Brevet FR2949362A1 — publié le 20110304

Procédé de fabrication d'une pièce métallique par moulage à modèle perdu et culasse obtenue par ledit procédé Domaine technique de l'invention La présente invention se rapporte à la fabrication de pièces métalliques selon le procédé de moulage à modèle perdu. L'invention s'applique plus particulièrement, mais pas seulement, à la réalisation de culasse automobiles. Arrière-plan technologique Classiquement les culasses automobiles sont coulées par gravité dans des moules en coquille métallique avec un noyau de sable lié. Aujourd'hui, les bruts de culasse peuvent être obtenus par fonderie selon le procédé à modèle perdu (PMP) ou "lost foam". Par rapport aux procédés classiques tel que la coulée par gravité en coquille métallique, cette technique offre une meilleure rentabilité, une meilleure qualité tout en permettant de faire des pièces complexe, précise et de générer moins de pollution. Toutefois les deux procédés diffèrent quant à la qualité des pièces obtenues : les vitesses de refroidissement et de solidification des alliages d'aluminium après coulées sont en effet très différentes. Les coulées en coquilles métallique ont un refroidissement et une solidification plus rapide que les coulées à modèle perdu. En ce qui concerne la fabrication d'une culasse pour moteur de véhicule automobile en alliage d'aluminium, les principales étapes de fabrication selon le procédé PMP consistent successivement en la fabrication d'une réplique exacte de la culasse en polystyrène expansé, la mise en place de la réplique dans un moule en sable, la coulée de l'alliage d'aluminium en fusion dans le moule qui détruit la réplique en polystyrène, et après refroidissement de l'alliage métallique, le retrait du sable suivi du nettoyage de la culasse obtenue. Toutefois, en raison de la lenteur de refroidissement et de solidification de l'alliage d'aluminium coulés par le procédé à modèle perdu et en particulier avec les alliages d'aluminium classiques de type aluminium-silicium-magnésium, ceux-ci présentent une qualité et des propriétés mécaniques moindres dues notamment à la présence de cellules eutectiques grossières. L'invention a donc pour but de pallier l'inconvénient de l'art antérieur en proposant un nouveau procédé qui permet d'accélérer, au moins localement, le refroidissement de l'alliage métallique et une culasse obtenue par un tel procédé. L'invention concerne donc un procédé de fabrication d'une pièce métallique par moulage à modèle perdu comprenant les étapes principales consistant à : - fabriquer un modèle de la pièce métallique à réaliser en matériau sublimable, - enduire le modèle d'un premier enduit réfractaire, - mettre en place le modèle en matériau sublimable dans une cuve, - remplir la cuve par du sable pour former un moule, - couler un alliage métallique en fusion dans le moule, - refroidir l'alliage métallique, - extraire la pièce métallique obtenue du moule, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, entre l'étape de d'enduction du modèle par le premier enduit réfractaire et l'étape de mise en place du modèle dans la cuve, une étape de recouvrement d'au moins une partie du modèle par un second enduit apte à réagir de manière endothermique lors de la coulée de l'alliage pour participer à l'étape de refroidissement. Par ailleurs, l'invention peut comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - dans l'étape de recouvrement, le second enduit est du carbonate de calcium, dont la décomposition en oxyde de calcium et en gaz carbonique est très endothermique. - dans l'étape de recouvrement, le second enduit est du tellure, en effet le tellure opère une transformation de phase à une température du même ordre de grandeur que celle d'un alliage métallique tel qu'un alliage d'aluminium. - Dans le cas où le second enduit est du carbonate de calcium, l'invention comprend de plus, entre l'étape de coulée de l'alliage métallique et l'étape de refroidissement de l'alliage, une étape de mise en dépression de la cuve, en effet le carbonate de calcium se décompose à une température supérieure à 550°C et à une pression partielle de gaz carbonique inférieure à 0,06 kPa, soit une pression résiduelle dans la cuve inférieure à 50 kPa. - le matériau sublimable est du polystyrène expansé, pour son faible coût et sa facilité à être sublimé. -Dans une variante, la pièce métallique est une culasse et la partie du modèle recouverte du second enduit correspond à une tablature de ladite culasse, afin de cibler l'amélioration des propriétés mécaniques de l'alliage métallique sur cette partie. Par ailleurs, l'invention a aussi pour objet une culasse pour moteur à combustion interne caractérisée en ce qu'elle est fabriquée selon le procédé de l'invention. Préférentiellement, la partie du modèle enduite par le second enduit correspond à la 10 tablature de ladite culasse. Brève description des dessins Pas de figure. 15 Description détaillée Selon un premier mode de réalisation préféré de l'invention, la fabrication d'une culasse en alliage d'aluminium pour moteur à combustion interne selon le procédé par moulage à 20 modèle perdu comprend huit étapes principales successives. Classiquement, les alliages d'aluminium utilisés pour les culasses de moteur à combustion interne sont des alliages de type Aluminium-Silicium-Magnésium caractérisés par une plage de température de solidification comprise entre 500 et 600°C. La première étape, connue en soi, consiste à fabriquer un modèle de la culasse dans un matériau sublimable. De préférence le matériau sublimable est du polystyrène expansé. La seconde étape consiste à enduire le modèle de la culasse d'un premier enduit 30 réfractaire. Classiquement, l'enduit réfractaire est appliqué sur le modèle en polystyrène expansé par une enduction en bain puis séché. Selon l'invention, la troisième étape comprend le recouvrement d'au moins une partie du modèle en polystyrène expansé par un second enduit au tellure. L'enduction de tellure est 35 réalisée par un bain. Le modèle s'enduit alors d'une couche de quelques micromètres d'épaisseur. L'épaisseur d'enduit déposé peut cependant varier en fonction de propriétés du bain de tellure tel que son onctuosité. 25 Préférentiellement, la partie à refroidir et à solidifier en priorité est la tablature de la culasse, c'est-à-dire la surface plane destinée à venir en regard du joint de culasse. La quatrième étape consiste à mettre en place le modèle de la culasse en polystyrène expansé dans une cuve. La cinquième étape consiste à remplir la cuve par du sable de manière à couvrir le modèle en polystyrène expansé. Le sable peut être vibré pour le rendre plus compact. Le sable compacté forme ainsi le moule de la culasse. La sixième étape consiste à couler l'alliage d'aluminium en fusion dans le moule en sable. Ainsi le modèle en polystyrène expansé disparait par sublimation au contact de l'alliage d'aluminium en fusion qui prend la place du modèle. La septième étape est le refroidissement de l'alliage d'aluminium. Lors de la coulée de l'alliage d'aluminium, le tellure ayant une température de fusion de 450°C, soit du même ordre de grandeur que la plage de température de solidification de l'alliage d'aluminium, effectue une transformation de phase et se liquéfie. La réaction est endothermique car le tellure au cours de sa liquéfaction absorbe de la chaleur pris essentiellement à l'alliage d'aluminium en contact avec celui-ci et ainsi accélère localement le refroidissement et la solidification de l'alliage d'aluminium. A titre indicatif, l'énergie absorbée par la liquéfaction de 100 grammes de tellure est de 14 kJ tandis que l'énergie dégagée par la solidification de 100 grammes d'aluminium est de 40 kJ. La huitième étape consiste à retirer la pièce métallique obtenue du moule en sable. On peut prévoir une étape supplémentaire de nettoyage de la pièce métallique obtenue pour notamment retirer les résidus de sable. Selon un second mode de réalisation préféré, la fabrication d'une culasse en alliage d'aluminium pour moteur à combustion interne selon le procédé par moulage à modèle perdu de l'invention comprend neuf étapes principales successives. La première étape connue en soi consiste à fabriquer un modèle de la culasse dans un matériau sublimable tel que du polystyrène expansé. La seconde étape consiste à enduire le modèle de la culasse d'un premier enduit réfractaire. Classiquement, l'enduit réfractaire est appliqué sur le modèle en polystyrène expansé par une enduction en bain puis séché. Selon l'invention, la troisième étape consiste à recouvrir au moins une partie du modèle en polystyrène expansé par un second enduit au carbonate de calcium. L'enduction de carbonate de calcium est réalisée par un bain. Le modèle s'enduit alors d'une couche de quelques micromètres d'épaisseur. L'épaisseur d'enduit déposé peut cependant varier en fonction de propriétés du bain tel que son onctuosité, sa tension superficielle. Dans ce cas, la partie à refroidir et à solidifier en priorité est la tablature de la culasse, c'est-à-dire la surface plane destinée à venir en regard du joint de culasse. La quatrième étape consiste à mettre en place le modèle de la culasse dans une cuve. Pour ce mode de réalisation la cuve est apte à être fermée à étanchéité. La cinquième étape consiste à remplir la cuve avec du sable. Le sable peut être vibré pour le rendre plus compact. Le sable compacté forme ainsi le moule de la culasse. La sixième étape consiste à couler l'alliage d'aluminium en fusion dans le moule. La septième étape consiste à fermer de façon étanche la cuve et à opérer une mise en dépression rapide de ladite cuve. En effet, le carbonate de calcium se décompose à une température supérieure à 550°C et à une pression partielle de gaz carbonique inférieure à 0,06 kPa, soit une pression résiduelle d'air dans la cuve inférieure à 50 kPa. La huitième étape est la phase de refroidissement de l'alliage métallique. Lors de la mise en dépression, le carbonate de calcium, CaCO3 se décompose en oxyde de calcium, CaO, et en gaz carbonique, CO2. La réaction est fortement endothermique et accélère localement le refroidissement et la solidification de l'alliage d'aluminium. A titre indicatif, l'énergie absorbée par la décomposition de 100 grammes de carbonate de calcium est de 180 kJ tandis que l'énergie dégagée par la solidification de 100 grammes d'aluminium est de 40 kJ. La neuvième étape consiste à retirer la culasse en alliage d'aluminium obtenue du moule en sable. On peut prévoir une étape supplémentaire de nettoyage de la pièce métallique obtenue. Le procédé de l'invention permet d'obtenir en tablature de culasse des allongements améliorés par rapport aux résultats issus d'un procédé PMP selon l'art antérieur, sans refroidissement complémentaire par réaction endothermique lors de la coulée de l'alliage, ce qui autorise l'usage des culasses obtenues par le procédé de l'invention sur des moteurs plus sollicités mécaniquement. Afin d'améliorer le refroidissement on peut prévoir pour les deux modes de réalisation détaillés un refroidisseur auxiliaire classique placé contre la face tablature du modèle en polystyrène expansé, ce refroidisseur auxiliaire pouvant être ou non refroidi par eau. Dans les deux modes de réalisation présenté, le maintien de la forme de la pièce coulée est assurée la première couche d'enduit réfractaire qui retient l'alliage métallique et empêche que, lors de la réaction endothermique, cet alliage prenne la place du second enduit, rendant ainsi la pièce non conforme. Le procédé de l'invention n'est pas limité à la fabrication d'une culasse de moteur à combustion interne. Ce procédé de l'invention peut être adapté à la fabrication par procédé de moulage par modèle perdu de toute pièce métallique nécessitant un refroidissement accéléré, en choisissant le second enduit de manière à ce que sa réaction endothermique s'effectue à une température de l'ordre de la plage de température de l'alliage métallique. Le procédé de l'invention a encore pour avantage de permettre, en terme de rapidité de refroidissement, de se rapprocher des performances de la coulée en coquille métallique, ce qui autorise le moulage par modèle perdu de pièces jusqu'ici réalisées par coulée en coquille métallique, et ouvre la voie à une plus grande liberté de conception. Revendications1. Procédé de fabrication d'une pièce métallique par moulage à modèle perdu comprenant les étapes principales consistant à : - fabriquer un modèle de la pièce métallique à réaliser en matériau sublimable, - enduire le modèle d'un premier enduit réfractaire, - mettre en place le modèle en matériau sublimable dans une cuve, - remplir la cuve par du sable pour former un moule, - couler un alliage métallique en fusion dans le moule, - refroidir l'alliage métallique, - extraire la pièce métallique obtenue du moule, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, entre l'étape de d'enduction du modèle par le premier enduit réfractaire et l'étape de mise en place du modèle dans la cuve, une étape de recouvrement d'au moins une partie du modèle par un second enduit apte à réagir de manière endothermique lors de la coulée de l'alliage pour participer à l'étape de refroidissement. 2. Procédé de fabrication d'une pièce métallique par moulage à modèle perdu selon la revendication 1, caractérisé en ce que, dans l'étape de recouvrement, le second enduit est du carbonate de calcium. 3. Procédé de fabrication d'une pièce métallique par moulage à modèle perdu selon la revendication 1, caractérisé en ce que, dans l'étape de recouvrement, le second enduit est du tellure. 4. Procédé de fabrication d'une pièce métallique par moulage à modèle perdu selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend de plus, entre l'étape de coulée de l'alliage métallique et l'étape de refroidissement de l'alliage, une étape de mise en dépression de la cuve. 5. Procédé de fabrication d'une pièce métallique par moulage à modèle perdu selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau sublimable est du polystyrène expansé. 6. Procédé de fabrication d'une pièce métallique par moulage à modèle perdu selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pièce métallique est une culasse et la partie du modèle recouverte du second enduit correspond à une tablature de ladite culasse. 7. Culasse pour moteur à combustion interne caractérisée en ce qu'elle est fabriquée selon le procédé de l'une quelconque des revendications 1 à 6. 8. Culasse selon la revendication 6, caractérisé en ce que la partie du modèle enduite par le second enduit correspond à la tablature de ladite culasse.