Brevet FR2868346A1 — publié le 20051007

La présente invention concerne un moule pour la coulée d'un métal liquide, du type comprenant une surface de forme correspondant à la surface du produit à fabriquer par coulée et destinée à entrer en contact avec le métal liquide. Elle s'applique notamment aux installations de fabrication de tuyaux par coulée. On connaît des moules pour la fabrication de tuyaux en fonte par coulée. Ces moules ont une forme générale de cylindre creux autour d'un axe de rotation et comprennent une extrémité correspondant au bout uni du tuyau ainsi qu'une extrémité correspondant au bout à emboîtement du tuyau. La surface intérieure du moule forme la surface extérieure du tuyau fabriqué. Lors de la fabrication de tuyaux, le moule est entraîné en rotation autour de son axe, et un métal liquide est coulé sur la surface intérieure du moule. Le métal est coulé successivement de l'extrémité de bout à emboîtement au l'extrémité de bout uni. Les moules connus sont fabriqués en un acier faiblement allié en chrome, afin de supporter la température de l'acier liquide. En raison de la température importante du métal liquide et de la variation de température du moule lors de la coulée successive de plusieurs tuyaux, des fissures apparaissent sur la surface intérieure du moule. Lors de la coulée du métal liquide pénètre dans ces fissures. Le métal se trouvant dans les fissures empêche l'extraction du tuyau hors du moule et conduit à des rayures sur la surface extérieure de celui-ci. Lorsque les fissures dépassent une taille prédéterminée, le moule doit être réparé par usinage de la surface intérieure ou par remplissage des fissures par soudage. Toutefois, ces opérations modifient la surface 2868346 2 intérieure de telle sorte que les tuyaux fabriqués après réparation ne respectent éventuellement plus les tolérances requises. La durée de vie des moules connus est donc limitée. Les moules en acier connus ont un autre inconvénient. Lors de la coulée des premiers tuyaux, le moule en acier se déforme plastiquement de manière importante. En conséquence, le moule est fabriqué avec des dimensions qui tiennent compte de cette déformation initiale. Afin d'amener le moule à ses dimensions souhaitées, plusieurs tuyaux, par exemple six, sont coulés. Ces tuyaux ne respectent pas les tolérances requises et doivent être écartés. La nécessité de fabriquer ces tuyaux "perdus" conduit à une diminution du rendement de l'installation de coulée. La présente invention a pour but de proposer un moule pour la coulée de métal liquide qui ait une durée de vie importante tout en permettant la coulée de pièces de faibles tolérances. A cet effet l'invention a pour objet un moule du type précité, caractérisé en ce qu'il comprend une portion d'évacuation de chaleur réalisée en une matière ayant une conductivité thermique supérieure à 150 W/mK. Selon des modes particuliers de réalisation, 25 l'invention comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - la matière a une conductivité thermique supérieure à 300 W/mK; - la matière a une conductivité thermique supérieure 30 à 325 W/mK; - la portion d'évacuation de chaleur est en un alliage à base de cuivre, notamment comprenant plus de 50% en poids de cuivre; - l'alliage à base de cuivre comprend du chrome, notamment entre 0,25% et 2% en poids; - l'alliage comprend du zirconium, notamment entre 0,05% et 0,25% en poids; - la portion d'évacuation de chaleur forme au moins une partie d'une surface extérieure du moule; - la portion d'évacuation de chaleur forme au moins une partie de la surface de forme; - la portion d'évacuation de chaleur s'étend de 10 manière continue entre la surface de forme et la surface extérieure; - le moule comprend un revêtement formant au moins une partie de la surface de forme et s'étendant de la surface de forme à la portion d'évacuation de chaleur; - le revêtement et la portion d'évacuation de chaleur ont des coefficients de dilatation thermique telles que la dilatation thermique du revêtement est supérieure à la dilatation thermique de la portion d'évacuation de chaleur sous l'effet du métal coulé ; - le revêtement est en une matière ayant une dureté supérieure à la dureté de la portion d'évacuation de chaleur, notamment en chrome ou en nickel ou en un alliage à base de chrome et/ou de nickel; - la surface de forme est de symétrie de révolution 25 autour d'un axe; et - le moule est un moule d'un tuyau. L'invention a en outre pour objet un procédé de fabrication d'un objet par coulée, du type comprenant l'étape de coulée du métal liquide dans un moule, caractérisé en ce que le moule est un moule tel que défini cidessus. Le procédé selon l'invention peut comporter les caractéristiques suivantes: 2868346 4 - le métal est une fonte, notamment de la fonte grise ou de la fonte à graphite sphéroïdal; et - le procédé est caractérisé en outre par une étape de recuit de l'objet fabriqué par coulée. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels: - la Figure 1 est une vue schématique d'une installation de fabrication de tuyaux selon l'invention; - la Figure 2 est une vue de détail de l'installation de la Figure 1, montrant le moule à plus grande échelle, - la Figure 3 est une vue en coupe partielle du 15 moule selon l'invention prise suivant la ligne III-III de la Figure 2; et - la Figure 4 représente une variante du moule de la Figure 3. Sur la Figure 1 est représentée une installation de 20 fabrication de tuyaux en fonte selon l'invention, désignée par la référence générale 2. L'installation 2 comprend un récipient 4, un dispositif verseur 6, un canal de coulée 8, un moule rotatif 10, un dispositif de refroidissement 12 et un dispositif 14 d'extraction d'un tuyau achevé. L'installation 2 sert à fabriquer des tuyaux 16. Le récipient 4 est un creuset en matière réfractaire contenant du métal liquide, par exemple de la fonte. Le dispositif verseur 6 est une bascule ayant un volume correspondant à la quantité de métal liquide nécessaire pour un tuyau 16. La bascule peut être inclinée entre une position de réception de métal liquide du récipient et une position de versement du métal liquide dans le canal de coulée 8. Le canal de coulée 8 est une rigole qui conduit du dispositif verseur 6 au moule 10. I1 comprend une entrée 20 située à proximité du dispositif 6 et une sortie 22 s'étendant dans le moule 10. Le canal 8 est incliné par rapport à l'horizontale de telle sorte que la sortie 22 soit située plus bas que l'entrée 20, ainsi permettant à la fonte liquide de s'écouler par gravité. Le moule rotatif 10, également appelé "coquille", a une forme à symétrie de révolution, dans l'exemple présent généralement cylindrique, d'axe X-X, incliné par rapport à l'horizontale de telle sorte qu'il soit parallèle au canal 8. Dans ce qui suit les expressions "axialement" et "radialement" seront utilisées en référence à cet axe X-X. Le moule 10 a une surface intérieure 24 de forme qui est la surface négative du tuyau 16, ainsi qu'une surface extérieure cylindrique 26 (voir Figure 2). La surface 26 n'entre pas en contact avec le métal liquide lors de la coulée. Comme indiqué sur la Figure 3, la surface intérieure 24 est pourvue de creux 27 d'entraînement du métal liquide. Le moule 10 comprend une extrémité bout uni 28, tournée vers l'entrée 20, et une extrémité bout à emboîtement 30, qui est tournée à l'opposé de l'entrée 20. L'extrémité bout uni 28 forme le bout uni du tuyau 16, tandis que l'extrémité bout à emboîtement 30 forme le bout à emboîtement du tuyau 16. Le moule 10 peut être entraîné en rotation autour de l'axe X-X par un dispositif d'entraînement non représenté. Par ailleurs, le moule 10 peut être entraîné en translation le long de l'axe X-X entre une position de début de coulée, dans laquelle la sortie 22 est en face de l'extrémité bout à emboîtement 30, et une position de fin de coulée, dans laquelle la sortie 22 est en face de l'extrémité bout uni 28. Le dispositif de refroidissement 12 est une pomme d'arrosage qui est adaptée pour projeter du liquide de refroidissement, par exemple de l'eau, sur la surface extérieure 26 du moule 10. En variante, ce dispositif 12 peut être constitué par un système de circulation d'eau à la manière connue. Le dispositif d'extraction 14 est adapté pour extraire axialement le tuyau 16 coulé du moule 10. Les dispositifs 6, 12 et 14, le récipient 4 ainsi que le canal de coulée 8 sont connus en soi et ne sont pas décrits plus en détail. Le moule 10 selon l'invention est entièrement en CuCrZr qui est un alliage à base de cuivre. L'alliage comprend plus de 50% en poids de cuivre, de préférence plus de 60% en poids de cuivre, et en particulier plus de 75% en poids de cuivre. Dans le cas présent, il est en un alliage de cuivre, de chrome et de zirconium, notamment selon la norme DIN 17666. Un alliage particulièrement adapté comprend 1% en poids en chrome et 0,15% en poids en zirconium, le reste étant du cuivre et des impuretés inévitables. Cet alliage à une conductivité thermique moyenne à 220 C de 340 W/mK. L'alliage peut comprendre entre 0,25% et 2% en poids de chrome, et de préférence entre 0,5% et 1,5% en poids. L'alliage peut comprendre entre 0,05% et 0,25% en poids de zirconium, et de préférence entre 0,10% et 0,20% en poids. Selon l'invention, au moins une partie de la matière du moule 10 a une conductivité thermique supérieure à 150 W/mK, notamment supérieure à 300 W/mK, et en particulier supérieure à 325 W/mK. La fabrication d'un tuyau 16 moyennant l'installation 2 selon l'invention est effectuée comme suit. De la fonte liquide, correspondant à la quantité de fonte nécessaire pour le tuyau 16, est introduite dans le dispositif de versement 6 par le creuset 4. Puis, le moule 10 est entraîné en rotation autour de l'axe X-X et il est amené dans sa position de début de coulée. Ensuite, la fonte liquide est versée du dispositif 6 dans le canal 8, s'écoule le long de celui-ci et est versée dans le moule 10 à l'extrémité bout à emboîtement 30. Successivement, le moule 10 est amené vers sa position de fin de coulée. La fonte liquide se trouvant dans le moule est 10 pressée contre la surface 24 par centrifugation, se solidifie et forme le tuyau 16. Grâce à la conductivité thermique importante de la matière du moule 10, le gradient de température entre la surface intérieure 24 et la surface extérieure 26 est faible. En d'autres termes, la chaleur apportée par la fonte liquide est évacuée rapidement de la surface 24 vers la surface 26. En conséquence, il ne se produit que peu de contraintes thermiques dans le moule 10, ce qui réduit ou évite une apparition de fissures. Le moule 10 a donc une durée de vie importante. Par exemple, pour le moule 10 en CuCrZr ayant une épaisseur de paroi de 20mm et une fonte d'acier de 1400 C, la surface intérieure 24 atteint une température de 150 C, tandis que la surface extérieure 26 atteint une température de 100 C. Le gradient de température est donc de 50 . Des moules de l'état de la technique en acier conduisent, dans des conditions analogues, à un gradient de température d'environ 580 C. De manière surprenante, la chaleur est évacuée de la surface intérieure 24 suffisamment vite pour que cette dernière n'atteigne pas la température de fusion (environ 1083 C) de la matière du moule. 1l est à noter que de manière générale la conductivité thermique de la matière du 2868346 8 moule est choisie suffisamment grande pour éviter la fusion du moule au niveau de la surface 24. La fonte se solidifie rapidement dans le moule, avec une vitesse de solidification comprise entre 1,20mm/s et 0,80 mm/s. En raison de la solidification rapide, le carbone contenu dans la fonte se précipite sous forme de Fe3C (carbure de fer) dans une zone en contact avec la surface 24, tandis que dans une zone éloignée de la surface 24, le carbone se trouve essentiellement sous forme de graphite. La solidification rapide conduit donc à un gradient important de carbure de fer - graphite dans le tuyau 16. Lors du recuit, qui transforme le carbure de fer en graphite, la surface extérieure du tuyau 16 est chauffée plus rapidement que la surface intérieure de celui-ci. En conséquence, pour un taux de transformation exigé de carbure de fer en graphite, le tuyau 16 peut être recuit à une température faible ou pendant un temps faible. Le moule 10 selon l'invention est donc particulièrement adapté pour la coulée d'objets en fonte grise ou en fonte à graphite sphéroïdal. De plus, après l'extraction d'un tuyau 16, le moule 10 atteint rapidement sa température initiale. Ainsi les tuyaux peuvent être fabriqués avec une cadence importante. Le moule 10 selon l'invention conduit également à de faibles déformations locales de la surface extérieure du tuyau grâce à la solidification rapide. Le tuyau a donc un meilleur aspect. Lors de la coulée des premiers tuyaux, la déformation plastique du moule 10 selon l'invention est faible. Même les premiers tuyaux produits respectent ainsi les dimensions requises et peuvent être utilisés. Ainsi, l'installation a un rendement important. Sur la Figure 4 est montrée une variante du moule de la Figure 3. Dans ce qui suit, seules les différences par 2868346 9 rapport au moule de la Figure 3 seront décrites, les éléments identiques portant les mêmes références. Le moule 10 est un moule composite. 1l comporte une couche 40 d'évacuation de chaleur extérieure qui forme la surface extérieure 26 et une couche de protection intérieure 42 qui forme la surface intérieure 24 de forme. La couche 40 est fabriquée en la même matière que le moule 10 décrit cidessus. La couche 42 est constituée d'une matière qui a une dureté supérieure à la dureté de la couche 40. Elle est par exemple constituée de chrome ou de nickel, ou d'un alliage à base de ces métaux. La couche 42 protège la couche 40 contre des rayures générées lors de l'extraction du tuyau 16. De plus, les coefficients de dilatation thermique des matières des couches 40 et 42 sont choisis de telle sorte que la dilatation thermique, due à l'échauffement par la fonte, de la couche intérieure 42 est supérieure à la dilatation de la couche extérieure 40. Ainsi, lors de la coulée, la couche intérieure 42 est pressée contre la couche extérieure 40, et ne se détache pas de celle-ci. De manière générale, au moins une portion du moule qui sert à évacuer la chaleur de la fonte de la surface de forme est en une matière ayant une conductivité thermique importante telle que l'alliage à base de cuivre. En variante, l'alliage du moule 10 ou de la portion d'évacuation de chaleur est à base de cuivre comprenant de faibles quantités de tellure ou de faibles quantités d'argent et de phosphore. En variante non représentée, le moule 10 comporte une couche d'évacuation thermique intérieure à conductivité thermique importante qui forme au moins une partie de la surface intérieure 24 et une couche extérieure en une matière différente, telle que du chrome ou du nickel ou du chrome et du nickel pour augmenter la dureté ou bien du chrome et du zinc pour éviter la formation de tartre. Bien que le moule selon l'invention soit particulièrement adapté pour la coulée de tuyaux en fonte, il peut être utilisé pour la coulée d'autres objets en d'autres métaux. 2868346 11 REVENDICATIONS 1. Moule pour la coulée d'un métal liquide, du type comprenant une surface de forme (24) correspondant à la surface du produit (16) à fabriquer par coulée et destinée à entrer en contact avec le métal liquide, caractérisé en ce qu'il comprend une portion (10, 40) d'évacuation de chaleur réalisée en une matière ayant une conductivité thermique supérieure à 150 W/mK. 2. Moule selon la revendication 1, caractérisé en ce 10 que la matière a une conductivité thermique supérieure à 300 W/mK. 3. Moule selon la revendication 2, caractérisé en ce que la matière a une conductivité thermique supérieure à 325 W/mK. 4. Moule selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la portion d'évacuation de chaleur est en un alliage à base de cuivre, notamment comprenant plus de 50% en poids de cuivre. 5. Moule selon la revendication 4, caractérisé en ce 20 que l'alliage à base de cuivre comprend du chrome, notamment entre 0,25% et 2% en poids. 6. Moule selon l'une quelconque des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que l'alliage comprend du zirconium, notamment entre 0,05% et 0,25% en poids. 7. Moule selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la portion d'évacuation de chaleur forme au moins une partie d'une surface extérieure (26) du moule. 8. Moule selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la portion d'évacuation de chaleur forme au moins une partie de la surface de forme (24). 9. Moule selon les revendications 7 et 8 prises ensemble, caractérisé en ce que la portion d'évacuation de 2868346 12 chaleur s'étend de manière continue entre la surface de forme (24) et la surface extérieure (26). 10. Moule selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend un revêtement (42) formant au moins une partie de la surface de forme (24) et s'étendant de la surface de forme (24) à la portion d'évacuation de chaleur. 11. Moule selon la revendication 10, caractérisé en ce que le revêtement (42) et la portion d'évacuation de chaleur (40) ont des coefficients de dilatation thermique telles que la dilatation thermique du revêtement (42) est supérieure à la dilatation thermique de la portion d'évacuation de chaleur (40) sous l'effet du métal coulé. 12. Moule selon la revendication 10 ou il, caractérisé en ce que le revêtement (42) est en une matière ayant une dureté supérieure à la dureté de la portion d'évacuation de chaleur (40), notamment en chrome ou en nickel ou en un alliage à base de chrome et/ou de nickel. 13. Moule selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la surface de forme (24) est de symétrie de révolution autour d'un axe (X-X). 14. Moule selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il est un moule d'un tuyau. 15. Procédé de fabrication d'un objet par coulée, du type comprenant l'étape de coulée du métal liquide dans un moule, caractérisé en ce que le moule est un moule (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes. 16. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que le métal est une fonte, notamment de la fonte grise ou de la fonte à graphite sphéroïdal. 17. Procédé selon la revendication 15 ou 16, caractérisé en outre par une étape de recuit de l'objet fabriqué par coulée.