Brevet FR2940158A1 — publié le 20100625

Procédé et système de moulage d'une pièce métallique de fonderie. [0001 La présente invention concerne un procédé et un système de moulage en coquille métallique par coulée basculée ou basse pression d'une pièce métallique de fonderie permettant de diminuer les défauts pouvant survenir dans ladite pièce lors de la solidification du métal coulé. [0002] De nombreuses pièces automobiles sont maintenant réalisées en aluminium, ou en alliage d'aluminium, afin d'en alléger leurs poids (par la suite, lorsqu'il sera fait mention de pièces en aluminium, il faudra comprendre en aluminium ou en alliage d'aluminium). On citera par exemple des pièces de liaison au sol, telles que les triangles, les pivots et les bras ou encore des pièces du groupe motopropulseur, telles que culasse, carter, embrayage, supports moteur et collecteurs d'admission. Le procédé de fonderie par moulage en coquille métallique est alors couramment utilisé. [0003] Le principe de coulée basculée est illustré sur les figures 1 a et 1 b. La figure 1 a illustre le départ de la coulée. Un bassin 10, muni d'un bec verseur 12, est rempli d'aluminium 11 en fusion. Le bec 12 du bassin est situé en regard d'une masselotte 13 située à l'entrée d'un moule 14 formé par deux demi-coquillesl 4a et 14b. Le moule possède un axe longitudinal de symétrie 15, cet axe étant horizontal au départ de la mise en oeuvre du procédé. L'ensemble bassinl0 / moulel4 est ensuite progressivement basculé de 90° dans le sens des flèches 16 et 17, autour de l'axe 18, pour atteindre la position finale illustrée sur la figure 1 b, l'axe de symétrie 15 étant en position verticale. Le métal sous forme de pâte a alors coulé par gravité dans le moule 14 pour former la pièce 19. [0004 Ce procédé de moulage en coquille basculée tend à se développer car comparativement au procédé en coquille fixe, il permet un gain de coût. Remplir progressivement l'empreinte du moule en partant d'une position horizontale pour terminer verticalement permet de piloter la vitesse de coulée et aussi d'obtenir une " masselotte" chaude car remplie en fin de remplissage. En langage de fonderie, une masselotte désigne un réservoir de métal liquide servant à compenser le retrait du métal pendant sa solidification, le terme masselotte désignant aussi parfois le métal en fusion contenu dans ledit réservoir. Le métal le plus chaud est dans la masselotte 2 et le plus froid à l'extrémité opposée. En outre le plus grand axe de la pièce étant alors vertical, la densification du métal en cours de solidification est accrue par l'effet de la pression métallo-statique corrélée à la hauteur de métal liquide. [0005 La solidification appelée "dirigée", essentielle pour l'absence de retassures (une retassure est un défaut constitué par une cavité se formant dans la partie massive d'une pièce coulée et qui est due à la contraction du métal lors de sa solidification), dépend du gradient de température du métal en fin du remplissage mais aussi de l'architecture de la pièce. Une pièce ayant une section progressive, par exemple de forme conique, sera adaptée car la solidification commencera dans la plus petite section située en bas du moule. La solidification progressera vers la masselotte, avec le retrait du métal continûment compensé par du métal liquide provenant des sections supérieures. A l'inverse, une géométrie "en diabolo" verra sa solidification s'initier dans la section centrale provoquant ainsi une rupture d'alimentation en métal liquide du volume inférieur. Sans apport de métal liquide lors du retrait de solidification, le volume comportera des retassures localisées dans les zones de dernière solidification. [0006] Cependant, la géométrie de la pièce est rarement adaptée à la solidification dirigée. Dans ce cas les fondeurs essaient d'utiliser des solutions plus ou moins faciles à mettre en oeuvre qui contribuent à diminuer la quantité de retassures : applications sur la surface moulante d'un film de poteyage thermiquement isolant ou conducteur (le poteyage est un revêtement protecteur dont l'épaisseur diminue progressivement avec les cycles de moulage et qui doit donc être refait régulièrement) , mise en place dans les chapes du moule de circuits de chauffage ou de refroidissement...Mais si ces actions, qui n'impactent pas la géométrie de la grappe de moulage, s'avèrent insuffisantes (ce qui est fréquent), le fondeur fait alors appel à la solution de la � masselotte �. [000n Cependant, l'ajout d'une masselotte n'est pas toujours facile à mettre en oeuvre. En effet, dans le cas du moulage en coulée basculée ou basse pression, la masselotte ne peut être que "borgne" c'est-à-dire non visible sur la surface extérieure du moule. En moulage coulée basculée si le moule est vertical en fin de remplissage cela implique que l'axe de démoulage soit horizontal. La position horizontale de la masselotte ne permet pas le transfert du métal liquide de la masselotte vers la pièce 3 à alimenter. Placer simultanément la masselotte et le plus grand axe de la pièce verticalement est impossible. Aussi l'arrêt du basculement du moule vers environ soixante degrés (au lieu des 90 ° indiqués sur les figures 1 a et 1 b) est un compromis souvent adopté pour répartir � au mieux � la pression métallo-statique dans la pièce et dans la masselotte. [000s] Outre l'obligation de placer la masselotte au dessus de la zone à alimenter, le transfert du métal de la masselotte vers la pièce dépend de sa température en fin de remplissage du moule et de la possibilité de conserver suffisamment longtemps cette température. A titre d'exemple la fraction solide de l'alliage A356 (AISi7MgO3) doit être inférieure à 55% pour que le transfert de sa partie liquide soit possible. Dans le cas contraire, le réseau dendritique solidifié est trop densifié et crée alors une barrière au passage de la fraction liquide. [0009] Obtenir le métal à une température élevée dans la masselotte, parfois éloignée de l'alimentation, et conserver sa température pendant la solidification de la 15 zone à alimenter sont des problèmes délicats à résoudre. [0010] Le transfert naturel du métal liquide de la masselotte vers la zone de la pièce à alimenter demande des conditions de pression métallo-statique et des conditions thermiques difficiles à obtenir à chaque cycle d'une production de série. [0011] La présente invention propose, dans un mode de mise en oeuvre général, 20 une solution qui permet d'augmenter l'efficacité de la masselotte borgne et d'augmenter sa distance d'action. [0012] Cependant un autre problème à résoudre est apparu au cours de la mise au point de l'invention: le poteyage utilisé par les fondeurs s'est révélé insuffisant. La présente invention propose alors, dans un mode particulier de mise en oeuvre ou de 25 réalisation, une solution à ce problème. [0013] De façon plus précise, l'invention vise à améliorer l'efficacité de la masselotte et a pour objet un procédé de moulage en coquille métallique par coulée basculée ou basse pression d'une pièce métallique de fonderie, selon lequel du métal liquide s'écoule dans un moule et pour lequel au moins une masselotte borgne est utilisée 30 afin d'éviter la formation de retassures, la masselotte étant remplie par du métal 4 liquide., caractérisé en ce que ledit métal de la masselotte est poussé, en phase pâteuse de sa solidification, dans le moule vers des zones de la pièce où il y a un risque de formation de retassures [0014] Ainsi, selon l'invention, le métal de la masselotte est poussé dans le moule vers des zones où il y a un risque de formation de retassures. [0015] De préférence, cette poussée est réalisée progressivement dans la lors de la solidification du métal, de préférence d'une manière contrôlée en fonction L'avancement du piston est avantageusement contrôlé en fonction de la température du métal dans la masselotte. [0016] Le procédé selon l'invention est avantageusement appliqué au moulage de pièces en aluminium ou alliage d'aluminium. [0017] L'invention concerne également un système de moulage par coulée basculée ou basse pression pour la mise en oeuvre du procédé tel que défini précédemment, le système comprenant au moins un moule de fonderie et une masselotte borgne. Selon l'invention, le système comporte un piston capable de se déplacer à l'intérieur de ladite masselotte afin de pousser le métal de la masselotte vers des zones du moule où il existe un risque de formation de retassures. [0018] Dans une variante, les parois de la masselotte et/ou celles du piston en contact avec le métal en phase pâteuse sont constituées d'un matériau inerte vis-à-20 vis dudit métal, tel que par exemple une céramique. [0019] Cette céramique est par exemple choisie parmi Cr203/Ti02 ,Zr02/Y2O3 et ZrO2 / MgO, en particulier du type Cr203/Ti02 avec une teneur en TiO2 est de l'ordre de 10% ou du type Zr02/Y2O3 avec une teneur en Y2O3 est de l'ordre de 8%. [0020] D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront au cours de 25 la description qui suit de plusieurs modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés et sur lesquels : • les figures 1 a et 1 b (art antérieur) illustrent le procédé de fonderie par coquille basculée. • la figure 2 est un schéma de principe illustrant le procédé et le système de l'invention. [0021] Selon le mode général de mise en oeuvre de l'invention, le métal en phase pâteuse est poussé vers les zones où il y a un risque de former des retassures. Ceci 5 est réalisé en utilisant un piston qui avance progressivement dans la masselotte lors de sa solidification. Le démarrage de l'avance du piston est piloté par la température de début de solidification de la zone à alimenter. L'avancement du piston est arrêté lorsque la force exercée pour déplacer le piston atteint une limite définie en fonction de la température de la masselotte. Cette dernière ne doit pas se solidifier avant que la zone à alimenter (zone où il existe un risque de retassures) se soit elle-même solidifiée. La massivité et l'isolation thermique de la masselotte doivent le permettre. [0022] La figure 2 illustre le procédé et le système de l'invention. Une moitié de moule de fonderie 20, ayant une paroi externe 21, délimite un volume 22 dans lequel un métal à l'état pâteux sera coulé par le haut dans le sens de la flèche 23. La pièce à mouler a la forme délimitée par A, B, C, D, E, F, G et H. Le moule comporte une masselotte 24, de forme tronc conique, communiquant avec le volume à remplir 22 par une ouverture 25. La masselotte 24 comporte un calorifugeage 26 constitué par un produit fibreux tel que la laine de verre. La masselotte 24 est initialement remplie, au moins partiellement, de métal en fusion, ce métal étant identique à celui coulé dans le volume 22. Un piston 27, mobile dans les deux directions indiquées par la flèche 28, peut se déplacer progressivement à l'intérieur de la masselotte 26 lors de sa solidification, en poussant le métal vers les zones du volume 22 où des retassures risquent de se produire. Ces zones dépendent bien entendu de la forme du volume 22 et sont aisément identifiables par l'homme du métier. Un thermocouple 29 est placé à proximité immédiate de la masselotte 24, de préférence contre la masselotte, de façon à bien saisir la température de la masselotte. Le thermocouple est relié aux moyens de déplacement (non représentés) du piston 27. Le démarrage de l'avance du piston est piloté en fonction de la température de début de solidification de la zone à alimenter. Le piston est arrêté lorsque la force exercée pour son déplacement atteint une valeur prédéfinie. Le volume de la masselotte 24 et l'efficacité du calorifugeage 26 sont choisis de sorte que le métal dans la masselotte 24 se solidifie après la zone à alimenter dans le volume 22. 6 [0023] Cependant, lorsque la pièce à mouler est en aluminium et lorsque le moule de fonderie est en acier (ce qui est généralement le cas), une difficulté peut survenir du fait que l'aluminium liquide est avide de fer. Pour éviter la détérioration progressive du moule, le fondeur applique généralement une couche de protection, � un poteyage �, sur la surface moulante. [0024] En moulage coquille basculée ou basse pression, on applique un poteyage semi permanent. Mais, en raison de l'abrasion provoquée par le frottement sur le piston 27 et sur les parois de la masselotte 24, le poteyage semi permanent devient insuffisant. [0025] L'invention propose donc de modifier la nature des matériaux au niveau de la masselotte et du piston en réalisant les parois de la masselotte et du piston en contact avec le métal fondu en un matériau inerte vis-à-vis de ce métal. [0026] Deux solutions sont alors proposées. Elles utilisent toutes deux des matériaux inertes vis-à-vis du métal fondu, généralement de l'aluminium liquide ou 15 pâteux. [0027] Une première solution consiste à réaliser la masselotte et le piston en céramique, par exemple par un procédé de type métallurgie des poudres. Les céramiques utilisables sont du type de celles citées dans le tableau ci-dessous (extrait de la publication "Application des dépôts céramiques en mécanique" CETIM 20 Senlis, 1992). Pour chacun de ces matériaux, sont indiqués la dureté, la température limite d'utilisation et la résistance à l'usure. Ces matériaux sont connus comme pouvant résister à du métal en fusion. Matériaux Dureté HVO ,3 Température limite Résistance à d'utilisation l'usure Cr2O3/TiO2 (10 % de 1340 Environ 600 °C Très bonne TiO2) ZrO2/Y2O3 (8% de Y203) 750 2000 °C ZrO2 / MgO 770 2000 °C AI2O3 - 40%TiO2 950 600 °C Bonne [0028] Une autre solution consiste à revêtir d'un dépôt la masselotte et le piston 25 (généralement en acier). Pour ce faire, les matériaux suivants peuvent être déposés 7 sur l'outillage (parois de la masselotte et du piston), par des procédés comme la projection thermique : Cr203/Ti02 (avec par exemple 10% de TiO2), Zr02/Y2O3 (avec par exemple 8% de Y203) et ZrO2 / MgO. [0029] La présente invention permet de réaliser des pièces de fonderie plus denses et donc ne présentant pas, ou présentant moins, de retassures que par les procédés de l'art antérieur. Les pièces sont donc de meilleure qualité. De plus, l'invention permet d'optimiser la "mise au mille" (caractérise la différence entre la quantité de métal utilisée pour réaliser la pièce et la quantité de métal effectivement contenue dans la pièce finie) et donc de diminuer le coût de la pièce moulée en réduisant la quantité de métal perdu dans les masselottes. [0030] D'autres modes de réalisation que ceux décrits et représentés peuvent être conçus par l'homme du métier sans sortir du cadre de la présente invention. Ainsi, plusieurs masselottes borgnes peuvent être utilisées pour le moulage d'une seule pièce et dans ce cas un piston sera utilisé pour chaque masselotte. REVENDICATIONS1. Procédé de moulage en coquille métallique par coulée basculée ou basse pression d'une pièce métallique (22) de fonderie, selon lequel du métal liquide s'écoule dans un moule (20) et pour lequel au moins une masselotte borgne (24) est utilisée afin d'éviter la formation de retassures, ladite masselotte étant remplie par du métal liquide, caractérisé en ce que ledit métal de la masselotte (24) est poussé, en phase pâteuse de sa solidification, dans le moule (22) vers des zones de la pièce où il y a un risque de formation de retassures. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la poussée du métal de la masselotte est réalisée progressivement lors de la solidification dudit métal. 3. Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce que la progression de la poussée est contrôlée en fonction de la température du métal dans la masselotte. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le métal est de l'aluminium ou un alliage d'aluminium. 5. Système de moulage en coquille métallique par coulée basculée ou basse pression pour la mise en oeuvre du procédé défini à l'une des revendications précédentes, comprenant au moins un moule métallique de fonderie (20) et une masselotte borgne(24), caractérisé en ce qu'il comporte un piston (27) capable de se déplacer à l'intérieur de ladite masselotte (24) afin de pousser le métal de la masselotte vers des zones du moule (20) où il existe un risque de formation de retassures. 6. Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que les parois de la masselotte (24) en contact avec le métal en phase pâteuse sont constituées d'un matériau inerte vis-à-vis dudit métal. 7. Système selon l'une des revendications 5 à 6, caractérisé en ce que les parois dudit piston (27) en contact avec le métal en phase pâteuse sont constituées d'un matériau inerte vis-à-vis dudit métal. 9 8. Système selon la revendication 6 ou la revendication 7, caractérisé en ce que les parois du piston et de la masselotte en contact avec ledit métal en phase pâteuse sont en céramique. 9. Système selon l'une des revendications 8, caractérisé en ce que ladite céramique est à base d'un matériau choisi parmi Cr203/Ti02, Zr02/Y2O3 et ZrO2 / MgO. 10. Système selon la revendication 9 caractérisé en ce que ledit matériau est du Cr203/Ti02 et en ce que la teneur en TiO2 est de l'ordre de 10%. 11. Système selon la revendication 9 caractérisé en ce que ledit matériau est du Zr02/Y2O3 et en ce que la teneur en Y2O3 est de l'ordre de 8%.