Brevet FR2989293A1 — publié le 20131018

DOMAINE DE L'INVENTION Le présent exposé concerne un procédé de fabrication d'une pièce métallique creuse par fonderie et, plus particulièrement, par moulage sous pression. Un tel procédé est particulièrement utile à la fabrication de pièces qui présentent un évidement intérieur et qui, de ce fait, ne sont pas démoulables directement, comme, par exemple, un conduit de circulation de fluide ou un contenant semi-fermé (e.g. un carter). ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE La fonderie regroupe les procédés de formage des métaux (i.e. métaux purs et alliages) qui consistent à couler un métal liquide dans un moule pour réaliser, après refroidissement, une pièce donnée, en limitant autant que possible les travaux ultérieurs de finition sur cette pièce. Dans la technique de moulage sous-pression, le métal liquide est injecté dans le moule sous une pression d'injection significative, typiquement comprise entre 100 et 1200 bars (i.e. 10 et 120 MPa). La vitesse d'injection dans le moule est typiquement comprise entre 10 m/s et 80 m/s et la température du métal liquide est typiquement comprise entre 400 et 980°C. En fonderie, le moulage sous-pression est souvent réservé à des productions en grande série pour des marchés comme celui de l'automobile ou de l'électroménager, du fait du prix important de l'outillage (moules et outils de découpe). Actuellement, pour mouler sous-pression une pièce creuse comme un conduit ou une cuve semi-fermée, le fondeur moule deux demi-parties qui sont ensuite assemblées mécaniquement par soudure ou collage. Cette solution n'est pas satisfaisante car, d'une part, elle nécessite deux outillages de moulage (un pour chaque demi-partie) et, d'autre part, l'étape d'assemblage est délicate du fait de l'étanchéité requise au niveau de la zone d'assemblage. Il existe donc un besoin pour un autre procédé de fabrication. PRESENTATION DE L'INVENTION Le présent exposé concerne un procédé de fabrication d'une pièce métallique creuse, par fonderie, dans lequel: - on fournit un noyau destructible comprenant un corps fait de composés agrégés, et une carapace qui entoure ce corps et adhère à celui-ci ; - on dispose le noyau dans un moule ; - on fait fondre et on injecte le métal liquide dans le moule, autour du noyau, le noyau matérialisant un espace intérieur de la pièce ; - après solidification de la pièce, on désagrège le corps du noyau et on l'évacue via des orifices d'évacuation ménagés dans la carapace et dans la pièce ; et - on détruit et on évacue ladite carapace via des orifices d'évacuation ménagés dans la pièce. Le noyau utilisé ici se distingue des noyaux conventionnels utilisés en fonderie par gravité, en particulier par le fait qu'il présente une carapace lui permettant de résister mécaniquement aux contraintes exercées par le métal liquide lors de l'injection. Sans cette carapace, le noyau se désagrégerait sous l'effet de ces contraintes. La carapace adhère au corps du noyau afin d'éviter une désolidarisation de la carapace et du corps lors de l'injection, et comme la carapace prend appui sur le corps, ce dernier reprend une partie des contraintes lors de l'injection. Un tel procédé de fabrication est particulièrement intéressant en moulage sous pression car les contraintes exercées par le métal liquide lors de l'injection sont élevées et la carapace du noyau présente alors tout son intérêt. Dans ce cas, la résistance mécanique de la carapace est suffisante pour résister à l'injection sous-pression du métal liquide et, lors du moulage, on injecte sous pression le métal liquide dans le moule, autour du noyau. Néanmoins, ce procédé de fabrication pourrait être utilisé en fonderie dans d'autres applications comme le moulage basse pression ou le moulage par gravité (e.g. pour des alliages ferreux et des alliages non-ferreux, en moules métalliques ou non-métalliques) Le choix du matériau constitutif de la carapace est réalisé en fonction de la bonne résistance mécanique de ce matériau, et de sa bonne adhérence au noyau. Des exemples de matériaux sont donnés ci-après mais une personne du métier pourrait facilement, au vu du présent exposé, en envisager d'autres. Avantageusement, le matériau constitutif de la carapace présente également une ou plusieurs des propriétés suivantes: - il est passif chimiquement vis-à-vis du métal injecté et, en particulier, il ne se dissout pas dans ce dernier; - il est non-pénétrable par le métal liquide injecté sous-pression; - il présente un bon état de surface et, notamment, pas ou peu de porosités de surface. Ceci permet de détacher plus facilement la carapace de la pièce moulée et d'obtenir un bon état de surface sur les parois de l'espace intérieur de la pièce. La carapace du noyau est réalisée, par exemple, à base de particules agrégées par un (des) liant(s) de nature organique (e.g. polyuréthane), minérale (e.g. silicate, silice colloïdale, silicate d'éthyle, métaux à bas point de fusion) ou hydraulique (e.g. plâtre, ciment, chaux). Les particules peuvent être en céramique, argile calcinée, avec ou sans zircon. Elles peuvent résulter du recyclage d'une vielle carapace. Selon un autre exemple, la carapace est métallique. Le corps du noyau est, par exemple, en sable de fonderie ou en plâtre à mouler, éventuellement chargé de fibres. Le liant utilisé pour agréger les composés du noyau peut être hydraulique, organique (e.g. cellulose) ou inorganique (e.g. silicate). Les fibres de charge peuvent être de nature organique ou minérale (e.g. en lin, en bois, en verre). Pour désagréger le corps et l'évacuer de la pièce moulée, on peut utiliser un procédé de débourrage classique, mécanique (e.g. par chocs, vibrations, projection de granulés ou ultra-sons) et/ou hydraulique (par jet d'eau), voire un procédé de débourrage chimique (e.g. par dissolution du (des) liant(s)). Dans certains modes de réalisation, le noyau destructible comprend, en outre, une ossature qui traverse le corps du noyau et est liée à la carapace. Cette ossature peut être détruite et évacuée en même temps que le corps et/ou la carapace. Une telle ossature permet de renforcer encore la résistance mécanique du noyau. Dans certains modes de réalisation, pour fabriquer le noyau, on fabrique le corps du noyau par agrégation de composés dans une boîte pourvue de broches qui traversent l'intérieur de la boîte, de sorte que le corps, une fois extrait de la boîte, présente des évidements à la place des broches, et on remplit ces évidements d'un matériau constitutif de l'ossature, par exemple en trempant le corps du noyau dans une barbotine, en injectant (sous faible pression) cette même barbotine ou en coulant par gravité la barbotine dans un contenant. Les évidements et les éléments d'ossature correspondants peuvent traverser de part en part, ou seulement partiellement, le corps du noyau. Dans certains modes de réalisation, le corps du noyau est trempé une ou plusieurs fois dans une ou plusieurs barbotines, de manière à couvrir le corps d'une ou plusieurs couches d'un matériau durcissable. Par exemple, comme barbotine, on peut utiliser du plâtre. Par exemple, le corps du noyau peut être trempé d'abord dans une première barbotine pour former l'ossature éventuelle et la couche inférieure de la carapace, et, ensuite, dans d'autres barbotines pour former la ou les couches supérieures de la carapace. A la place du trempage, il est possible de réaliser la carapace par injection de la barbotine. Les matériaux constitutifs de la carapace et de l'ossature peuvent être identiques ou différents. D'ailleurs, les critères utilisables pour les matériaux de la carapace et de l'ossature ne correspondent pas nécessairement. En particulier, comme l'ossature n'entre pas au contact du métal injecté, sa passivité chimique vis-à-vis de ce métal n'est pas un critère de sélection. En outre, comme l'ossature est soumise à des contraintes moins importantes que la carapace lors de l'injection, la résistance mécanique de l'ossature peut être moins élevée que celle de la carapace. Par ailleurs, dans certains modes de réalisation, on souhaite évacuer l'ossature en même temps que le corps. Dans ce cas, comme le corps, l'ossature est faite de composés agrégés, désagrégeables. Ainsi, on peut désagréger et évacuer le corps et l'ossature, en une même opération, selon un procédé de débourrage. Dans certains modes de réalisation, pour fabriquer le noyau: - on fabrique le corps du noyau par agrégation de composés dans une boîte pourvue d'organes de support qui traversent (de part en part, ou partiellement) l'intérieur de la boîte, et 1.0 - on réalise la carapace autour du corps et des organes de support de sorte que les organes de support traversent la carapace. On utilise ensuite les organes de support pour maintenir le noyau en position dans le moule lors de l'injection. En fonction de la position occupée par les organes de support dans le noyau, ceux-ci peuvent également servir 15 à renforcer la résistance mécanique du noyau. Dans certains modes de réalisation, les organes de support sont creux et définissent des passages d'évacuation pour les gaz qui sont formés par la décomposition thermique de certains composants du noyau lors du moulage de la pièce. Ceci permet de limiter les risques de déformation liés à ces gaz, 20 notamment lorsque la pièce présente des parois minces. Dans certains modes de réalisation, on extrait les organes de support de la pièce pour ménager les orifices d'évacuation par lesquels le corps du noyau et/ou la carapace sont évacués. D'autres caractéristiques et avantages du procédé proposé 25 apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit. Cette description détaillée fait référence aux dessins annexés. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS Les dessins annexés sont schématiques et ne sont pas à l'échelle, ils visent avant tout à illustrer les principes de l'invention. 30 Sur ces dessins, d'une figure (FIG) à l'autre, des éléments (ou parties d'élément) identiques sont repérés par les mêmes signes de référence. 2 9892 93 6 La FIG 1 représente une boîte pour la fabrication du corps d'un noyau. La FIG 2 est une vue de côté du corps de noyau fabriqué avec la boîte de la FIG 1. La FIG 3 est une vue en perspective du noyau fabriqué avec le corps de 5 la FIG 2. La FIG 4 est une vue en coupe d'un moule dans lequel est disposé le noyau de la FIG 3. La FIG 5 est une vue en perspective d'une pièce métallique creuse obtenue par fonderie dans le moule de la FIG 4. DESCRIPTION DETAILLEE D'EXEMPLE(S) DE REALISATION Un exemple de procédé est décrit en détail ci-après, en référence aux dessins annexés. Cet exemple illustre les caractéristiques et les avantages de l'invention. Il est toutefois rappelé que l'invention ne se limite pas à cet exemple. La FIG 1 représente une boîte 10 pour la fabrication du corps 22 d'un noyau 20. Cette boîte comprend deux demi-coquilles 10A, 10B qui, une fois assemblées, définissent entre elles un espace libre 12 destiné à recevoir les composés qui formeront le corps du noyau. A l'intérieur de la boîte, i.e. dans l'espace libre 12, s'étendent des broches 16. Dans l'exemple, ces broches 16 traversent l'espace libre 12 de part en part, chaque broche 16 étant formée de deux demi-broches 16A, 16B portées, respectivement, par les deux demi-coquilles 10A, 10B, et situées dans le prolongement l'une de l'autre, une fois les demi-coquilles assemblées. A l'intérieur de la boîte, se trouvent également des organes de support 18 qui traversent partiellement l'espace libre 12. Dans l'exemple, ces organes 18 sont creux et de forme tubulaire avec une extrémité libre 18E effilée (tronconique). L'autre extrémité de ces organes 18 prend appui contre une des parois 15. Chaque organe 18 est traversé par un passage intérieur (une lumière) débouchant aux deux extrémités de l'organe. Pour fabriquer le corps 22 du noyau, on remplit l'espace libre 12 de composés agrégeables, par exemple des grains de sable, mélangés à au moins une résine durcissable. Une fois la (les) résine(s) durcie(s) (e.g. par chauffage, ou par utilisation d'un gaz catalyseur), les grains de sables sont agrégés et forment le corps 22. Le corps 22 est ensuite extrait du moule 10. Comme représenté sur la FIG 2, le corps 22 présente des évidements 26 à la place des broches 16. En outre, les organes de support 18 sont prisonniers dans la masse du corps 22. Pour fabriquer le noyau 20, on plonge le corps 22, une ou plusieurs fois, dans un ou plusieurs bains de pâte fluide, ou barbotines, de manière à couvrir le corps d'une ou plusieurs couches d'un matériau durcissable. Pour tenir le corps 22 lors du bain, on utilise les organes de support 18 creux. Typiquement, des broches sont passées à l'intérieur des organes 18, ce qui permet de tenir le corps 22 et de boucher le passage intérieur des organes 18 pour éviter qu'ils se remplissent. Après chaque bain, la couche déposée est durcie, par exemple à l'air. Lors du premier bain dans une première barbotine, les évidements 26 du corps 22 se remplissent pour former une ossature 36. L'ossature 36 est ainsi constituée de plusieurs éléments qui traversent le corps 22 du noyau et sont liés à la carapace 40. Dans l'exemple, à l'image des évidements 26, les éléments d'ossature traversent de part en part le corps, de sorte que les deux extrémités de chaque élément d'ossature sont liées à la carapace 40. La première barbotine forme également la première couche, ou couche inférieure, de la carapace 40. Les autres couches, éventuelles, de la carapace 40 peuvent être obtenues en plongeant le corps 22 dans d'autres bains de matériau durcissable. Pour couvrir le corps 22 et remplir les évidements 26, à la place (ou en complément) des opérations de trempage, il est possible de procéder à l'injection ou au coulage par gravité d'une barbotine autour et/ou dans le corps. La FIG 3 représente le noyau 20 obtenu après formation de la carapace 40 autour du corps 22. A titre d'exemple, il est possible de fabriquer le noyau 20 à partir des matériaux suivants et dans les conditions suivantes : pour fabriquer le corps 22, on utilise du sable de fonderie pré-enrobé de résine et durcisseur et on fait durcir la résine avec son durcisseur. Par exemple, le sable utilisé est de la silice de finesse 55 AFS. La finesse du sable peut évoluer en fonction de la forme et de la taille du noyau à réaliser. Ensuite, on plonge le corps 22 obtenu dans une barbotine réfractaire mélangée à de la silice colloïdale. Lors du premier trempage les évidements 26 sont remplis de barbotine pour réaliser l'ossature. On sèche et on replonge le corps 22 dans la barbotine autant de fois que nécessaire pour obtenir l'épaisseur de carapace 40 désirée après le dernier séchage. Une fois le noyau 20 fabriqué, on dispose celui-ci dans l'empreinte 51 d'un moule 50, comme illustré sur la FIG 4. Cette figure représente le moule 50 et le noyau 20 en coupe. Le noyau 20 est maintenu en position dans le moule 50 à l'aide de broches 53 creuses, solidaires d'une partie du moule 50, et enfoncées dans les organes de support 18 du noyau 20. Ensuite, on fait fondre et on injecte le métal liquide dans le moule, autour du noyau 20. L'injection du métal peut se faire sous-pression, la carapace 40 résistant aux contraintes exercées lors de l'injection et permettant au noyau 20 de conserver son intégrité. En outre, les gaz liés à la décomposition thermique de certains éléments (typiquement les liants) constitutifs du noyau 20 sont avantageusement évacués à l'extérieur du moule 50, via les passages intérieurs des organes de support 18 et des broches 53. Cette évacuation est symbolisée par les flèches G sur la FIG 4. Après durcissement et refroidissement (total ou partiel) du métal, on extrait du moule 50 une pièce métallique 60 qui entoure le noyau 20, le noyau 20 matérialisant un espace creux à l'intérieur de cette pièce. Pour séparer le noyau 20 de la pièce 60, on soumet celle-ci à un procédé de débourrage classique, typiquement mécanique et/ou hydraulique. Le corps 22 du noyau se désagrège alors sous l'effet combiné de la décomposition thermique des liants qui le constituaient (cette décomposition ayant lieu lors de l'injection du métal liquide, sous l'effet de la température de ce métal) et des sollicitations du débourrage. Si sa composition le permet, l'ossature 36 peut se désagréger en même temps que le corps 22. Sinon, l'ossature 36 peut être extraite après le corps 22, par exemple, en soumettant la pièce à un deuxième procédé de débourrage Dans l'exemple, les éléments issus de la désagrégation du corps 22 et, éventuellement, de l'ossature 36, sont évacués par les orifices d'extrémité 62 de la pièce tubulaire creuse 60. Les organes de support 18 sont extraits en même temps que le corps 22 par ces orifices 62. On notera que ces orifices 62 traversent la pièce 60 et la carapace 40. Selon un autre exemple, non représenté, les orifices d'évacuation sont ménagés en extrayant les organes de support 18 hors du noyau 20. On obtient ainsi la pièce métallique tubulaire creuse 60 illustrée sur la FIG 5, la face interne de cette pièce 60 étant recouverte par la carapace 40. On détruit ensuite la carapace 40 et on l'évacue par les orifices 62 pour obtenir la pièce 60 seule. Par exemple, la carapace 40 est détruite par projection de grenaille ou par débourrage sous pression d'eau (5 à 50 MPa) suivant la résistance de la pièce 60. A titre d'exemple, il est possible de fabriquer la pièce 60 par moulage sous pression classique d'un alliage d'aluminium-silicium-cuivre. La pression d'injection peut varier de 100 bars à 1200 bars (i.e. 10 et 120 MPa), la vitesse d'écoulement du métal peut varier de 10 à 80 m/s. Le taux de silicium peut évoluer de 2 à 20%, le taux de cuivre peut évoluer de 0,1 à 10%. Par exemple, on peut utiliser l'alliage Al Si 9 Cu 3 (Fe). Les modes ou exemples de réalisation décrits dans le présent exposé sont donnés à titre illustratif et non limitatif, une personne du métier pouvant facilement, au vu de cet exposé, modifier ces modes ou exemples de réalisation, ou en envisager d'autres, tout en restant dans la portée de l'invention. De plus, les différentes caractéristiques de ces modes ou exemples de réalisation peuvent être utilisées seules ou être combinées entre elles. Lorsqu'elles sont combinées, ces caractéristiques peuvent l'être comme décrit ci-dessus ou différemment, l'invention ne se limitant pas aux combinaisons spécifiques décrites dans le présent exposé. En particulier, sauf précision contraire, une caractéristique décrite en relation avec un mode ou exemple de réalisation peut être appliquée de manière analogue à un autre mode ou exemple de réalisation.