Brevet FR2935913A1 — publié le 20100319

L'invention concerne un procédé de fabrication par fonderie d'une pièce en métal ou en alliage, cette pièce présentant un espace intérieur. Un tel procédé est avantageusement utilisé pour fabriquer une pièce avec un espace intérieur comme un conduit, destiné à être traversé par un fluide, typiquement un gaz. Il peut s'agir, par exemple, d'une pièce employée dans un circuit de gaz d'échappement de moteur comme un collecteur ou un turbocompresseur. Les collecteurs (ou les turbocompresseurs) des moteurs automobiles sont souvent réalisés par fonderie, par coulée en masse d'une fonte GS de qualité GJSF-XSiMo4-0,6 conforme à la norme NF A32-501, ce type de fonte présentant des propriétés mécaniques intéressantes pour une telle application. Toutefois, cette fonte GS présente l'inconvénient d'être fragile et d'avoir une résistance à la corrosion insuffisante. Ainsi, on constate souvent un écaillage des surfaces internes qui délimitent les tubulures de ces collecteurs (ou de ces turbocompresseurs), traversées par des gaz d'échappement chauds et corrosifs. Aujourd'hui, quelle que soit la technique utilisée pour la coulée et quelle que soit la nuance de fonte choisie dans la norme précitée, il existe un risque élevé de rencontrer le problème d'écaillage précité. L'invention propose un procédé de fabrication permettant de diminuer, voire d'éliminer, le phénomène de corrosion dont résulte le risque d'écaillage précité. L'invention a pour objet un procédé de fabrication par fonderie d'une pièce en métal ou en alliage présentant un espace intérieur, dans lequel : - on fournit un noyau matérialisant ledit espace intérieur ; - on recouvre la surface de ce noyau avec une poudre comprenant au moins un élément de diffusion capable de diffuser dans ledit métal ou alliage sous l'effet de la chaleur ; - on dispose le noyau dans un moule ; - on fait fondre le métal ou l'alliage ; et - on coule le métal ou l'alliage fondu dans le moule, autour du noyau, de sorte que ladite poudre est mouillée et échauffée par ledit métal ou alliage fondu, ce qui entraîne la diffusion localisée dudit élément dans le métal ou l'alliage, dans une zone de diffusion entourant le noyau. Grâce à ce procédé, on obtient dans la pièce fabriquée, au niveau de la surface interne de la pièce qui délimite ledit espace intérieur, une couche superficielle de composition et/ou de structure différente du reste de la pièce. Cette couche superficielle est obtenue par diffusion chimique du ou des éléments de diffusion provenant de la poudre déposée sur le noyau. Dans le cas où la pièce est destinée à être traversée par un fluide, on fait généralement en sorte que cette couche superficielle présente une résistance accrue à la corrosion, ce qui permet de limiter, voire d'éviter, les problèmes d'écaillage précités. On notera que ladite poudre peut être déposée sur le noyau sous forme sèche, ou sous forme d'une suspension (i.e. ladite poudre est dispersée dans un liquide ou un gel et c'est le mélange obtenu qui est déposé sur le noyau). Plusieurs techniques de dépôt de la poudre sur le noyau peuvent être envisagées et l'invention ne se limite pas à une technique de dépôt particulière. Toutefois, les deux techniques définies ci-après sont particulièrement intéressantes pour leur simplicité de mise en oeuvre et leur caractère industrialisable. Selon une première technique, on procède de la manière suivante : - on recouvre la surface du noyau d'un enduit réfractaire ; - on recouvre l'enduit, non encore séché, avec ladite poudre sous forme sèche ; et - on sèche l'enduit avant la coulée dudit métal ou alliage fondu. Selon cette première technique, par exemple, on plonge le noyau recouvert d'enduit, non encore séché, dans un lit fluidisé où la poudre sèche est traversée par un courant gazeux. L'enduit étant � frais �, les particules de poudre se fixent naturellement sur celui-ci. Selon une deuxième technique, on procède de la manière suivante : - on recouvre la surface du noyau d'un enduit réfractaire ; - on sèche l'enduit ; - on recouvre l'enduit avec une suspension de ladite poudre dans un liquide ou un gel ; et - on sèche ladite suspension avant la coulée dudit métal ou alliage fondu. Selon ces deux techniques, l'enduit réfractaire appliqué joue non seulement le rôle de barrière thermique permettant de protéger le noyau des températures élevées lors de la coulée, mais aussi le rôle de barrière chimique en empêchant le ou les éléments de diffusion de diffuser en direction du noyau. En outre, selon ces deux techniques, on sèche l'enduit et/ou ladite suspension de manière à évacuer le liquide présent et, ainsi, éviter tout risque d'explosion lors de la coulée. Typiquement on sèche l'enduit et/ou ladite suspension par étuvage. On notera que dans la présente demande et, plus généralement, dans le domaine de la fonderie, on parle d'enduit pour désigner un produit à propriétés réfractaires ou isolantes, appliqué en surface, à l'état liquide, semiliquide ou pâteux, et destiné à protéger un matériau de l'action du métal liquide. Typiquement, il s'agit d'une suspension de particules réfractaires de très fine granulométrie dans un liquide approprié, auquel on peut ajouter des produits rhéologiques comme un liant et un produit mouillant. Cet enduit est appliqué à la surface du noyau, par exemple, par trempage, badigeonnage ou pulvérisation. Par ailleurs, on parle de � suspension � pour désigner une poudre dispersée dans un liquide ou un gel. Selon un mode de mise en oeuvre du procédé de fabrication de l'invention, la pièce fabriquée est en alliage de base Fe, et ledit élément de diffusion est choisi parmi : Al, Cr, Si, Ni et Mn. La diffusion d'un ou de plusieurs de ces éléments dans un alliage de base Fe améliore la résistance à l'oxydation de cet alliage. Le manganèse (Mn) fait également partie des éléments de diffusion précités car son oxyde MnO favorise la formation d'une couche de fayalite plus uniforme et plus mince qui contribue à une meilleure tenue de la surface interne de la pièce délimitant l'espace intérieur. Plus particulièrement, ladite pièce est en fonte et, notamment, en fonte à graphite sphéroïdal. Avantageusement, lesdites particules de poudre ont une taille comprise entre 45 et 300 microns (pm). En deçà de 45 pm, ces particules risquent de poser des problèmes d'hygiène et de sécurité pour les personnes qui les manipulent. Au delà de 300 pm on risque de rencontrer des problèmes d'inhomogénéité dans la zone de diffusion de la pièce fabriquée. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, d'un exemple de procédé selon l'invention. Selon cet exemple de procédé, on fabrique par fonderie un collecteur d'échappement de moteur automobile, présentant plusieurs tubulures (i.e. des espaces intérieurs et conduits au sens de l'invention) ayant une épaisseur de paroi comprise entre 2,8 et 4,5 mm. La caractérisation de la modification superficielle de composition par diffusion chimique a été menée sur une tubulure ayant une épaisseur de paroi de 3,8 mm. Ce collecteur est réalisé par fonderie, par moulage dans un moule équipé d'un noyau en sable matérialisant lesdites tubulures. Le noyau est d'abord recouvert d'un enduit réfractaire, cet enduit étant séché par étuvage selon des techniques traditionnelles. Puis, ce noyau est trempé dans une suspension de poudre dans un gel. Des poudres de nature différentes sont employées (voir ci-dessous, exemples A à D). La couche de suspension déposée est ensuite séchée. Si l'épaisseur de la couche de poudre obtenue est jugée insuffisante, on trempe de nouveau le noyau dans ladite suspension et on sèche la nouvelle couche déposée. Selon un premier exemple noté � A �, la poudre utilisée est une poudre de FeSi titré à 63% en poids de Si, et comprend donc Si comme élément de diffusion au sens de l'invention. Selon un autre exemple noté � B �, la poudre est une poudre d'Aluminium (Al) pratiquement pur (teneur en AI supérieure à 99,5% en poids). La poudre de l'exemple B comprend donc Al comme élément de diffusion au sens de l'invention. Selon un autre exemple noté � C �, la poudre est une poudre Ni-Cr-B comprenant, en pourcentages en poids, 7% de Cr, 3,7% de B et un solde en Ni. La poudre de l'exemple C comprend donc Ni comme élément de diffusion au sens de l'invention. Selon un premier exemple noté � D �, la poudre utilisée est une poudre de FeMn titré à 80% en poids de Mn, et comprend donc Mn comme élément de diffusion au sens de l'invention. Le collecteur est réalisé en fonte à graphite sphéroïdal, ou fonte GS, de qualité GJSF-XSiMo4-0,6, cette fonte étant coulée entre 1410° et 1480°C. Le tableau ci dessous indique pour chacun des exemples A à D précités - la concentration (en % en poids) de l'élément de diffusion (ou élément diffusant) au niveau de la surface interne du collecteur définissant la tubulure considérée, - la concentration (en % en poids) à coeur dans l'alliage coulé en masse de l'élément de diffusion, et - la profondeur moyenne de diffusion de cet élément de diffusion (en pm). Elément diffusant : Exemple A Exemple B Exemple C Exemple D Si AI Ni Mn Concentration à 5 - 6 0,4 -- 0,8 0,3 ù 0,8 1,5 ù 2,5 l'interface (en °h) Concentration à coeur 3,85 0,01 0,05 0,18 ù 0,25 dans l'alliage coulé en masse (en °/o) Profondeur moyenne 200 - 400 200 - 400 200 - 400 200 - 400 de diffusion (en pm) On constate que le procédé permet d'obtenir une modification superficielle, par diffusion chimique, de la composition de la pièce fabriquée, au niveau de la surface interne de la pièce qui entoure le noyau lors de la fabrication et qui, après destruction et évacuation de ce noyau, entoure l'espace intérieur (ici, la tubulure) de la pièce. Cette surface interne est ainsi plus résistante à la corrosion que le reste de la pièce et moins sujette à l'écaillage que les surfaces internes des pièces conventionnelles, les éléments de diffusion ayant été choisis dans ce but. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication par fonderie d'une pièce en métal ou en alliage présentant un espace intérieur, dans lequel : - on fournit un noyau matérialisant ledit espace intérieur ; - on recouvre la surface du noyau d'une poudre comprenant au moins un élément de diffusion capable de diffuser dans ledit métal ou alliage sous l'effet de la chaleur ; - on dispose le noyau dans un moule ; IO - on fait fondre ledit métal ou alliage ; et - on coule ledit métal ou alliage fondu dans le moule, autour du noyau, de sorte que ladite poudre est mouillée et échauffée par le métal ou l'alliage fondu, ce qui entraîne la diffusion localisée dudit élément dans le métal ou l'alliage, dans une zone de diffusion entourant le noyau. 15 2. Procédé de fabrication selon la revendication 1, dans lequel, pour recouvrir la surface du noyau de ladite poudre : - on recouvre la surface du noyau d'un enduit réfractaire ; - on recouvre l'enduit, non encore séché, avec ladite poudre sous forme 20 sèche ; et - on sèche l'enduit avant la coulée du métal ou de l'alliage fondu. 3. Procédé de fabrication selon la revendication 2, dans lequel on plonge le noyau recouvert d'enduit, non encore séché, dans un lit fluidisé où 25 ladite poudre est traversée par un courant gazeux. 4. Procédé de fabrication selon la revendication 1, dans lequel, pour recouvrir la surface du noyau de ladite poudre: - on recouvre la surface du noyau d'un enduit réfractaire ; 30 - on sèche l'enduit ; - on recouvre l'enduit avec une suspension de ladite poudre dans un liquide ou un gel ; et - on sèche ladite suspension avant la coulée dudit métal ou alliage fondu. 5. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel ladite pièce est en alliage de base Fe, et dans lequel on choisit ledit élément de diffusion parmi : AI, Cr, Si, Ni et Mn. 6. Procédé de fabrication selon la revendication 5, dans lequel ladite pièce est en fonte et, notamment, en fonte à graphite sphéroïdal. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 10 1 à 6, dans lequel les particules de ladite poudre ont une taille comprise entre 45 et 300 microns. 8. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel l'espace intérieur de la pièce fabriquée est un conduit 15 traversant cette pièce. 9. Procédé de fabrication selon la revendication 8, dans lequel la pièce fabriquée est une pièce de circuit de gaz d'échappement de moteur, destinée à être traversée par des gaz d'échappement. 10. Procédé de fabrication selon la revendication 9, dans lequel la pièce fabriquée est un collecteur ou un turbocompresseur. 20