[0001] L'invention est relative à un procédé de moulage à mousse perdue et sous basse pression
de pièces métalliques en alliage d'aluminium et constitue un perfectionnement du procédé
tel que décrit dans le brevet français No.2606688 déposé le 17 Novembre 1986.
[0002] Il est connu de l'homme de l'art, par exemple par l'enseignement de l'USP n° 3 157
924, d'utiliser pour le moulage des métaux des modèles en mousse de matière organique
telle que le polystyrène que l'on plonge dans un moule constitué par du sable sec
ne contenant aucun agent de liaison. Industriellement, ces modèles sont généralement
revêtus d'un film de matériau réfractaire destiné à améliorer la qualité des pièces
moulées. Dans un tel procédé, le métal à mouler, qui a été préalablement fondu, est
amené au contact du modèle par l'intermédiaire d'un orifice d'alimentation et de canaux
traversant le sable, et se substitue progressivement audit modèle en le brûlant et
en le transformant principalement en vapeurs qui s'échappent entre les grains de sable,
d'où la désignation de procédé de moulage à mousse perdue.
[0003] Par rapport au moulage classique en moule non permanent, cette technique évite la
fabrication préalable, par compactage et agglomération de matériaux réfractaires pulvérulents,
de moules rigides associés de façon plus ou moins compliquée à des noyaux et permet
une récupération facile des pièces moulées ainsi qu'un recyclage aisé des matériaux
de moulage.
[0004] Elle est donc plus simple et plus économique que la technique classique. Par ailleurs,
elle offre aux concepteurs de pièces moulées une plus grande liberté en ce qui concerne
la forme desdites pièces. C'est pourquoi cette technique s'avère de plus en plus séduisante
du point de vue industriel. Cependant, elle est handicapée par plusieurs inconvénients
dont deux d'entre eux résultent de mécanismes métallurgiques classiques, à savoir
:
- la relative lenteur de la solidification qui favorise la formation dans les pièces
moulées obtenues de piqûres de gazage provenant de l'hydrogène dissous dans l'alliage
d'aluminium liquide
- la relative faiblesse des gradients thermiques qui favorise la formation de microretassures
malgré la présence de masselottes.
[0005] C'est dans le but d'éviter de tels inconvénients que la demanderesse a proposé dans
le brevet français No.2606688 une invention consistant à appliquer sur le moule après
remplissage et avant que la fraction solidifiée du métal ne dépasse 40% en poids une
pression gazeuse isostatique de valeur maximale comprise entre 0,5 et 1,5 MPa.
[0006] Ainsi le procédé selon cette demande comprend les étapes classiques du moulage à
mousse perdue, à savoir :
- mettre en oeuvre un modèle de la pièce à mouler formé d'une mousse en matière organique
revêtue d'un film de matériau réfractaire;
- immerger ledit modèle dans un moule formé de sable sec sans liant;
- remplir le moule avec le métal à l'état fondu pour brûler ledit modèle, ce remplissage
s'effectuant par l'intermédiaire d'un orifice d'alimentation mettant en relation le
modèle avec l'extérieur du moule;
- évacuer les vapeurs et résidus liquides émis par ledit modèle pendant sa combustion;
- permettre au métal fondu de se solidifier pour obtenir la pièce;
procédé que la demanderesse a amélioré en ce sens que lorsque le moule est rempli
complètement, c'est-à-dire quand le métal s'est substitué entièrement au modèle et
que la majeure partie des vapeurs a été évacuée, elle applique une pression gazeuse
sur le moule; cette opération pouvant être réalisée en plaçant le moule dans une enceinte
apte à tenir à la pression et reliée à une source de gaz sous pression.
[0007] Cette opération peut être faite immédiatement après le remplissage alors que le métal
est encore entièrement liquide, mais elle peut encore avoir lieu plus tard pour autant
que la fraction de dendrites solides formée au cours de la solidification dans le
moule ne dépasse pas 40%, valeur au-delà de laquelle la pression n'a plus qu'un effet
négligeable.
[0008] De préférence, la valeur de la pression appliquée dans cette demande est au maximum
comprise entre 0,5 et 1,5 MPa.
[0009] Dans ces conditions, on constate que la santé des pièces obtenues est améliorée et
on explique ce phénomène par les mécanismes suivants :
- compaction des piqûres de gazage dont le volume est pratiquement réduit dans le rapport
des pressions absolues régnant au cours de la solidification. Ainsi, par exemple,
quand on applique une pression absolue de 1,1 MPa alors qu'antérieurement cette pression
était celle de l'atmosphère, à savoir 0,1 MPa, cette réduction a lieu dans un rapport
voisin de 11;
- meilleure alimentation du moule du fait que la pression, s'exerçant sur les masselottes
encore liquides, force ledit liquide à travers le réseau de dendrites qui se forme
au début de la solidification d'où une quasi suppression des microretassures.
[0010] Cependant, il a été observé dans certains cas que l'application d'une pression relative
supérieure à 0,5 MPa conduisait à l'apparition de défauts particuliers appelés "retassure
spongieuse" qu'on explique de la manière suivante : si l'alliage moulé présente un
intervalle de solidification relativement grand, il se développe au sein de la pièce
une zone pâteuse; de plus, si la distance entre la masselotte et l'endroit où se produit
la retassure est grande par rapport à l'épaisseur de la pièce, la zone pâteuse crée
une perte de charge importante sur l'alimentation en métal du moule de sorte que la
masselotte même sous l'effet de la pression extérieure n'arrive pas à jouer son rôle,
c'est-à-dire à alimenter suffisamment vite les retassures qui se forment.
[0011] Comme l'intervalle de solidification est relativement grand, la "peau" de la pièce
(partie située à l'interface métal-sable) est fragile beaucoup plus longtemps et la
pression extérieure exercée par l'application du gaz sur le sable enfonce alors cette
peau vers l'intérieur de la pièce en laissant s'infiltrer une fraction de gaz entre
les dendrites vers les retassures et en créant ainsi une retassure dite "spongieuse"
qui est aussi nuisible que la retassure classique à l'obtention de bonnes propriétés
mécaniques.
[0012] Dès lors, quand on veut mouler des pièces en un alliage d'aluminium présentant un
intervalle de solidification relativement grand, et quand la géométrie desdites pièces
conduit à avoir une distance relativement grande entre la masselotte et la zone de
retassure dite zone critique par rapport à leur épaisseur, on est amené à cherché
à éviter ces phénomènes en supprimant l'application d'une pression par exemple.
Cependant, il serait dommage de se priver de cette technique de moulage sous pression
qui par ailleurs conduit à une amélioration considérable de la qualité des pièces
moulées.
[0013] C'est pourquoi la demanderesse a essayé de résoudre ce problème et a trouvé que l'application
d'une pression relative inférieure à 0,5 MPa permettait de supprimer la retassure
spongieuse tout en conduisant à une bonne compaction des piqûres.
[0014] L'invention consiste, comme dans le brevet français No.2606688, en un procédé de
moulage à mousse perdue de pièces métalliques notamment en alliage d'aluminium dans
lequel on plonge un modèle du produit à obtenir fait d'une mousse en matière organique
dans un moule constitué par un bain de sable sec ne contenant aucun agent de liaison
puis après avoir rempli le moule avec le métal fondu et avant que la fraction solidifiée
de métal ne dépasse 40% en poids on applique une pression gazeuse isostatique sur
le moule, mais cette invention est caractérisée en ce qu'on l'utilise essentiellement
au moulage de pièces en alliage d'aluminium ayant un intervalle de solidification
supérieur à 30°C et dont la géométrie est telle que le rapport R de la longueur qui
sépare la masselotte de la ou des zone(s) critique(s) sur la moitié de l'épaisseur
moyenne de la pièce sur cette longueur est supérieure à 10 et que la pression relative
appliquée est comprise entre 0,1 et 0,5 MPa.
[0015] Ainsi, l'invention consiste en une application du procédé de base à des pièces en
alliages d'aluminium ayant un intervalle de solidification relativement grand et possédant
une géométrie particulière telle que le rapport R soit supérieur à 10 c'est-à-dire
où la distance L entre la région dans laquelle la solidification se produit au dernier
moment et la masselotte est relativement grande par rapport à l'épaisseur moyenne
e de la pièce sur cette distance.
[0016] Ce rapport est en fait celui de L sur le module M de la partie de la pièce située
entre la masselotte et la zone critique, paramètre utilisé en moulage et qui correspond
en moyenne à la moitié de l'épaisseur soit e/2 d'où (L/M) = (L/(e/2)) = 2 L/e.
[0017] Ce rapport permet de fixer la valeur de la pression maximum qu'on peut appliquer
sans risque de retassure spongieuse : ainsi plus le rapport est élevé, plus faible
devra être la valeur de la pression. On a trouvé que pour une pression de 0,5 MPa,
valeur minimum utilisée dans le brevet français No.2606688, R était voisin de 10.
Donc quand R est plus élevé, il faut utiliser une pression inférieure à 0,5 MPa et
qui peut aller jusqu'à 0,1 MPa, valeur en-dessous de laquelle la pression n'a plus
qu'un effet négligeable et peut donc être supprimée.
[0018] L'invention est applicable de préférence aux alliages à grand intervalle de solidification
tels que par exemple les Al-Cu, Al-Cu-Mg, Al-Zn-Mg, Al-Si-Cu-Mg, ainsi qu'aux alliages
Al-Si-Mg hypoeutectiques dont la teneur en silicium est de préférence inférieure ou
égale à 9% en poids.
[0019] L'invention peut être illustrée à l'aide des figures jointes qui représentent :
- fig. 1, une micrographie d'une pièce en alliage AS5U3G (composition en poids Silicium
5%, Cuivre 3%, Magnésium 1%, solde aluminium) dans laquelle R est égal à 15 et où
la pression appliquée au cours du moulage a été de 1,1 MPa.
- fig. 2, une micrographie de la même pièce mais où la pression appliquée a été seulement
de 0,30 MPa.
[0020] On constate la présence sur la figure 1 de zones noires correspondant à l'infiltration
des dendrites par le gaz et à la formation de retassure spongieuse alors que sur la
figure 2 ces zones sont pratiquement inexistantes.
[0021] L'invention sera mieux comprise à l'aide des exemples d'application suivants :
[0022] On a fabriqué des culasses de moteurs à combustion interne à partir d'un même alliage
d'aluminium (AS5U3G). Ces culasses possédaient deux types de géométrie représentées
par les figures 3 et 4 et se composaient respectivement d'une toile 1 ou 4, d'un pontet
2 ou 5 correspondant à la zone critique et d'une masselotte 3 ou 6.
Sur chacun de ces types, on a mesuré les dimensions de la zone critique : l'épaisseur
e′ et la largeur l′; les dimensions de la toile : l'épaisseur e, la largeur L et déterminé
le rapport L/e et la valeur de R = L/M.
Les culasses de chaque type ont été partagées en 2 lots et chaque lot a été soumis
lors du moulage soit à une pression relative de 0,3 MPa, soit à une pression relative
de 1,1 MPa.
Après démoulage, on a vérifié la santé des culasses en ce qui concerne la retassure
spongieuse.
Les résultats figurent dans le tableau 1.
[0023] On constate que pour une valeur de R=7,6, et quelle que soit la pression appliquée,
il n'apparaît aucune retassure spongieuse.
Pour les culasses de la figure 3, on pourra donc appliquer le procédé classique.
Par contre, pour les culasses de la figure 4 où le rapport L/M est égal à 15,4, la
retassure spongieuse apparaît sous 1,1 MPa mais pas sous 0,3 MPa.
Ces culasses devront donc être moulées suivant le procédé de l'invention pour qu'elles
soient utilisables.
[0024] L'invention trouve son application notamment dans la fabrication de culasses de moteurs
d'automobiles et de toutes pièces nécessitant de hautes caractéristiques mécaniques.
1. Procédé de moulage à mousse perdue de pièces métalliques notamment en alliage d'aluminium
dans lequel on plonge un modèle du produit à obtenir fait d'une mousse en matière
organique dans un moule constitué par un bain de sable sec ne contenant aucun agent
de liaison, puis après avoir rempli le moule avec le métal fondu et avant que la fraction
solidifiée de métal ne dépasse 40% en poids on applique une pression gazeuse isostatique
sur le moule, caractérisé en ce qu'on l'utilise essentiellement au moulage de pièces
en alliage d'aluminium ayant un intervalle de solidification supérieur à 30°C et dont
la géométrie est telle que le rapport R de la longueur qui sépare la masselotte de
la ou les zone(s) critique sur la moitié de l'épaisseur moyenne de la pièce sur cette
longueur est supérieur à 10 et que la pression relative appliquée est comprise entre
0,1 et 0,5 MPa.
2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la pression appliquée est d'autant
plus faible que le rapport R est élevé.
3. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'alliage d'aluminium appartient
au groupe constitué par les Al-Cu, Al-Cu-Mg, Al-Zn-Mg, Al-Si-Mg et Al-Si-Cu-Mg.
1. Verfahren zum Gießen mit verlorenem Schaum von Metallteilen, insbesondere aus Aluminiumlegierung,
bei dem man ein aus einem Schaum aus organischem Stoff hergestelltes Modell des zu
erhaltenden Erzeugnisses in eine Form aus einem Bad von trockenem, kein Bindemittel
enthaltendem Sand eintaucht und dann, nachdem man die Form mit dem geschmolzenen Metall
gefüllt hat und bevor der erstarrte Metallanteil 40 Gew.-% übersteigt, einen isostatischen
Gasdruck auf die Form einwirken läßt, dadurch gekennzeichnet,
daß man es wesentlich auf das Gießen von Teilen aus Aluminiumlegierung anwendet, die
einen Erstarrungsbereich über 30 °C hat und deren Geometrie derart ist, daß das Verhältnis
R der Länge, die den Einguß von der oder den kritischen Zone(n) trennt, zur Hälfte
der mittleren Dicke des Teils auf dieser Länge über 10 ist und daß der einwirkende
Relativdruck im Bereich von 0,1 bis 0,5 MPa liegt.
2. Verfahren nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der einwirkende Druck umso
niedriger ist, je höher das Verhältnis R ist.
3. Verfahren nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumlegierung
zur Gruppe gehört, die aus den Al-Cu, Al-Cu-Mg, Al-Zn-Mg, Al-Si-Mg und Al-Si-Cu-Mg
gebildet wird.
1. Process for the lost foam casting of metallic articles, in particular of aluminium
alloy, in which a pattern of the product to be obtained, made from a foam of organic
substance, is immersed in a mould formed by a bath of dry sand containing no binder
then, after having filled the mould with the molten metal and before the solidified
fraction of metal exceeds 40% by weight, an isostatic gas pressure is applied to the
mould, characterised in that it is used essentially for the casting of articles of
aluminium alloy having a solidification range higher than 30°C and of which the geometry
is such that the ratio R of the length separating the feeder from the critical zone
or zones over half the mean thickness of the article over this length is greater than
10 and the relative pressure applied is between 0.1 and 0.5 MPa.
2. Process according to claim 1, characterised in that, the higher the ratio R, the lower
the pressure applied.
3. Process according to claim 1, characterised in that the aluminium alloy belongs to
the group consisting of Al-Cu, Al-Cu-Mg, Al-Zn-Mg, Al-Si-Mg and Al-Si-Cu-Mg alloys.