Brevet FR2972656A1 — publié le 20120921

Procédé d'obtention d'une pièce métallique à partir d'un modèle perdu. L'invention relève du domaine de la fonderie et, plus particulièrement, du domaine des procédés utilisant un modèle perdu. Elle a pour objet un procédé d'obtention d'une pièce métallique coulée à partir d'un modèle perdu. Le document FR 2,685,229 (Automobiles Peugeot et Automobiles Citroën) décrit un procédé d'obtention de pièces métalliques à partir d'un modèle perdu. Selon ce procédé, on place dans un container un ou plusieurs modèles perdus réalisés en une matière sublimable, on noie l'ensemble dans du sable en laissant subsister des conduits de coulée communiquant à leur partie supérieure avec un godet de coulée et on verse du métal liquide par l'intermédiaire du godet de coulée. Le métal liquide remplace le modèle perdu qui se sublime. Le métal liquide se solidifie en se refroidissant de telle sorte qu'on obtient la pièce métallique désirée. On a préalablement placé dans le container des éléments réfrigérants de façon à ce que ces derniers se retrouvent au contact de faces d'appui du modèle perdu qui correspondent à des zones de la pièce métallique dont un coefficient d'allongement doit être important. La pièce métallique ainsi obtenue présente néanmoins l'inconvénient de comporter une structure du matériau qui est insuffisamment fine. D'autre part, une telle pièce métallique comporte un taux de porosité qui est important, ce qui est préjudiciable. Il en découle que de telles pièces métalliques offrent des caractéristiques mécaniques qui méritent d'être améliorées. Enfin, une telle pièce métallique est inhomogène au regard de sa structure, de sa compacité et de ses caractéristiques mécaniques, en raison du fait que les éléments réfrigérants ne sont pas au contact de faces libres du modèle perdu qui offrent des caractéristiques dégradées par rapport aux faces d'appui contre lesquelles les éléments réfrigérants sont positionnés. Le but de la présente invention est de proposer un procédé d'obtention d'au moins une pièce métallique à partir d'au moins un modèle perdu disposé dans un container à l'intérieur duquel un matériau de remplissage est apporté pour remplir le container et un métal en fusion est délivré pour que ce dernier se substitue au modèle perdu en le sublimant, un tel procédé étant simple, efficace, peu couteux, tout en permettant d'obtenir une pièce métallique comportant des caractéristiques mécaniques, une compacité et une porosité améliorées, une telle pièce métallique étant de surcroît homogène en ce qui concerne sa structure et ses caractéristiques mécaniques, la pièce métallique étant toutefois de conformation complexe et comportant des dépouilles et/ou des recoins de forme concave. Un but particulier de la présente invention est de proposer un tel procédé pour l'obtention d'une culasse d'un moteur thermique, tel qu'un moteur thermique à essence à injection directe suralimenté. Un procédé de la présente invention est un procédé d'obtention d'une pièce métallique à partir d'un modèle perdu disposé à l'intérieur d'un container. Le procédé comprend une étape d'apport d'un métal en fusion à l'intérieur du container. Selon la présente invention, le procédé comprend une étape d'introduction d'un élément à changement de phase au contact d'au moins une face libre que comporte le modèle perdu, l'élément à changement de phase comportant une température de changement de phase Tc qui est inférieure ou égale à une température de fusion Tf du métal en fusion. Selon une variante, la température de changement de phase Tc est une température d'une réaction de changement de phase solide-liquide de l'élément à changement de phase. Selon une autre variante, la température de changement de phase Tc est une température d'une réaction de changement de phase liquide-gaz de l'élément à 30 changement de phase. Selon une autre variante, la température de changement de phase Tc est une température d'une réaction de changement de phase liquide-solide de l'élément à changement de phase. L'étape d'introduction de l'élément à changement de phase est avantageusement postérieure à une étape de remplissage du container avec un matériau de remplissage. Le procédé comprend préférentiellement une étape de mise en place d'au moins un refroidisseur contre une face d'appui que comporte le modèle perdu, l'étape de mise en place du refroidisseur étant antérieure à l'étape de remplissage du container avec le matériau de remplissage. L'étape d'introduction de l'élément à changement de phase est de préférence postérieure à l'étape de mise en place du refroidisseur. L'étape d'introduction de l'élément à changement de phase est préférentiellement antérieure à l'étape d'apport du métal en fusion. L'élément à changement de phase comporte avantageusement une chaleur latente de changement de phase qui est supérieure ou égale à 450 kJ/kg. Une utilisation avantageuse d'un tel procédé est de réaliser une pièce métallique constituée d'une culasse d'un moteur thermique. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va en être faite d'exemples de réalisation, en relation avec les figures de la planche annexée, dans laquelle : 30 Les fig.1 et fig.2 sont deux illustrations schématiques respectives de variantes de réalisation d'un procédé selon la présente invention.25 Sur les figures, un container 1 est prévu pour loger au moins un modèle perdu 2. Ce dernier est de forme et de dimension identique à une pièce métallique que l'on souhaite obtenir. Le modèle perdu 2 est réalisé en une matière fusible, telle que de la cire, du polystyrène ou analogue. Le modèle perdu 2 est noyé à l'intérieur d'un matériau de remplissage 3, tel que du sable de silice ou analogue, qui complète le modèle perdu 2 pour remplir le container 1. Le container 1 est préférentiellement pourvu d'un appareil apte à délivrer des vibrations pour tasser le matériau de remplissage 3 autour du modèle perdu 2. Un métal en fusion 4, aluminium par exemple ou analogue, est porté à une température T qui est supérieure ou égale à une température de fusion Tf du métal, soit par exemple 660°C pour l'aluminium. Du métal en fusion 4 est coulé de manière à venir remplacer le modèle perdu 2 en sublimant ce dernier. A cet effet, le container 1 loge un système de remplissage qui est préférentiellement réalisé en matière fusible. Le système de remplissage est apte à guider le métal en fusion 4 depuis une réserve externe au container 1 vers le modèle perdu 2. On obtient ainsi la pièce métallique souhaitée après solidification du métal en fusion 4. La pièce métallique est par exemple une culasse destinée à être constitutive d'un moteur thermique d'un véhicule automobile, toutefois la pièce métallique obtenue à partir de la mise en oeuvre de la présente invention est susceptible d'être une pièce métallique quelconque. Sur la fig.2, au moins un refroidisseur 5 est interposé entre une face d'appui 6 du modèle perdu 2 et le matériau de remplissage 3. Le refroidisseur 5 est par exemple réalisé en matière métallique. La face d'appui 6 et le refroidisseur 5 sont préférentiellement plans. Le refroidisseur 5 est destiné à faciliter un refroidissement du métal en fusion 4 en cours de solidification. Plus particulièrement, le refroidisseur 5 est destiné à accélérer le refroidissement de la face d'appui 6 du modèle perdu 2 avec laquelle le refroidisseur 5 est en contact. A cet effet, le refroidisseur 5 est susceptible de comporter au moins un serpentin parcouru par un liquide réfrigérant, tel que de l'eau ou analogue. Le refroidisseur 5 constitue par ailleurs avantageusement un élément de soutien du modèle perdu 2 et/ou de la pièce métallique obtenue. Le procédé de la présente invention vise à introduire un élément à changement de phase 7 à l'intérieur du matériau de remplissage 3 vers au moins une face libre 8 du modèle perdu 2. La face libre 8 est une face quelconque du modèle perdu 2, la face libre 8 étant néanmoins une face du modèle perdu 2 qui n'est pas une face d'appui 6. Préférentiellement, la face libre 8 est une face concave comportant éventuellement un ou plusieurs recoins. Dans le cas où le procédé met en oeuvre un refroidisseur 5, la face libre 8 est par exemple bordée par la face d'appui 6. L'élément à changement de phase 7 comporte une température de changement de phase Tc qui est inférieure ou égale à la température de fusion Tf du métal en fusion 4. Ces dispositions sont telles qu'au cours de la coulée du métal en fusion 4 à l'intérieur du container 1, l'élément à changement de phase 1 subit un changement de phase, ce qui consomme de la chaleur en provenance du métal en fusion 4. Il en résulte un accroissement d'une vitesse de solidification du métal en fusion 4 pour obtenir la pièce métallique. Un tel accroissement est avantageusement localisé en surplomb de la face libre 8, de telle sorte que les refroidissements respectifs de la face libre 8 et de la face d'appui 6 sont préférentiellement équivalents. A température ambiante (25°C) et pression ambiante (1,01 105 Pa), l'élément à changement de phase 7 est susceptible de se présenter sous la forme d'un solide, d'un liquide ou d'un gaz. La température de changement de phase Tc est supérieure à la température ambiante (25°C). Selon une première variante, l'élément à changement de phase 7 est un élément qui se présente en phase liquide à température ambiante et à pression ambiante et qui se présente en phase gazeuse à une température de l'ordre de la température de fusion Tf du métal en fusion 4 et à pression ambiante. Un tel élément à changement de phase 7 est par exemple de l'eau qui présente l'avantage d'être un matériau peu couteux et qui comporte une chaleur latente de vaporisation élevée, de l'ordre de 2 257 kJ/kg, de manière à consommer rapidement une chaleur diffusée à l'intérieur du matériau de remplissage 3 depuis le modèle perdu 2 en cours de sublimation. Un tel élément à changement de phase 7 est par exemple encore de l'azote liquide. Après la coulée de métal en fusion 4, un tel élément à changement de phase 7 est absent à l'intérieur du container 1, en raison de sa vaporisation. Selon une deuxième variante, l'élément à changement de phase 7 est un élément qui se présente en phase liquide à température ambiante et à pression ambiante et qui se présente en phase solide à une température de l'ordre de la température de fusion Tf du métal en fusion 4 et à pression ambiante. Un tel élément à changement de phase 7 comporte préférentiellement une chaleur latente de solidification qui est élevée, par exemple de l'ordre de 450 kJ/kg. Une telle caractéristique permet avantageusement de minimiser une quantité d'élément à changement de phase 7 à introduire à l'intérieur du container 1, pour finalement éviter une fluidisation importante du matériau de remplissage 3. Un tel élément à changement de phase 7 est par exemple une résine thermodurcissable et/ou un liant de fonderie. Après la coulée de métal en fusion 4, un tel élément à changement de phase 7 est présent à l'intérieur du container 1 sous forme solide. Selon une troisième variante, l'élément à changement de phase 7 est un élément qui se présente en phase solide à température ambiante et à pression ambiante et qui se présente en phase liquide à une température de l'ordre de la température de fusion Tf du métal en fusion 4 et à pression ambiante. Un tel élément à changement de phase 7 comporte préférentiellement une chaleur latente de liquéfaction qui est élevée, par exemple de l'ordre de 450 kJ/kg. Un tel élément à changement de phase 7 présente préférentiellement une effusivité thermique à l'état solide qui est importante, pour faciliter un transfert thermique depuis le métal en fusion 4 vers le matériau de remplissage 3. Un tel élément à changement de phase 7 est préférentiellement agencé sous forme granulaire. Un tel élément à changement de phase 7 est par exemple une paraffine ou un métal à bas point de fusion, type étain, zinc, alliages Cerro, Zamak.... Après la coulée de métal en fusion 4, un tel élément à changement de phase 7 est présent à l'intérieur du container 1 sous forme liquide. Quelque soit la variante de réalisation, l'élément à changement de phase 7 diffuse à l'intérieur du matériau de remplissage 3 depuis un dispositif d'amenée 9 vers la face libre 8 du modèle perdu 2. Selon la deuxième variante susvisée, l'élément à changement de phase 7 percole à l'intérieur du matériau de remplissage 3 depuis le dispositif d'amenée 9 vers la face libre 8 du modèle perdu 2. Plus particulièrement, le dispositif d'amenée 9 est destiné à délivrer l'élément à changement de phase 7 à l'intérieur d'un volume de remplissage 10 qui jouxte la face libre 8. Il en résulte qu'un tel volume de remplissage 10 est occupé par un mélange de matériau de remplissage 3 et d'élément à changement de phase 7. Le dispositif d'amenée 9 comprend un canal d'amenée 11 de l'élément à changement de phase 7 à proximité de la face libre 8, le canal d'amenée 11 étant pourvu d'un organe de mise en circulation de l'élément à changement de phase 7. L'organe de mise en circulation est indifféremment un dispositif de délivrance par écoulement naturel et/ou par injection. Un tel organe de mise en circulation est par exemple une vis-sans-fin ou une pompe, selon que l'élément à changement de phase 7 est initialement respectivement en phase solide ou en phase liquide ou gaz. Selon la variante illustrée sur la fig.1, le dispositif d'amenée 9 est placé à distance du modèle perdu 2, de telle sorte qu'aucun contact n'existe entre le dispositif d'amenée 9 et le modèle perdu 2. Selon la variante illustrée sur la fig.2, le canal d'amenée 11 comprend au moins un canal de traversée 12 du refroidisseur 5 pour permettre une délivrance de l'élément à changement de phase 7 à proximité de la face libre 8 et plus particulièrement à l'intérieur du volume de remplissage 10. Selon cette variante, le volume de remplissage 10 est délimité conjointement par la face libre 8 et le refroidisseur 5. Le volume de remplissage 10 est avantageusement bordé par la face d'appui 6 du modèle perdu 2 de manière à empêcher une échappée de l'élément à changement de phase 7 hors du volume de remplissage 10. Cet empêchement est facilité par une planéité de la face d'appui 6 et du refroidisseur 5. Une application particulièrement avantageuse de la présente invention réside dans une application pour laquelle la face libre 8 est une face compression d'une culasse d'un moteur thermique à essence à injection directe fonctionnant en suralimenté. Selon l'élément à changement de phase 7 introduit à l'intérieur du container 1, il est possible de contrôler précisément la solidification et le refroidissement de la pièce métallique obtenue. Plus particulièrement, la mise en oeuvre d'un tel procédé permet de cumuler des avantages respectifs d'un moulage gravité en coquille métallique et d'un procédé modèle perdu. Plus particulièrement encore, la pièce métallique obtenue comporte une structure et des caractéristiques mécaniques élevées et équivalentes à celles d'une pièce métallique obtenue par un procédé coquille, notamment en ce qui concerne un coefficient d'allongement et une porosité de la pièce. Par ailleurs, la pièce métallique obtenue est avantageusement homogène en ce qui concerne sa structure, sa compacité et ses caractéristiques mécaniques, en comparant des zones comportant une face libre 8 et des zones comportant une face d'appui 6. De plus, la mise en oeuvre d'un tel procédé permet l'obtention de pièces métalliques comportant une géométrie complexe, en présentant par exemple des recoins. Un tel procédé permet par ailleurs une flexibilité optimisée de production sur une ligne de montage, pour un investissement modeste par rapport à un procédé moule perdu de l'art antérieur et en minimisant une pollution environnementale. Un tel procédé offre un coût de fabrication qui est avantageusement bas et peu supérieur à un procédé modèle perdu de l'art antérieur. REVENDICATIONS1.- Procédé d'obtention d'une pièce métallique à partir d'un modèle perdu (2) disposé à l'intérieur d'un container (1), le procédé comprenant une étape d'apport d'un métal en fusion (4) à l'intérieur du container (1), caractérisé en ce que le procédé comprend une étape d'introduction d'un élément à changement de phase (7) au contact d'au moins une face libre (8) que comporte le modèle perdu (2), l'élément à changement de phase (7) comportant une température de changement de phase Tc qui est inférieure ou égale à une température de fusion Tf du métal en fusion (4). 2.- Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la température de changement de phase Tc est une température d'une réaction de changement de phase solide-liquide de l'élément à changement de phase (7). 3.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la température de changement de phase Tc est une température d'une réaction de changement de phase liquide-gaz de l'élément à changement de phase (7). 4.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la température de changement de phase Tc est une température d'une réaction de changement de phase liquide-solide de l'élément à changement de phase (7). 5.- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape d'introduction de l'élément à changement de phase (7) est postérieure à une étape de remplissage du container (1) avec un matériau de remplissage (3). 6.- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le procédé comprend une étape de mise en place d'au moins un 25 30refroidisseur (5) contre une face d'appui (6) que comporte le modèle perdu (2), l'étape de mise en place du refroidisseur (5) étant antérieure à l'étape de remplissage du container (1) avec le matériau de remplissage (3). 7.- Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'étape d'introduction de l'élément à changement de phase (7) est postérieure à l'étape de mise en place du refroidisseur (5). 8.- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape d'introduction de l'élément à changement de phase (7) est antérieure à l'étape d'apport du métal en fusion (4). 9.- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément à changement de phase (7) comporte une chaleur latente de changement de phase qui est supérieure ou égale à 450 kJ/kg. 10.- Utilisation d'un procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes pour réaliser une pièce métallique constituée d'une culasse d'un moteur thermique.20