulee en moule metallique par gravite presente des interets pour la production de pieces de fonderie tel. le s que de s blocs-moteurs en al l iage d'aluminium pour des moteurs a combustion de vehicules automobiles ou autres. En particulier, un tel procede est adapte a une demande de petites et moyennes series, car il est tres modulaire et permet de minimiser la consommation de sable chimiquement lie grace a l'utilisation de parois de moule en metal. Comparee a la technique de coulee dans des moules en sable a vert, la technique de la coulee par gravite en moule metallique presente l'avantage d'un cout d'investissement progressif, adapte et ajustable aux besoins reels de la production. Cependant le procede de coulee de bloc-moteurs par gravite en moule metallique, tel qu'il est conventionnellement pratique, ne permet pas d'obtenir simultanement et de facon robuste une haute qualite metallurgique dans des regions de la piece telles que les paliers de vilebrequin (regions qui vent les plus-sensibles du point de vue de la resistance a la fatigue) et un controle dimensionnel adequat des formes interieures les unes par rapport aux autres. 28411 63 En effet, si l'on cherche tavoriser l'un de ces objectifs, c'est ncessairement au dAtriment de l'autre. Par exemple, et maintenant en rfArence la figure 1 des dessins, si on > 6alise la coulAe d'un bloc moteur en V par gravitA, avec les paliers de vilebrequin PV en partie supArieure, on se trouve dans une situation particuliArement favorable pu la altrise dimepsionnell des fUts, notamment quand on veut surmouler des chemises insArAes la coule. En etfet, la base du moule permet de placer tous les dispositifs de guidage des broches mAtalliques qui formeront les fats directement au contact de l'alliage solidifiA, ou encore des broches mtalliques qui serviront de support aux chemises CH placAes sur ces broches de fAt et elles-mmes surmoulAes par l'alliage liquide. De la mAme fagon cette base du moule peut servir de support trAs pratique pour le positionnement de noyoux intrieurs tels que ceux destinAs formec les circulations d'eau. Cependant, on observera que ces avantages de la coulAe du bloc avec les pal iers de vi lebrequin vers le haut vent tempArAs par le fait que les paliers de vilebrequin tant sus les masselottes MA, ils prAsentant une qualitA m6Lallurgique (notamment en termes de microporositA), des caractristiques mAcaniques et une tenue {6 fatigue signi[icativement rAduites par rapport ce qui pourrait Atre obtenu avec un refroidissement plus rapide de l'alliage. Si par contre on coule le bloc-moteur aved le moule positionnA dans l'autre sens (c'est-- dire avec les paliers de vilebreguin vers le teas) dans le but de favoriser l'obtention de microstructures et de propriAtAs amAliores 28411 63 dans ces zones critiques en termes de fatigue, on se heurte a d'autres difficultes si l'on a recours a la coulee par gravite conventionnelle. En effet, et maintenant en reference a la figure 2 ou l' on a represente le moule schematiquement en coupe, il faudrait alors prevoir et positionner un systeme de broches metalliques permettant d' assurer Le demoulage selon les deux directions D et D' illustrees sur la figure 2, ou encore un systeme de broches porte-chemises, dont l' integration necessaire avec un systeme de masselottage serait extremement difficile a realiser. C'est pourquoi une telle approche n'est pratiquement pas utilisee. La presente invention a pour but de pallier ces limitations de l'etat de la technique connue, et a proposer un procede de coulee ameliore qui permette d'une part d'atteindre les objectifs d'optimisation des caracteristiques mecaniques, notamment en fatigue, dans des regions telles que des paliers de vilebrequin d'un bloc moteur, et d' autre part d' atteindre egalement les objectifs de maitrise dimensionnelle des futs correspondents en particulier lorsque ces paliers comportent des chemises inserees a la coulee. Wile propose a cet effet, selon un premier aspect, un - 25 procede de coulee d'une piece en alliage metallique tel qutun alliage d'aluminium, et tout particulierement de coulee d'un bloc-moteur de moteur a combustion interne a cylindres, caracterise en ce qu'il comprend les etapes suivantes: - former un noyau possedant au moins un fut destine a former dans la piece un cylindre et au moins une cavite destinee a former dans la piece une zone d'appui et/ou de 28411 63 retenue pour un organe de travail tel qu'un vilebrequin, et au moins un refroidisseur au proche voisinage de la cavite, - positionner le noyau dans une cavite de moule metallique, et - alimenter le moule garni de son noyeu en alliage liquide par gravite. Certains aspects preferes, mais non limitatifs, du procede selon l' invention vent les suivants: - le noyau est forme par assemblage rigide d'un ensemble de tron,cons de noyau. - le positionnement du noyau est realise en positionnant les tron,cons individuals dans le moule dans des positions de reference respectives par rapport au motile, puis en solidarisant les tron,cons entre eux. - la solidarisation des tronc,ons entre eux est realisee en fixant une ou plusieurs banquettes sur les tron,cons. - la solidarisation des tron,cons comprend une mise en appui des troncons entre eux au niveau de surfaces d'appui. - les surfaces d'appui vent prevues au niveau de refroidisseurs appartenant aux tron,cons respectifs. - le ou chaque refroidisseur est integre au noyau au cours de la formation audit noyau. - le ou chaque refroidisseur est rapporte dans le 2s noyeu apres la formation audit noyau. - la ou chaque cavite est definie au poins partiellement par un refroidisseur. - le ou chaque refroidisseur prevu dans le noyau est situe dans une region du noyau opposee a une region de masselottes du motile. - le refroidisseur ou au moins un refroidisseur est en appui sur une semelle du motile. 28411 63 Selon un deuxieme aspect, la presente invention propose un moule pour la coulee d'une piece en alliage metallique tel qu'un alliage d'aluminium, et tout particulierement la coulee d'un bloc-moteur de moteur a combustion interne a cylindres, caracterise en ce qu'il comprend: = - une enveloppe metallique definissant une cavite de motile, - un noyau possedant au moins un fut destine a former dans la piece un cylindre et au moins une cavite destinee a former dans la piece une zone d'appui ettou de retenue pour un organe de travail tel qu'un vilebrequin, et au moins un refroidisseur au proche voisinage de la cavite, - des moyens de positionnement du noyau dans la cavite de motile, et - un masselottage dans une region superieure du moule pour son alimentation en alliage liquide par gravite. Certains aspects preferes, mais non limitatifs, du moule defini ci-dessus vent les suivants: - - le noyau comprend un assemblage rigide d'un ensemble de troncons de noyau. - les moyens de positionnement du noyau vent apses a positionner les troncons individuals dans le moule dans des positions de reference respectives par rapport au motile, et il est prevu des moyens de solidarisation des troncons entre eux. - le noyau comprend une ou plusieurs banquettes fixees sur le s troncons et apses a sol idari ser les bon-cons entre eux. - les troncons de noyau comprennent des surfaces d'appui mutuel des troncons. 28411 63 - les surfaces d'appui vent prevues au niveau de refroidisseurs appartenant aux troncons respectifs. - le ou chaque refroidisseur est integre au noyau au cours de la formation audit noyau. s -- - le ou chaque refroidisseur est rapporte dans le noyau apres la formation audit noyau. - la ou chaque cavite et definie au poins partiellement par un refroidisseur. - le ou chaque refroidisseur prevu dans le noyau est lo situe dans une region du noyau opposee a une region de masselottes du motile. - le refroidisseur ou au moins un refroidisseur est en appui sur une semelle du motile. - l'enveloppe de moule est depourvue de circuits de refroidissement. D'autres aspects, buts et avantages de la presente invention apparaitront mieux a la lecture de la description detaillee suivante d'une forme de realisation preferee de celle-ci, donnee a titre d'exemple non limitatif et faite en reference aux dessins annexes, sur lesquels, outre les figures 1 et 2 deja decrites: les figures 3a et 3b vent des vues schematiques en perspective de deux possibilites de realisation d'un paquet de noyaux utilisable dans un procede selon l' invention, la figure 4 est une vue schematique en perspective partielle d'une semelle et d'un refroidisseur appartenant a un moule selon l' invention la figure 5 est une vue en coupe transversale d'un moule selon l' invention, la figure 6 illustre en coupe transversale une etape de positionnement d'un paquet de noyaux dans le motile, et 28411 63 la figure 7 illostre en ccupe transversale une Atape de fixation d'une banquette sur le paquet de noyaux. En rAfArence tout d'abord la figuce 3a, on a reprAsentA un paquet de nyaux central destind participer la coulAe d'un bloc-moteur en V de moteur combustion, ce bloc-moteur comportant des chemises Ch et des refroidisseurs RE intAgrAs 1 du tir du ocyau. Plus prAcisAment, ce paquet comporte l'extrAmit destinAe former le vilebcequin un systAme de refroidissement constituA par des volumes d'acier, de fonte, ou de tout autre mtal ou alliage appropri6, formant des refroidisseurs RE. Ces refroidisseurs vent placAs dans les boites noyaux utilises pour former les diffArents paquets de noyaux (en gnAral un paquet par padre de cylindres) Sur la figure 3a, on a reprsentA un refroidisseur RE, ainsi que deux chemises CH de cylindres, le noyau N Atant tirA autour du refroidisseur et l'intArieur des chemises. [e refroidisseur est ici muni d'un trou central T qui permet de passer dans ['ensemble de refroidisseurs alignAs une tige filete ou analogue facilitant le serrage et la rigidification du paquet de noyoux central ainsi que son etraction aprAs la coulAe. La figure 3b illustre une variante de rdalisation du ystAme de noyautage, dans lequel on pratigde dans le paquet de noYaux un Avidement E destinA recevoir, aprAs la formation des noyaux, un systme de refroidisseur(s) mAtallique(s) prAvu au niveau de la semelle du moule (non reprAsentA sur la figure 3). En rf6rence maintenant la figure 4, on a reprAsentA partiellement un paquet de noyoux ralisA conformAment la figure 3b, ainsi que la semelle SE du 28411 63 moule comportant un refroidisseur unique RE re,cu dans les evidements alignes des tron,cons de noyau On peut egalement prevoir plusieurs refroidisseurs an appui les uns contre les autres. Sur la figure 4, les evidements P formes dans le refroidisseur RE constituent les espaces destines a former les paliers de vilebrequin. On notera ici qu'avantageusement, les surfaces refroidissantes vent con, cues pour maximiser la surface de contact verticale generalement semicirculaire avec les paliers, ceci de maniere a accelerer dans la mesure du possible le refroidissement de l'alliage liquide dans les regions P qui vont former les paliers, et ainsi obtenir des caracteristiques mecaniques optimales au niveau de ceux-ci. Notamment, la distance L illustree sur la figure 4 est preferentiellement superieure a 15 mm. Le moule comporte par ailleurs un systeme de masselottage situe a ['oppose du systeme de refroidissement sus-decrit, les masselottes etant formees typiquement par des noyaux de sable. L'alliage liquide alimente le moule par basculement au travers des masselottes, de fa,con a obtenir naturellement un gradient thermique favorable a la solidification, avec la temperature la plus elevee au niveau des masselottes et la temperature la plus basse dans la region opposee. La figure 5 illustre a cet egard la structure d' ensemble du moule et de la piece coulee. Le moule comporte sa semelle SE, deux chapes C mobiles dans les directions indiquees par les fleches Fc sur la figure 5, des tiroirs mobiles verticalement (non representes), une louche relais LR reliee a l'une des chapes C, un paquet de noyeux central PNC, des noyaux de 28411 63 masselottage M1, M2 et M1, Ie cas AchAant des noyaux supplAmentaires SU. L'ensemble peut bascoler autour d'un dxe horizontal de maniAre effectuer un remplissage par basculement, galme, partir de la louche relais LR. On a Agalement reprAsentA ur la figgre 5 des banquettes B. les chemises H dans_lequelles vent form formes l'intArieur du bloc-moteur. Ce systAme de noyau forme Agalement une structure en cage fermAe par les banquettes B et les zones d'appui AR. On va maintenant dcrire en rAfArence la figure la fagon d' assurer un bon positionnement de la structure de noyau telle que dAcrite ci-dessus. On a ainsi reprsent 28411 63 sur cette figure deux supports lateraux V et V' qui permettent tout d'abord d'aligner les chemises CH les unes par rapport a l'autre d'un tron,con de noyeu a l'autre, alors que ces tron,cons n'ont pas encore ete solidarises entre eux. Apres avoir realise ce positionnement, on realise l'immobilisation dans cette position de reference a l' aide de tout moyen adapte au nive,au des surfaces d'appui AR des differents tron,cons. Les supports lateraux V, V' vent ensuite escamotes vers le teas pour degager les tron,cons. L' assemblage est acheve comme illustre sur la figure 7, en positionnant les banquettes B et en les fixant sur les futs FC, alors que la base du paquet de noyaux est collee ou fixce a un appui de reference APP au niveau de la semelle SE du motile. Exemple a) selon I 'art anterieur Un bloc moteur du type V8 d'une cylindree de 5, 7 litres est coule avec un alliage d'aluminium de composition: Fe(0,35%) Si(7,3%) Cu(3,3%) Zn(0,20%) Mg(0,30%) Mn(0,14%), le reste etant de l'aluminium, a une temperature de 735 C, selon le procede de coulee par gravite classique en soi. Le moule a ete prealablement positionne avec les paliers de vilebrequin vers le haut, sous les masselottes, comme decrit en reference a la figure 2 (art anterieur). Le noyau possede des chemises en fonte usinees sur leur surface interieure et exterieure. L' ensemble du moule est metallique, et les chemises vent portees par des futs escamotables au travers de la semelle. 28411 63 Le bloc apres coulee est refroidi par air pulse et debourre mecaniquement, puis soumis a un traitement thermique connu en soi, pendant 5 heures a une temperature 210 C (traitement connu de l'homme du metier sous la s designation >. On obtient au niveau des paliers de vilebrequin, pour une population representative, les caracteristiques . .. mecaniques indiquees dans le tableau I ci-dessous Tableau I Rm (MPa) Rpo2 (MPa) A (%) HB Moyenne 243 226 0,40 101 Ecart-type 5,5 5, 6 0,05 2,0 b) selon 1'invention IS Un bloc-moteur de meme geometric est realise avec le meme alliage et a la meme temperature, avec le procede selon l' invention, avec une configuration de refroidissement de l'alliage au niveau des paliers telle qu'elle a ete decrite en reference a la figure 3b. Les chemises vent identiques a celles de l'exemple selon l'art anterieur. Apres refroidissement a l' air pulse, le meme traitement thermique (5 h a 210 C) est realise. Le tableau II ci-dessous donne les proprietes mecaniques obtenues dans ce cas sur une population representative. 28411 63 Tableau II Rm (MPa) Rpo2 (MPa) A (%) HB Moyenne 291 222 2,0 116 _ Ecart-type 4,5 5, 0 0,06 2,0 La comparaison des tableaux I et II permet d'apprecier S ['amelioration des proprietes mecaniques, mesurees dans les deux cas au niveau des paliers, et au meme endroit dans ces paliers. On observe en particulier un accroissement de la resistance mecanique Rm de l'ordre de 20 %, et une multiplication par cinq de l'allongement. En outre, le procede selon l' invention apporte un ecart-type en termes de positionnement des chemises par rapport au referential du bloc egal a 0,22 mm (ecart-type moyen pour l' ensemble des fuss), sensiblement inferieure a l'ecart-type de 0,25 mm obtenu avec le procede de l'art anterieur. Bien entendu, l'homme du metier saura apporter a ['invention de nombreuses variantes et modifications. 28411 63 REVEN D I CAT I ON S 1. Procede de coulee d'une piece en alliage metallique tel qutun alliage d'aluminium, et tout particulierement de coulee d'un bloc-moteur de moteur a combustion interne a cylindres, caracterise en ce qu'il comprend les etapes suivantes: - former un noyau possedant au moins un fut destine a former dans la piece un cylindre et au moins une cavite destinee a former dans la piece une zone d'appui et/ou de retenue pour un organe de travail tel qu'un vilebrequin, et au moins un refroidisseur au proche voisinage de la cavite, - positionner le noyau dans une cavite de moule metallique, et - alimenter le moule garni de son noyau en alliage liquide par gravite. 2. Procede selon la revendication 1, caracterise en ce que le noyau est forme par assemblage rigide d'un ensemble de troncons de noyau. 3. Procede selon la revendication 2, caracterise en ce que le positionnement du noyau est realise en positionnant les tron,cons individuals dans le moule dans des positions de reference respectives par rapport au motile;, puis en solidarisant les tron,cons entre eux. 4. Procede selon la revendication 3, caracterise en ce que la solidarisation des tron,cons entre eux est realisee en fixant une ou plusieurs banquettes sur les tron,cons. 28411 63 5. Procede selon l'une des revendications 3 et 4, caracterise en ce que la solidarisation des tronc,ons comprend une mise en appui des tron,cons entre eux au niveau de surfaces d'appui. 6. Procede selon la revendication 5, caracterise en ce - que les surfaces d'appui vent prevues au niveau de ... refroidisseurs appartenant aux tronc,ons respectifs. 7. Procede selon l'une des revendications 1 a 6, caracterise en ce que le ou chaque refroidisseur est integre au noyau au cours de la formation audit noyau. 8. Procede selon l'une des revendications 1 a 6, caracterise en ce que le ou chaque refroidisseur est rapporte dans le noyau apres la formation audit noyau. 9. Procede selon l'une des revendications 1 a 8, caracterise en ce que la ou chaque cavite est definie au poins partiellement par un refroidisseur. 10. Procede selon l'une des revendications 1 a 9, caracterise en ce que le ou chaque refroidisseur prevu dans le noyau est situe dans une region du noyau opposee a une region de masselottes du motile. = 11. Procede selon l'une des revendications 1 a 10, caracterise en ce que le refroidisseur ou au moins un refroidisseur est en appui sur une semelle du motile. 12. Moule pour la coulee d'une piece en alliage metallique tel qu/un alliage d'aluminium, et tout particulierement la 28411 63 coulee d'un bloc-moteur de moteur a combustion interne a cylindres, caracterise en ce qu'il comprend: - une enveloppe metallique definissant une cavite de motile, s - un noyau possedant au moins un fut destine a former dans la piece un cylindre et au moins une cavite destinee a former dans la piece une zone d'appui et/ou de retenue pour ,. un organe de travail tel qu'un vilebrequin, et au moins un refroidisseur au proche voisinage de la cavite, - de s moyens de po s it ionnement du noyau dans la cavite de motile, et - un masselottage dans une region superieure du moule pour son alimentation en alliage liquide par gravite. IS 13. Moule selon la revendication 12, caracterise en ce que le noyau comprend un assemblage rigide d'un ensemble de tron,cons de noyau. 14. Moule selon la revendication 13, caracterise en ce que les moyens de positionnement du noyau vent apses a positionner les tron,cons individuals dans le moule dans des positions de reference respectives par rapport au motile, et en ce qu'il est prevu des moyens de solidarisation des :: tron,cons entre eux. 2s - 15. Moule selon la revendication 14, caracterise en ce le noyau comprend une ou plusieurs banquettes fixces sur les troncons et apses a solidariser les troncons entre eux. 16. Moule selon l'une des revendications 14 et 15, caracterise en ce que les tron,cons de noyau comprennent des surfaces d'appui mutuel des tron,cons. 28411 63 17. Moule selon la revendication 16, caracterise en ce que les surfaces d'appui vent prevues au niveau de refroidisseurs appartenant aux troncons respectifs. 18. Moule selon l'une des revendications 12 a 17, caracterise en ce que le ou chaque refroidisseur est integre au noyau au cours de la formation audit noyau. 19. Moule selon l'une des revendications 12 a 17, caracterise en ce que le ou chaque refroidisseur est rapporte dans le noyau apres la formation audit noyau. 20. Procede selon l'une des revendications 12 a 19, caracterise en ce que la ou chaque cavite est definie au poins partiellement par un refroidisseur. 21. Procede selon l'une des revendications 12 a 20, caracterise en ce que le ou chaque refroidisseur prevu dans le noyau est situe dans une region du noyeu opposee a une region de masselottes du motile. 22. Procede selon l'une des revendications 12 a 21, caracterise en ce que le refroidisseur ou au moins un refroidisseur est en appui sur une semelle du motile. _ 25 23. Procede selon l'une des revendications 12 a 22, caracterise en ce que l'enveloppe de moule est depourvue de circuits de refroidissement.