Brevet FR3133774A1 — publié le 20230929

Procédé de moulage de pièces en magnésium ou alliage de magnésium dans un moule métallique permanent, dans lequel, successivement et de manière cyclique, (i) on injecte une quantité de métal liquide, qui peut être du magnésium liquide ou un alliage de magnésium liquide, dans un moule pemanent, (ii) on laisse solidifier ledit métal liquide pour obtenir une pièce en magnésium ou alliage d’aluminium, (iii) et on enlève ladite pièce, ledit procédé étant caractérisé en ce que : - ledit moule comporte au moins une zone refroidie par un conduit dans lequel est injecté une quantité de liquide qui s’évapore en contact avec la paroi chaude dudit conduit ; - au moins une fois au cours de l’étape (ii) on injecte, avec une pression P L , une quantité de liquide dans ledit conduit, de manière à ce que ledit liquide puisse s’évaporer au moins en partie, pour refroidir localement la paroi du moule ; - après l’étape (iii) et avant l’étape (i) du cycle suivant, on injecte dans le même conduit une quantité de gaz, avec une pression P G , et on vérifie la présence d’une fuite dans ledit conduit ; sachant que ledit gaz est un gaz inert par rapport audit métal liquide. Dispositif pour le contrôle de la température locale d’une pièce en magnésium lors de sa fabrication par moulage, et procédé utilisant ce dispositif Domaine technique de l’invention L’invention relève du domaine de la fonderie, et plus précisément du domaine de la fabrication de pièces en magnésium ou alliage de magnésium par coulée de métal à l’état de fusion dans un moule pemanent. Plus précisément, l’invention concerne un dispositif et procédé permettant de contrôler la température locale du moule lors de l’introduction et du refroidissement du magnésium ou alliage de magnésium liquide dans un moule métallique. L’invention porte en particulier sur un nouveau procédé de fabrication de pièces en magnésium ou alliage de magnésium par moulage qui permet le contrôle de la température locale de la matière introduite dans le moule. L’invention s’applique notamment au moulage par injection, à haute pression ou à basse pression, et au moulage par gravité. Etat de la technique Le moulage est une technique métallurgique de mise en forme très ancienne. Aujourd’hui le procédé de moulage par injection dans un moule permanent est largement utilisé pour fabriquer des pièces de forme complexe en grande série. On produit ainsi par moulage en moules métalliques des pièces en divers alliages légers destinées au secteur de l’automobile, tel que des culasses et des carters ; on produit également des pièces de forme complexes pour l’industrie aéronautique et pour le génie mécanique, telles que des pièces de structure, des échangeurs de chaleur, des pièces de raccord mécanique ou fluidique. En dehors des alliages dits légers (aluminium, aluminium-silicium, magnésium) les alliages mis en forme par moulage par injection sont notamment des alliages de cuivre et des alliages de zinc (tel que la famille d’allages de zinc connue sous le nom de zamak). Dans le domaine des métaux ferreux on connaît notamment le moulage de la fonte. Les moules permanents présentent en règle générale au moins deux parties, appelées coquilles, qui, en se fermant l’une sur l’autre, définissent la forme externe de la pièce moulée ; elles peuvent comprendre des noyaux pour former des orifices ou des dépressions dans la pièce. L’épaisseur de paroi des pièces moulées complexes peut varier de manière significative d’un endroit à l’autre. Puisque la chaleur latente de solidification est extraite par le moule, cela implique une variation de la vitesse de refroidissement d’un volume de métal coulé en fonction de son éloignement de la paroi la plus proche du moule. La vitesse de refroidissement influe sur la structure métallurgique au sein de la pièce moulée, à la fois sur la macroségrégation, sur la microségrégation et sur la précipitation. Il s’ensuit que les caractéristiques mécaniques du matériau de la pièce moulée peuvent varier d’un endroit à l’autre, en fonction de la vitesse de refroidissement locale. Cet effet est typiquement faible pour des pièces moulées de petite taille, mais il peut devenir significatif pour des pièces de grande taille ; la conséquence est le concepteur de la pièce ne peut pas tirer pleinement profit des possibilités de l’alliage avec lequel il conçoit la pièce moulée, car il doit prendre en compte l’endroit le plus faible de la pièce. Cette situation complique également la modélisation des pièces moulées lors de leur conception. Et enfin, cela augmente le risque d’apparition de défauts dans des zones critiques de la pièce : ces défauts peuvent notamment être des retassures ou des porosités. La manipulation et la coulée de métal liquide présentent de nombreux risques. Ces risques sont liés à la température, au caractère liquide du métal, et possiblement à sa réactivité chimique. D’une manière générale, le contact d’un métal chaud en fusion avec l’eau peut conduire à des phénomènes violents d’évaporation, en l’absence de toute réactivité chimique entre l’eau et le métal. Ce contact peut aussi engendrer un risque d’explosion si le métal liquide peut réagir avec l’eau ; ce double risque est connu notamment de la fonderie de l’aluminium. Parmi les métaux légers, le magnésium présente la caractéristique d’être un métal combustible, et cela même à l’état massif : non seulement il peut réagir violemment avec l’eau, l’humidité et l’oygène de l’air à l’état liquide, mais encore il peut brûler à l’état solide en cas d’incendie, en développant une lumière blanche et une fumée blanche très intenses ; en présence d’humidité un feu de magnésium est particulièrement violent. Les équipments et procédés mis en oeuvre dans une fonderie du magnésium doivent garantir que cela ne puisse pas se produire. Pour cette raison, on minimise dans une fonderie de magnésium l’utilisation d’eau (ou d’autres liquides réactifs) et la présence de conduits d’eau, à quelle fin que ce soit. Il y a également lieu de protéger le magnésium liquide ou chaud contre tout contact avec l’air car contrairement à l’aluminium, le magnésium ne forme pas une peau d’oxyde impénétrable pour l’oxygène. Ainsi, le magnésium liquide réagit avec l’air, alors que la peau d’oxyde qui se forme sur l’aluminium liquide est stable. SI l’homme du métier du moulage de l’aluminium connaît depuis des décennies des techniques de refroidissement local (appelé aussi « refroidissement dirigé ») d’un moule, qui sont basées sur l’utilisation de parois localement refroidies et/ou d’inserts refroidis, ces techniques ne sont pas utilisées en fonderie de magnésium. Il y a essentiellement deux raisons pour cela : jusqu’il y a une ou deux décennies, les pièces moulées en magnésium n’avaient pas atteint une taille qui exige réellement l’utilisation de ces techniques (même si l’indisponibilité des ces techniques de refroidissement dirigé a pu engendrer des contraintes pour la conception de pièces moulées en magnésium même de taille faible ou moyenne), et par ailleurs, ces techniques de refroidissement dirigé utilisent en règle générale un liquide caloporteur qui risque de réagir violamment avec le magnésium en cas de contact accidentel. Un premier problème que la présente invention cherche à résoudre est de faire progresser la technologie de moulage du magnésium pour faciliter la production de pièces de grande dimension et/ou présentant une forte variation de l’épaisseur, avec des caractéristiques mécaniques homogènes. Un autre problème est de rendre possible le refroidissemement dirigé en fonderie de magnésium, dans des conditions de sécurité optimales, et d’en tirer un profit maximal pour optimiser les procédés de moulage existants. Objets de l’invention Selon l’invention, le problème, qui se pose dans un procédé de moulage de pièces en magnésium ou alliage de magnésium dans un moule métallique permanent, dans lequel, successivement et de manière cyclique, (i) on injecte une quantité de métal liquide, qui peut être du magnésium liquide ou un alliage de magnésium liquide, dans un moule pemanent, (ii) on laisse solidifier ledit métal liquide pour obtenir une pièce en magnésium ou alliage de magnésium, (iii) et on enlève ladite pièce, est résolu par la combinaison des caractéristiques techniques suivantes : - ledit moule comporte au moins une zone refroidie par un conduit dans lequel est injecté une quantité de liquide qui s’évapore en contact avec la paroi chaude dudit conduit ; - au moins une fois au cours de l’étape (ii) on injecte, avec une pression P L , une quantité de liquide dans ledit conduit, de manière à ce que ledit liquide puisse s’évaporer au moins en partie, pour refroidir localement la paroi du moule ; - après l’étape (iii) et avant l’étape (i) du cycle suivant, dans une étape appelée « épreuve de pression », on injecte dans le même conduit une quantité de gaz, avec une pression P G , et on vérifie la présence d’une fuite dans ledit conduit ; sachant que ledit gaz est un gaz inert par rapport audit métal liquide. Dans des modes de réalisation particuliers de ce procédé, qui peuvent être combinés entre eux : on vérifie la présence d’une fuite en détectant la décroissance de cette pression lorsque l’on ferme ledit conduit ; lorsque l’on détecte une fuite dans ledit conduit on arrête immédiatement la poursuite du procédé ; avant de procéder à l’épreuve de pression, dans une étape appelée « purge », on purge ledit conduit avec un gaz inert injecté avec une pression P P , ou on met ledit conduit sous vide, afin de débarrasser ledit conduit de la vapeur dudit liquide ; ledit conduit dans lequel est injecté ledit liquide est aménagé dans un noyau métallique en contact thermique avec ledit moule, notamment sous la forme d’un canal rectiligne ou d’un canal hélicoïdal. Procédé de moulage de pièces en magnésium ou alliage de magnésium dans un moule métallique permanent, dans lequel, successivement et de manière cyclique, (i) on injecte une quantité de métal liquide, qui peut être du magnésium liquide ou un alliage de magnésium liquide, dans un moule pemanent, (ii) on laisse solidifier ledit métal liquide pour obtenir une pièce en magnésium ou alliage de magnésium, (iii) et on enlève ladite pièce, ledit procédé étant caractérisé en ce que : - ledit moule comporte au moins une zone refroidie par un conduit dans lequel est injecté une quantité de liquide qui s’évapore en contact avec la paroi chaude dudit conduit ; - au moins une fois au cours de l’étape (ii) on injecte, avec une pression P L , une quantité de liquide dans ledit conduit, de manière à ce que ledit liquide puisse s’évaporer au moins en partie, pour refroidir localement la paroi du moule ; - après l’étape (iii) et avant l’étape (i) du cycle suivant, dans une étape appelée « épreuve de pression », on injecte dans le même conduit une quantité de gaz, avec une pression P G , et on vérifie la présence d’une fuite dans ledit conduit ; sachant que ledit gaz est un gaz inert par rapport audit métal liquide. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit gaz inert est sélectionné de préférence dans le groupe formé par : un gaz noble et de préférence l’argon, l’azote, le dioxyde de carbone, le monoxyde de carbone, l’hexafluorure de soufre, le dioxyde de soufre, un mélange de deux ou plusieurs de ces gaz, ledit mélange contenant possiblement de l’hydrogène. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel on vérifie la présence d’une fuite en détectant la décroissance de cette pression lorsque l’on ferme ledit conduit. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel, lorsque l’on détecte une fuite dans ledit conduit on arrête immédiatement la poursuite du procédé. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel, avant de procéder à l’épreuve de pression, dans une étape appelée « purge » on purge ledit conduit avec un gaz inert injecté avec une pression P P , ou on met ledit conduit sous vide, afin de débarrasser ledit conduit de la vapeur dudit liquide. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel P G > x P P , où x > 1,05 , et de préférence x > 1,2 , et encore plus préférentiellement x > 1,3 , et de manière la plus préférée x > 1,4. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel P G > y P L , où y > 1,05. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel ledit conduit dans lequel est injecté ledit liquide est aménagé dans un noyau métallique en contact thermique avec ledit moule, notamment sous la forme d’un canal rectiligne ou d’un canal hélicoïdal. Procédé selon la revendication 8, dans lequel ledit noyau métallique a la forme d’un doigt. Procédé selon la revendication 8 ou 9, dans lequel ledit noyau est en contact direct avec le métal liquide.