Procédé de coulée pilotée sous basse pression d'un moule sous vide pour alliages d'aluminium ou de magnésium et dispositif pour sa mise en oeuvre

Description

[0001] La présente invention concerne un nouveau procédé et dispositif de coulée sous basse pression dans un moule maintenu en dépression pendant le remplissage, plus spécialement destiné à la réalisation :

• de pièces en alliages d'aluminium, magnésium, cuivre, fer, chrome, nickel,
• de pièces en matières plastiques,
• de pièces comportant des parties en fibres soumises à imprégnation, ces pièces comportant en général des parties minces.

[0002] Le procédé conventionnel de coulée sous basse pression est connu depuis le début du siècle : le métal est dans un four étanche, le moule est relié au métal par un tube. Si on élève la pression dans le four, le métal monte dans le moule. Après solidification, on décomprime le four et on recueille dans le creuset le métal de la pièce non encore solidifié.

[0003] L'art antérieur s'est attaché essentiellement à apporter deux améliorations importantes au procédé d'origine :

1) le contrôle de l'écoulement de métal,

2) le remplissage d'un moule sous vide par du métal sous pression.

[0004] Le contrôle de l'écoulement de métal consiste à donner, en chaque point du moule au front de métal qui avance, une vitesse d'écoulement :

* qui soit suffisamment élevée pour éviter que ce front ne se solidifie avant que le remplissage de l'empreinte ne soit terminé,

* et qui soit inférieure à la vitesse où apparaissent les turbulences sur ce front de métal, turbulences qui donneraient des oxydes et des inclusions de gaz.

[0005] A chaque point du moule doit donc correspondre, pour le front de métal, une vitesse optimale comprise entre les deux précédentes ; elle est fonction de la géométrie de la pièce en ce point, en particulier de l'épaisseur, de la nature du moule (métallique, en sable, en céramique), de la température du métal et du moule, de la nature du métal, etc.

[0006] Les innovations qui ont marqué la recherche d'une solution représentent trois étapes :

Première étape : 1960/1975

[0007] Dans le brevet français 1 376 884, la pression dans le four est assujettie à prendre des valeurs prédéterminées en fonction du temps. Mais comme la hauteur de métal dans le creuset diminue au fur et à mesure que les coulées se succèdent, la valeur prédéterminée pour un instant donné conduit à une position différente dans le moule lors de coulées successives.

[0008] Par ailleurs, il n'est pas tenu compte d'une correction due à la température du métal qui influe sur la viscosité du métal, donc sur sa vitesse d'écoulement.

[0009] Dans le brevet français 1 257 708 du 22/02/1960 (Griffin), le procédé utilise un dispositif de régulation pour réaliser une vitesse d'augmentation de pression constante dans le four pendant le remplissage de la pièce. Il n'y a donc pas de variation de vitesse en cours de coulée en fonction de la géométrie des différentes zones traversées par le métal. Par ailleurs il y a comme précédemment absence de correction de la vitesse par la température.

[0010] Dans le brevet français 2 276 125 du 27/06/1975 (Honsel - Werke), on utilise une installation de coulée basse pression associée à un calculateur qui fait respecter une vitesse d'augmentation dans le four propre à chaque pièce, mais constante jusqu'au palier de maintien pour solidification et, à chaque coulée, on augmente la pression de ce palier de solidification pour tenir compte du poids de métal utilisé dans la coulée précédente.

[0011] Dans ce procédé, comme dans les précédents, la vitesse d'écoulement n'est donc pas régulée en fonction de la géométrie de la pièce dans ses diverses zones. L'absence de correction due à la température est également à noter.

Deuxième étape : 1972/1975

[0012] Une approche différente de la précédente avait été faite par MM. LEFEBVRE et PICHOURON (Brevet Régie RENAULT n° 2 189 150 du 22/06/1972) où le passage du métal sur des capteurs déclenche des débits d'air de différentes valeurs pour faire varier la vitesse du métal, mais cette régulation est influencée par les fuites de gaz qui existent en général dans les fours industriels dont l'étanchéité ne peut être parfaite. La maîtrise des débits d'air ne permet donc pas d'établir des vitesses prédéterminées.

Troisième étape : 1979/1981

[0013] Pour résoudre ce problème de l'obtention d'une vitesse prédéterminée sur le front de métal à un endroit donné, P.L. et P.A. MERRIEN ont décrit dans le brevet français 7 917 317 du 03/07/1979 et le brevet européen 55 947 du 05/01/1981 l'utilisation d'un capteur de référence placé dans la veine de métal et qui détecte le passage du métal. La pression dans le four et le temps lors du passage du métal sur le capteur sont pris comme valeur zéro pour les évolutions ultérieures de la pression dans le four. Ceci permet de s'affranchir de la hauteur du métal dans le creuset lors du départ du cycle, le zéro de pression et le zéro de temps étant toujours obtenus au même point, celui du capteur de référence.

[0014] Cependant, le procédé ne tient pas compte de trois facteurs importants :

1) La pression peut augmenter dans le moule pendant le remplissage en raison des gaz produits par la combustion des résines, des insuffisances de porosité du sable, les moules coulés en basse pression n'étant en général pas ouverts. Cependant, une technique avec moules ouverts existe. La contre-pression produite par les gaz réduit d'autant la pression qui provoque le mouvement du métal et diminue sa vitesse. Ce phénomène est aléatoire et la régulation de la vitesse du métal doit donc être faite par la différence de pression entre le four et le moule, et non par la seule pression du four.

2) Au cours de la coulée, la hauteur du métal dans le creuset diminue et une partie de l'augmentation de la pression dans le four est utilisée pour compenser cette perte de hauteur. La vitesse prédéterminée à obtenir en un point donné doit donc tenir compte de cette variation qui peut être considérable pour de grandes pièces et atteindre l'ordre de grandeur d'un mètre, soit l'équivalent de la pression utilisée pour remplir la pièce.

3) Le capteur de référence qui détecte le passage du métal dans les brevets cités de P.L et .P.A. MERRIEN est un capteur à détection dynamique, dont l'inertie, quoique faible, se traduit par un décalage de position pour le point du moule où doit être obtenue la vitesse de métal prédéterminée.

[0015] La présente invention apporte une solution à ces trois problèmes qui concernent le contrôle de l'écoulement du métal :

• en régulant la vitesse du métal à partir de la différence de pression entre le four et le moule,
• en tenant compte de la diminution de hauteur du métal en cours de coulée,
• en remplaçant le capteur dynamique par un capteur à détection statique qui définit avec précision le point origine de l'évolution de pression dans le four, et ceci dès le départ du cycle.

[0016] Le second groupe d'améliorations au procédé de coulée basse pression d'origine, le remplissage d'un moule sous vide par du métal sous pression, a fait l'objet de plusieurs approches dont essentiellement :

* Brevet E2 096 074 (Charbonnier-Goliard, Société CEGEDUR)
Les deux enceintes contenant l'une le métal, l'autre le moule, sont mises sous une même dépression, puis on établit dans l'enceinte métal un excès de pression ΔP qui permet au métal de remplir le moule et qui est maintenu constant jusqu'à la fin de la solidification.

* Brevet FR A2 556 996 (Belocci, Société PONT à MOUSSON).
Dans ce brevet, l'enceinte moule et l'enceinte métal sont au départ sous une même dépression ou à la pression atmosphérique. Par établissement d'une différence de pression entre les deux enceintes, le métal est amené à l'entrée du moule. A partir de ce point, dont la précision dépend de la hauteur du métal dans le four en l'absence de capteur, on applique dans le four une surpression par rapport à l'enceinte moule pour remplir le moule. La surpression est obtenue par l'introduction de gaz dans le four à travers une conduite sous une pression déterminée, sans régulation.

* Brevet US A2 997 756 (C.F. STROM, 1956) et Brevet US A1 703 739 (W. KLEPSCH, 1929)
Ils concernent le remplissage d'un lingot en moule métallique, mis dans une enceinte sous vide, par un métal mis dans une enceinte dont la pression s'élève.

* PATENT ABSTRACTS OF JAPAN AND JPA 61 095 760 (Toyota, 1986)
Le métal et le moule sont dans deux enceintes sous pression réduite. Le remplissage se fait en augmentant la pression dans l'enceinte métal.

* Brevet US 5 042 561 (CHANDLEY, Sté HITCHINER)
Le moule sous atmosphère privée d'air et portant son tube d'injection est posé sur le four qui est également avec une atmosphère sans air. Moule et four sont au départ à la pression atmosphérique. On fait un vide supplémentaire dans la chambre du moule pour faire monter le métal. Pendant la solidification, ce vide supplémentaire est maintenu.

[0017] Dans tous ces procédés, le métal remplit le moule avec des vitesses quelconques : on exerce une pression constante sur le métal (Cegedur, Pont à Mousson) ou on crée une dépression supplémentaire dans la chambre du moule (Hitchiner, Strom, Klepsch).

[0018] L'objet de la présente invention est double :

a) Assurer le remplissage du moule maintenu en dépression ou sous vide tout en respectant des conditions prédéterminées de vitesse en chaque point du moule pour établir en ces points des conditions qui permettent d'obtenir les caractéristiques métallurgiques optimales et de les reproduire à partir d'un seul capteur situé hors du moule et de la veine de métal. Ce capteur donne à l'appareil de régulation la position du métal dans le creuset au départ du cycle et l'évolution de cette position en cours de cycle pour lui permettre d'effectuer les corrections.

b) Assurer une solidification sous pression afin d'éviter le dégagement de gaz occlus, qui se ferait au cours d'une solidification effectuée sous vide, même partiel. Ce passage du métal d'un état sous vide à un état sous pression se fait dans la présente invention selon une évolution prédéterminée pour atteindre le niveau de pression désiré.

1) L'enceinte moule et l'enceinte creuset qui sont au départ à la pression atmosphérique sont amenées à un même niveau de dépression qui est prédéterminé.

2) Un capteur de niveau de métal mesure ce niveau et informe un appareil de pilotage.

3) Puis on injecte dans l'enceinte creuset un gaz approprié au métal à couler (air ou azote pour les alliages d'aluminium ; CO₂ + SF₆, argon + SF₆ pour les alliages de magnésium), tandis que l'enceinte moule est maintenue au niveau de vide de la première étape ou à un niveau voisin, qui évolue en raison des dégagements de gaz qui sont produits dans le moule par la combustion des résines du sable.
Un appareil de pilotage reçoit à tout instant les informations des capteurs qui lui donnent :

* d'une part, le ΔP entre la pression dans le moule et celle dans l'enceinte creuset,

* d'autre part, la différence entre la quantité de métal dans le creuset au départ du cycle et la quantité présente à l'instant considéré. Cette diminution de la quantité de métal dans le creuset peut être déterminée par exemple en mesurant le ΔH de hauteur de la surface libre du métal liquide entre les instants considérés ou bien la différence de masse.

Par ailleurs, à l'entrée du moule, un capteur de température à réponse rapide donne la température du métal au passage, donc le AT entre la température réelle du métal et la température de référence retenue pour cette pièce au titre des paramètres. L'appareil de pilotage assujettit le ΔP corrigé par le ΔH et le ΔT à prendre des valeurs prédéterminées.

4) Lorsque le remplissage du moule est terminé, on établit sur le métal une surpression selon une évolution prédéterminée pour assurer l'alimentation de la pièce qui va se solidifier, c'est-à-dire la montée du métal liquide depuis le creuset et le système de coulée jusqu'aux zones qui vont se contracter au cours de la solidification.

5) Cette surpression ayant été établie, l'enceinte moule est rapidement mise à la pression atmosphérique, et l'enceinte creuset est portée à une pression supérieure ou égale à la pression prédéterminée supérieure à celle de l'enceinte moule. Ce stade va durer jusqu'à la fin de la solidification de la pièce.
Ces pressions dans les deux enceintes, lors de la solidification de la pièce, peuvent être :

* d'un niveau faible (0 à 1 bar, d'où le nom de basse pression) pour des coulées classiques,

* ou d'un niveau élevé (plusieurs dizaines de bars) pour des cas spéciaux comme des pièces comportant des éléments en matériaux composites à matrice métalliques.

6) A la fin de la solidification, les deux enceintes sont décomprimées pour revenir à la pression atmosphérique avec des vitesses prédéterminées pour éviter des turbulences dans le creuset au retour du métal.

[0019] L'enceinte creuset peut également rester sous une pression résiduelle pour conserver le métal dans la partie supérieure du tube.

[0020] Dans les évolutions de pression après le remplissage du moule, c'est le ΔP entre l'enceinte creuset et l'enceinte moule qui sert à la régulation de la pression dans le four par l'appareil de pilotage, car le capteur de pression dans le moule est devenu inopérant après son remplissage.

[0021] A noter par ailleurs quelques cas particuliers :

* Un niveau de vide zéro correspond à la coulée conventionnelle basse pression avec moule et métal à la pression atmosphérique au départ de l'injection. Le procédé apporte alors sa régulation spéciale de la vitesse du métal et de la surpression avec correction due à la hauteur du métal dans le creuset et a la température d'entrée dans le moule (cycle représenté figure 7).

* Un niveau de vide au-dessus de 500 millibars résiduels est utilisé pour les alliages de magnésium, variable selon la nature de l'alliage (cycle représenté figure 5).
A la fin du remplissage du moule, on peut ne pas établir de surpression, avoir des masselottes ouvertes à la partie supérieure et assurer la solidification sous gravité de la partie haute de la pièce et sous pression de la partie basse.
Le procédé apporte dans ce cas la régulation de la vitesse lors du remplissage et le maintien du métal au niveau supérieur lors de la solidification (cycle représenté figure 9).

[0022] D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va suivre d'un mode de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, donnée uniquement à titre d'exemple et en référence aux dessins annexés sur lesquels :

• la figure 1 est un schéma d'une installation permettant la mise en oeuvre du procédé pour les alliages d'aluminium avec vide et pression,
• la figure 2 est le schéma correspondant pour les alliages de magnésium avec vide et pression,
• la figure 3 est un schéma d'installation permettant la mise en oeuvre du procédé où le moule est à la pression atmosphérique, donc sans utilisation de vide, mais avec pression sur le métal,
• les figures 4, 5, 7, 8 et 9 représentent des courbes graphiques de la pression en fonction du temps,
• la figure 6 représente un schéma de principe du procédé de l'invention,
• la figure 10 représente une vue en coupe d'un capteur de présence.

[0023] Dans l'installation représentée figure 1, le four étanche 1 est chauffé par des résistances 2 non protégées, car fonctionnant en présence d'air pour l'aluminium. Le creuset 3 contient le métal.

[0024] Un tube 4 relie le creuset 3 au moule 5. Il est muni à sa partie supérieure d'un ensemble chauffé électriquement et régulé -1 qui constitue avec le tube un ensemble monobloc. Cette partie supérieure, appelée buse, est dans la technique habituelle des coulées basse pression, séparée du tube pour des raisons de démontabilité. Mais dans les applications avec mise sous vide du moule 5, la surface d'appui entre la buse et le tube devrait être munie de joints toriques pour assurer l'étanchéité. Ils sont réalisés en polymère et, étant susceptibles d'être détruits à 250°C, ils doivent être refroidis par des chambres de circulation d'air dans les semelles d'appui de la buse et du tube. Tout défaut d'étanchéité à ce niveau provoque une entrée d'air dans le métal du tube et donc des inclusions d'air dans la pièce en cours de réalisation par remplissage du moule.

[0025] Ces inclusions d'air forment des bulles qui sont à la pression atmosphérique à 20°, passent dans la veine de métal à 750°C et sous quelques millibars (3 à 10 mbar). Leur volume est ainsi multiplié par un facteur de 1 000.

[0026] Ces bulles éclatent et se dispersent dans la pièce sous forme d'un fin brouillard qui, après solidification du métal, va fragiliser fortement la structure de la pièce. L'intérêt de les supprimer apparaît donc clairement.

[0027] Les joints polymères 4₂ à la partie supérieure de la buse sont refroidis par la plaque portant le moule dont la température est comprise entre 20 et 40°C, et ce refroidissement leur assure un fonctionnement satisfaisant.

[0028] L'ensemble monobloc tube-buse est électriquement chauffé et régulé.

[0029] Cet ensemble repose sur le plateau mobile 7 et est appliqué sous la table de coulée 8 par la poussée verticale du four qui est monté sur un vérin.

[0030] Le moule 5 est sur la table de coulée 8.

[0031] Dans le four, les moyens de détermination en continu de la quantité de métal présent dans le creuset comprennent un capteur de mesure de hauteur constitué par un flotteur 10 à l'extrémité d'un levier 11 articulé en 12.

[0032] Le secteur 13 est solidaire du levier 11 et entraîne une roue dentée 14 qui entraîne elle-même un capteur de mesure d'angle de type classique par exemple comme les potentiomètres rotatifs. La roue dentée 14 est également solidaire du moteur pour être amenée dans une position déterminée servant de référence.

[0033] Le flotteur 10 est en graphite pour résister à la dissolution par l'aluminium liquide et être d'une densité plus faible. Les autres éléments du dispositif sont en acier réfractaire résistant à la corrosion à haute température vis-à-vis des gaz corrosifs qui sont utilisés dans le cas du magnésium. le capteur de hauteur de métal donne ses indications à l'appareil de pilotage 15.

[0034] Le four porte une canalisation 17 d'injection de gaz avec son électrovanne pilotée 18 à ouverture proportionnelle dirigée par l'appareil de pilotage 15 et un tube de décompression 19 avec son électrovanne pilotée 20 qui est par exemple du type tout ou rien.

[0035] La vanne proportionnelle de mise en pression apporte en effet une vitesse régulière de montée au métal à l'inverse d'une vanne tout ou rien qui donne des petits paliers d'arrêt dans le cas des basses vitesses, inférieures à 3 à 4 cm par seconde. Par contre, à la décompression, la pièce est solide et la vanne tout ou rien est sans inconvénient.

[0036] Des capteurs de pression sont disposés, dans le moule 5 en 26, dans la cloche 35 en 44, dans le four 1 en 30 et à l'entrée du moule est prévu un capteur de température de métal, couple à réponse rapide 27.

[0037] La cloche 35 est mise sous vide par la tubulure 36-38 avec son électrovanne 37 ; le four 1 est mis sous vide par le tube 40 muni d'une électrovanne. Les deux canalisations venant du four et de la cloche sont reliées à la pompe à vide 47.

[0038] La cloche 35 porte un tube de mise à l'air libre 41 avec son électrovanne 42. Toutes les informations des capteurs arrivent dans le pupitre 28 qui contient en outre des automates programmables pour diriger les actions autres que celles du cycle de coulée (mouvements du four, du moule...).

[0039] Par ailleurs, un capteur de présence, situé dans la buse, permet de détecter le passage du métal lorsqu'il se présente devant lui. Il est composé selon la figure 9 d'un tube 60 en acier réfractaire à l'extrémité duquel est une pastille 61 sur laquelle est sondée l'extrémité d'un couple 62. Dans l'intérieur, il y a une circulation d'air comprimé, avec arrivée 63 portant son électrovanne 64 et une sortie à l'air libre 65. L'électrovanne 64 est à ouverture proportionnelle.

[0040] Elle est pilotée par l'appareil de pilotage 15 pour obtenir sur la pastille 61, avant départ du cycle de coulée, une température dans un intervalle déterminé qui est nécessaire pour avoir une détection satisfaisante du choc thermique.

[0041] Cette circulation d'air qui refroidit la pastille 61 permet de protéger le couple contre la dissolution par l'aluminium liquide et permet d'enregistrer le choc thermique lors du passage du métal. Ce traitement est fait par le logiciel de l'appareil de pilotage 15 qui reçoit les informations du capteur. L'appareil de pilotage s'en sert non pour diriger la courbe du cycle de coulée qui est sous la dépendance du capteur de hauteur de métal, mais il s'en sert dans ses calculs dans le cas des coulées sans surpression, avec moules ouverts.

[0042] Une deuxième forme du dispositif pour mettre en oeuvre le procédé existe pour les applications aux alliages de magnésium et est représentée figure 2 avec possibilité de vide sur le moule et/ou d'atmosphère spéciale protectrice.

[0043] Le dispositif est le même que précédemment et, sur la figure 2, les éléments correspondant à ceux de figure sont affectés d'un indice b au lieu de a.

[0044] Les modifications pour le magnésium sont :

• La buse 41 liée en un ensemble monobloc au tube 4 possède une chambre 51 au sommet de laquelle on injecte un gaz protecteur CO₂ + SF₆ ou argon + SF₆ par le tube 52 munie de l'électrovanne 53. Cette injection se fait entre deux coulées, elle permet de protéger le métal du tube 4, car la protection faite sur le creuset 3 ne l'atteint pas. Cette injection sur la buse est interrompue par l'électrovanne au départ du cycle de coulée.
• Le dispositif comporte un tube 61.1 d'injection de gaz protecteur dans la cloche 35 muni d'une électrovanne 62.1. La cloche 35 portant le moule 5 est un ensemble mobile. Avant de se présenter sur le poste de coulée, la cloche est mise sous vide, puis on introduit du gaz protecteur argon SF6 et on recommence ce cycle de purge jusqu'à obtenir une atmosphère protectrice totalement satisfaisante. La cloche 35 maintenue sous une légère surpression de gaz argon - SF₆ est alors amenée sur le poste de coulée. Ces dispositions permettent de couler le magnésium en l'absence d'oxygène.
• Les résistances 2 sont placées dans des tubes 50 en acier réfractaire pour être isolées des gaz corrosifs quand ils sont à haute température. Ces tubes sont d'épaisseur suffisante pour ne pas se déformer sous l'effet du vide ou de la pression du four 1.
• Des isolants en matériaux alumineux et non siliceux sont disposés entre la carcasse 1b du four et les résistances 2 pour résister à la corrosion des mêmes gaz.

[0045] Une troisième forme de réalisation du dispositif permettant de mettre en oeuvre le procédé est représentée figure 3. Dans ce cas, le moule est maintenu à la pression atmosphérique et sans gaz protecteur. Il n'y a pas de cloche.

[0046] Les autres éléments sont identiques à ceux des figures 1 ou 2. Ce mode de réalisation peut aussi s'appliquer à l'aluminium ou au magnésium à condition de prévoir les dispositions spéciales indiquées précédemment.

[0047] Le fonctionnement de l'ensemble est décrit ci-après avec le mode de réalisation du dispositif représenté sur la figure 1 (aluminium sous vide et pression). Dans le cas du magnésium (figure 2), le cycle est identique moyennant certaines modifications qui sont signalées dans la description.

[0048] Le moule 5 a été muni de capteurs de présence 31 (fils se mettant à la masse lors du passage du métal) pour effectuer des changements de vitesse dans la courbe de pression du four en fonction du temps si l'opération de coulée est destinée à une mise au point.

[0049] L'appareil de pilotage 15 a reçu tous les paramètres retenus (niveau de vide à atteindre, vitesses de pression dans le four en divers points de la courbe entraînant des vitesses différentes pour le front du métal, valeurs de surpression, temps de maintien, vitesse de décompression, température théorique du métal à l'entrée du moule, surface du creuset, poids et hauteur de la pièce, etc.). Les tableaux 1 et 2 donnent deux exemples des paramètres utilisés dans une coulée sous vide, respectivement d'un alliage d'aluminium d'une part et de magnésium d'autre part. Ces inscriptions figurent sur l'écran de l'appareil de pilotage 15 avant la coulée. Elles peuvent être modifiées selon des procédures classiques d'intervention sur les ordinateurs. La courbe correspondant au tableau 1 est illustrée sur la figure 4, celle correspondant au tableau 2 est illustrée sur la figure 5.

[0050] Les deux enceintes, celle du métal 1 et celle du moule 35, sont à la pression atmosphérique. L'enceinte moule peut être sous atmosphère protectrice comme indiqué précédemment.

[0051] Le module de sécurité compris dans le bloc 28 associé à l'appareil de pilotage 15 vérifie que les conditions nécessaires au bon fonctionnement de la machine sont satisfaisantes, en particulier :

* que le moule 5 est verrouillé sur la table 8,

* que l'étanchéité entre tube 4 et moule 5 est satisfaisante,

* que l'injection de gaz dans le tube 4 (cas du magnésium) se fait bien, que le four 1 est décomprimé, etc.

[0052] Si toutes ces conditions de sécurité sont satisfaites et si la température du métal et celle de la buse sont aux valeurs théoriques à la tolérance près, la coulée peut commencer.

[0053] L'opérateur met la pompe à vide 47 en marche ; les électrovannes 37 et 40 sont ouvertes par l'appareil de pilotage 15 et les deux enceintes 1, 35 sont portées au niveau de vide désiré (phases 1 et 2 de la courbe figure 4).

[0054] Pendant cette phase qui précède le départ de l'injection de métal, l'appareil de pilotage vérifie que le fonctionnement du détecteur de niveau de métal dans le creuset 3 est correct l'engrenage 14 relève alors le secteur 13, puis est ramené à la position de départ et on vérifie que l'indication du capteur de déplacement revient à la valeur de départ, que le niveau de vide désiré pour les deux enceintes est atteint. Toutes ces conditions sont affectées d'une tolérance

[0055] Si toutes ces conditions sont satisfaites, l'appareil de pilotage donne l'autorisation de démarrer la coulée. Au déclenchement de l'injection par l'opérateur :

• la vanne 40 de mise sous vide du four 1 se ferme,
• la vanne 18 de mise en pression du four s'ouvre,
• la vanne 53 d'injection de gaz dans la buse se ferme, (dans le cas du magnésium),
• la vanne 42 de mise à l'air libre de la cloche 35 se ferme.

[0056] Au cours de la phase 3, l'appareil de pilotage établit dans le four une évolution de pression conforme aux paramètres qu'il a reçus pour remplir le tube. La vitesse du métal est assez rapide (20 cm/s environ pendant cette phase 3 de la courbe de la figure 4).

[0057] Pour la phase 4, lorsque le métal arrive à la partie inférieure de la buse, l'appareil de pilotage ralentit sa vitesse (3 cm/s) jusqu'à l'entrée dans le moule au passage sur le capteur de température 27 (cette phase 4 de la courbe commence à l'entrée de la buse et se termine après le passage sur le capteur de température 27).

[0058] Au passage, le métal a été détecté par le capteur de présence 31 de la buse.

[0059] A la phase 5, le métal pénètre dans le moule 5 et l'appareil de pilotage 15 établit dans le four 1 une pression qui tient compte des paramètres reçus avant la coulée et des corrections que l'appareil apporte en raison :

• de la hauteur du métal qui évolue dans le creuset 3,
• et de la température du métal qui a été détectée au passage sur le capteur 27.

[0060] Ces corrections peuvent atteindre le même ordre de grandeur que les paramètres à respecter ; elles sont donc indispensables pour établir en chaque point du moule des conditions appropriées et prédéterminées. Pendant cette phase 5 de remplissage, la vitesse évolue, dirigée par l'appareil de pilotage, comme indiqué, à partir de la différence de pression dans le four 1 (capteur 30) et dans le moule 5 (capteur 26). Les changements de vitesse se font à partir des capteur de présence du moule dans le cas des coulées de mise au point ou par le temps des phases si la coulée est faite dans des conditions automatiques, sans capteur de présence.

[0061] La phase 6 correspond à la fin du remplissage du moule, l'appareil de pilotage établit une surpression sur le métal selon des paramètres prédéterminés de vitesse et de temps pour éviter la pénétration du métal entre les grains de sable (abreuvage) de la paroi du moule.

[0062] La phase 7 correspond à la fin de cet établissement de surpression qui dure de l'ordre de 6 s, l'enceinte moule 5 est ramenée à la pression atmosphérique rapidement (2 à 3 s) par fermeture de la vanne 37 de vide et ouverture de la vanne 42 de mise à l'air libre et le four 1 est mis très rapidement à une pression supérieure en fonction de l'application envisagée :

• pression inférieure à 1 bar pour les coulées conventionnelles,
• ou plus élevée jusqu'à plusieurs dizaines de bars pour des applications spéciales, comme des pièces comportant des éléments de matériaux composites. La pression finale dans l'enceinte moule peut être différente de la pression atmosphérique.

[0063] A la phase 8, lorsque ces pressions ont été atteintes dans les deux enceintes, l'appareil de pilotage maintient les niveaux obtenus pendant le temps de solidification de la pièce. La régulation est faite par la différence de pression entre la pression du four (capteur 30) et la pression cloche (capteur 44), car le capteur du moule 26 est devenu inopérant, l'atmosphère du moule ayant disparu.

[0064] A la phase 9, au terme de la solidification, donné par l'indication temps des paramètres de la pièce ou par l'indication d'un capteur de température du métal, le four est décomprimé. Il revient à la pression atmosphérique, selon une courbe prédéterminée par action de l'appareil de pilotage sur la vanne pilotée 20 pour éviter les turbulences provoquées par le retour du métal dans le creuset 3. Cette courbe peut traduire une dépressurisation linéaire et prendre la forme d'une droite correspondant à une vitesse de dépressurisation d₁ ou d₂. Ces vitesses sont reliées de manière proportionnelle à la vitesse de descente du métal dans le tube sous l'effet de la dépressurisation du four et sont donc exprimées dans les tableaux 1 et 2 en cm/s.

[0065] On peut également contrôler le refroidissement et la solidification du métal en injectant de l'azote liquide dans le moule à des endroits prédéterminés.

[0066] La pression finale du four peut être différente de la pression atmosphérique, en particulier si on veut laisser le métal dans le haut du creuset.

[0067] Différents cas particuliers se présentent, qui ont été indiqués précédemment :

[0068] La figure 5 correspond au cycle pour alliage de magnésium avec vide de départ limité à un niveau permettant d'éviter l'émission de vapeur de magnésium.

[0069] La figure 7 correspond au cycle sans vide sur le métal et sur le moule, c'est-à-dire la coulée basse pression conventionnelle. Le procédé apporte alors le pilotage de la courbe de coulée pour obtenir les conditions prédéterminées et, dans le cas du magnésium, le moule est sous la cloche 35 de la figure 2 pour être maintenu sous atmosphère spéciale.

[0070] Par ailleurs, dans le cas du magnésium, les résistances doivent être dans des tubes résistant à la corrosion du CO₂-SF₆ et ne sont pas sous vide. Quant aux isolants du four, ils sont à base de matériaux susceptibles de n'être pas attaqués par le CO₂-SF₆.

[0071] La figure 8 correspond au cycle de pression avec vide, mais sans surpression sur le métal après la fin du remplissage du moule. La cloche est ramenée à la pression atmosphérique et le four est porté à une pression supérieure à la pression atmosphérique en maintenant constante la différente de pression ΔP qui existe à la fin du remplissage du moule. Ce procédé permet de couler un moule sous vide avec masselottes ouvertes pour que la partie basse de la pièce se solidifie sous pression avec alimentation venant du système de coulée et que la partie haute se solidifie sous pression atmosphérique avec alimentation par les masselottes ouvertes à la partie supérieure.

[0072] La figure 9 correspond à un cycle de coulée analogue mais sans vide.

[0073] Ces sept cycles dont le nombre n'est pas limitatif ne diffèrent donc que par la valeur des paramètres utilisés par l'appareil de pilotage.

[0074] Celui-ci est constitué sous sa forme la plus simple par un micro-ordinateur servi par un logiciel qui permet de diriger ces cycles à partir de deux éléments indépendants des paramètres :

• la quantité ou la hauteur du métal dans le creuset à l'origine et tout au long du cycle,
• et la température du métal à l'entrée du moule.

[0075] Le schéma de la figure 6 représente le principe du procédé de l'invention dans les différents cas :

• A : désigne la mesure de pression prise dans le four 1 par le capteur 30.
• B : désigne la mesure de pression prise dans le moule 5 par le capteur 26.
• C : désigne la mesure du niveau de matériau en cours de coulée dans le creuset 3 par le capteur de mesure de hauteur 10-14.
• D : désigne la température de l'alliage prise à son entrée dans le moule par le capteur 27.

[0076] Ces différentes mesures sont transmises à un étage de comparaison E de l'appareil de pilotage 15 et comparées à des paramètres de référence préalablement déterminés et inscrits dans l'appareil 15.

[0077] L'appareil de pilotage 15 commande alors l'électrovanne 18 afin d'ajuster la pression dans le four 1 pour que la vitesse de coulée corresponde aux paramètres préalablement inscrits.

Revendications

1. Procédé de coulée sous basse pression dans un moule sous vide plus particulièrement destiné à la réalisation de pièces à parties minces, à partir d'un creuset placé dans un four du type qui consiste à mettre en communication le moule et le four sous un même vide, à introduire le métal dans le moule par mise en pression du four, à ramener à la fin du remplissage le moule et le four à des pressions supérieures ou égales à la pression atmosphérique ; la pression du four restant supérieure à celle du moule ; et à maintenir ces pressions pendant le refroidissement et la solidification du métal et enfin à décomprimer le four pour le ramener à la pression atmosphérique,
caractérisé en ce que les variations de vitesse et de pression du métal dans le moule sont en tout point du moule asservies dès l'origine à des valeurs prédéterminées en fonction de la quantité de métal dans le creuset à l'origine et tout au long du cycle.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la quantité de métal est prise comme fonction de la hauteur du métal dans le creuset.

3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les variations de vitesse et de pression du métal dans le moule sont en tout point du moule asservies dès l'origine à des valeurs prédéterminées en fonction de la température du métal à l'entrée du moule.

4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on place le moule et le creuset dans deux enceintes distinctes et en ce qu'on porte les deux enceintes à un même niveau de pression ou de vide, ce niveau pouvant être celui de la pression atmosphérique, on établit ensuite une différence de pression entre les deux enceintes pour introduire le métal dans le moule, on exerce une surpression après remplissage puis on amène les deux enceintes à des pressions finales où on les maintient pendant la solidification avant de les décomprimer.

5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'on contrôle le refroidissement et la solidification du métal en injectant de l'azote liquide dans le moule à des endroits prédéterminés.

6. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 5, comprenant un creuset (3) placé dans un four étanche (1a), un moule placé sous une cloche (35), le four et la cloche étant reliés à une pompe à vide (47) par des canalisations munies d'électrovannes d'isolement (37, 40), et des moyens de communication entre le four et le moule,
caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens (10-14) pour déterminer de façon continue la quantité de métal dans le creuset, lesdits moyens étant couplés à un appareil de pilotage (15) qui applique dans le four une évolution de pression de façon à établir dans le moule les conditions de vitesse et de pression prédéterminées.

7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens de détermination de la quantité de métal dans le creuset comprennent un levier articulé (11) portant à son extrémité un flotteur amovible (10) destiné à se positionner à la surface libre du métal et qui est muni d'un secteur denté (13) se déplaçant au contact d'un mécanisme d'engrenages (14) entraîné par un moteur, et relié à un capteur de rotation associé audit appareil de pilotage (15).

8. Dispositif selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que les moyens de communication entre le four et le moule comprennent un tube et une buse formant un ensemble monobloc, ladite buse étant chauffée électriquement et régulée pour être à la température prédéterminée figurant dans les paramètres de coulée de la pièce.

9. Dispositif selon la revendications 8, caractérisé en ce que la buse est munie d'un capteur pour détecter le passage du métal constitué d'un tube (60) fermé par une pastille (61) sur laquelle est fixée l'extrémité d'un thermocouple (62), le tube étant muni d'une arrivée (63) et d'une évacuation d'air (65) pour refroidir la pastille avant départ du cycle de coulée afin qu'elle soit maintenue à une température prédéterminée.

10. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que la buse est munie d'une chambre dans laquelle est injecté un gaz protecteur pour protéger le métal situé dans le tube et munie à sa partie supérieure de joints d'étanchéité toriques refroidis par une chambre avec circulation d'air située à l'intérieur de la bride supérieure de la buse.

11. Dispositif selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que l'appareil de pilotage (15) assure la régulation en contrôlant une vanne proportionnelle fixée sur l'arrivée d'air et analyse les informations du capteur pour détecter le passage du métal par le choc thermique qu'il provoque sur la pastille portant le thermocouple.

12. Dispositif selon l'une des revendications 6 à 10, caractérisé en ce que, pour la coulée d'alliages de magnésium, les résistances sont placées dans des tubes en acier réfractaire dont le volume intérieur est à la pression atmosphérique ou à une pression distincte de celle du four et dont les dimensions sont établies pour supporter à 900°C les pressions ou dépressions existant dans le four.

13. Dispositif selon l'une des revendications 6 à 11, caractérisé en ce que les isolants du four sont en matériaux ne comportant pas de produits siliceux, par exemple des produits à base alumine susceptibles de résister aux agressions par le CO₂ - SF₆.

14. Utilisation du procédé selon l'une des revendications 1 à 5, pour la réalisation de pièces en alliages métalliques tels que ceux d'Al, Mg, Cu, Fe, Cr, Ni et/ou comportant des parties en fibres imprégnées par le métal, ou bien des pièces en polymères organiques.

Claims

1. A process of low pressure pouring into a mould under vacuum, more particularly intended for the production of parts having thin portions, from a crucible placed in a furnace, of the type comprising the steps of: communicating the mould and the furnace under one vacuum; introducing the metal into the mould by pressurising the furnace; once filling is complete, bringing the mould and the furnace down to pressure values higher than, or equal to, the atmospheric pressure, the mould pressure remaining higher than the furnace pressure; and maintaining these pressure values during the cooling and solidification of the metal; and finally depressurising the furnace to bring it back to the atmospheric pressure,
   characterised in that the variations of the metal velocity and pressure at any point inside the mould are controlled from the origin to predetermined values based on the amount of metal in the crucible at the origin and throughout the cycle.

2. A process according to claim 1, characterised in that the amount of metal is taken as a function of the metal height in the crucible.

3. A process according to claim 1 or claim 2, characterised in that the variations of the metal velocity and pressure at any point inside the mould are controlled from the origin to predetermined values based on the temperature of the metal at the mould inlet.

4. A process according to any one of claims 1, 2 or 3, characterised in that the mould and the crucible are placed inside two separate chambers and in that both chambers are brought to the same pressure or vacuum level, wherein said level can be the atmospheric pressure level, then a pressure difference is created between the two chambers so that the metal is introduced into the mould, a pressurisation is established once filling is complete, and the two chambers are brought to final pressure values and maintained at these values during solidification, then they are depressurised.

5. A process according to any one of claims 1 to 4, characterised in that the cooling and solidification of the metal is controlled by injection of liquid nitrogen at predetermined locations into the mould.

6. A device for practising the process according to any one of claims 1 to 5, comprising a crucible (3) placed in a tight furnace (1a); a mould placed under a bell (35), the furnace and the bell being connected to a vacuum pump (47) via pipes fitted with isolating solenoid valves (37, 40); and communication means between the furnace and the mould,
   characterised in that it further comprises means for continuously determining the amount of metal, said means being coupled to a pilot device (15) that applies a pressure profile inside the furnace in order to create the predetermined velocity and pressure conditions inside the mould.

7. A device according to claim 6, characterised in that the means for determining the amount of metal in the crucible comprise a slewable lever (11) carrying at its end a removable float (10) for positioning on the free surface of the metal and fitted with a toothed sector (13) moving in contact with a gear mechanism (14) driven by a motor, and connected to a rotation sensor associated to said pilot device (15).

8. A device according to claim 6 or claim 7, characterised in that the communications means between the furnace and the mould comprise a tube and a nozzle forming an integral member, said nozzle being electrically heated and controlled to have the predetermined temperature defined in the casting parameters for the part.

9. A device according to claim 8, characterised in that the nozzle is fitted with a sensor for detecting the passage of the metal, comprising a tube (60) closed by means of a cap (61) on which the end of a thermocouple (62) is fastened, the tube having one air inlet (63) and one air escape (65) for cooling the cap before a pouring cycle is started so that it is maintained at a predetermined temperature.

10. A device according to claim 8, characterised in that the nozzle is fitted with a chamber into which a protective gas is injected for protecting the metal in the tube and fitted at its upper part with sealing rings cooled by a chamber with air circulation located inside the upper flange of the nozzle.

11. A device according to any one of claims 6 to 9, characterised in that the pilot device (15) performs the control by operating a proportional valve fitted on the air inlet and analyses the data from the sensor in order to detect the passage of the metal by the thermal shock produced on the cap carrying the thermocouple.

12. A device according to any one of claims 6 to 10, characterised in that, for pouring magnesium alloys, the heating elements are placed in refractory steel tubes having an internal volume which is at the atmospheric pressure or at a pressure different from the furnace pressure and being dimensioned to withstand at 900 °C the positive or negative pressures that exist in the furnace.

13. A device according to any one of claims 6 to 11, characterised in that the furnace insulation is made of materials free of silica products, e.g. alumina-based products, capable of withstanding the aggression of CO₂ - SF₆.

14. Use of the process according to any one of claims 1 to 5 for casting parts made of metallic alloys such as Al, Mg, Cu, Fe, Cr, Ni alloys and/or parts having portions made of fibre impregnated by the metal, or parts made of organic polymers.

Ansprüche

1. Verfahren zum Niederdruckgießen in eine Form unter Vakuum, insbesondere für die Herstellung von Gußstücken mit dünnen Teilen, aus einem in einem Ofen angeordneten Tiegel, welches darin besteht: die Form und den Ofen unter demselben Vakuum in Verbindung zu setzen; das Metall in die Form durch Druckbeaufschlagung des Ofens einzuführen; nach erfolgter Formfüllung die Drucke in der Form und im Ofen auf Werte, die höher als oder gleich dem atmosphärischen Druck sind, zu senken, wobei der Ofendruck höher als der Formdruck bleibt; und diese Druckwerte während der Metallkühlung und -Erstarrung aufrechtzuerhalten; und letztlich den Ofen zu dekomprimieren, um den Ofendruck auf den atmosphärischen Druck zu senken,
   dadurch gekennzeichnet, daß die Änderungen der Metallgeschwindigkeit und des Metalldrucks an allen Stellen in der Form von Anfang an abhängig von Werten gesteuert werden, die in Abhängigkeit von der Metallmenge im Tiegel zu Zyklusbeginn und den ganzen Zyklus hindurch vorbestimmt sind.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallmenge in Abhängigkeit von der Metallhöhe im Tiegel erfaßt wird.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderungen der Metallgeschwindigkeit und des Metalldrucks an allen Stellen in der Form von Anfang an abhängig von Werten gesteuert werden, die in Abhängigkeit von der Metalltemperatur am Anguß vorbestimmt sind.

4. Verfahren gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß man: die Form und der Ofen in zwei verschiedenen Kammern anordnet und beide Kammern auf einen gleichen Druck- bzw. Vakuumpegel bringt, wobei dieser Pegel beim atmosphärischen Druck liegen kann; eine Druckdifferenz zwischen beiden Kammern erzeugt, um das Metall in die Form einzuführen; nach erfolgter Formfüllung einen Überdruck ausübt; danach beide Kammern auf Enddruckwerte bringt und bei diesen Werten während der Erstarrung hält; und letzlich die Kammern dekomprimiert.

5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung und die Erstarrung des Metalls durch Injektion von flüssigem Stickstoff an vorbestimmten Stellen in die Form gesteuert wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bestehend aus einem in einem dichten Ofen (1a) angeordneten Tiegel (3), einer unter einer Glocke (35) angeordneten Form, wobei die Form und die Glocke über mit Absperr-Elektroventilen (37, 40) versehenen Leitungen an eine Vakuumpumpe (47) angeschlossen sind, und Verbindungsmitteln zwischen der Form und dem Ofen,
   dadurch gekennzeichnet, daß sie zusätzlich Mittel enhält, um die Metallmenge kontinuierlich zu bestimmen, wobei die gennanten Mittel an eine Steuereinheit (15) gekoppelt sind, die den Ofen mit einem Druckverlauf beaufschlägt, um die vorbestimmten Geschwindigkeits- und Druckverhältnisse in der Form herzustellen.

7. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Restimmung der Metallmenge im Tiegel aus einem Gelenkhebel (11), auf dessen Ende ein abnehmbarer auf der freien Metalloberfläche zu positionierender Schwimmer (10) angeordnet ist und die mit einem sich in Kontakt mit einem motorisch angetriebenen Räderwerk (14) bewegenden Zahnsegment (13) versehen und an einen mit der genannten Steuereinheit (15) assoziierten Drehungsaufnehmer angeschlossen ist, bestehen.

8. Vorrichtung gemäß Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsmittel zwischen der Form und dem Ofen aus einer ein integrales Element bildenden Rohr- und Düseneinheit bestehen, wobei die Düse elektrisch aufgeheizt und geregelt wird, so daß sie bei der vorbestimmten Temperatur gemäß den jeweiligen Gießparametern für das Gußstück liegt.

9. Vorrichtung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse mit einem Fühler zum Erfassen des Metalldurchlaufs versehen ist, bestehend aus einem mit einer Scheibe (61) verschlossenen Rohr (60), wobei der Ansatz eines Thermoelements (62) auf der Verschlußscheibe angeordnet ist und der Rohr einen Lufteinlaß (63) und einen Luftauslaß (65) besitzt, um die Verschlußscheibe zu kühlen, bevor der Gießzyklus beginnt, so daß sie bei einer vorbestimmten Temperatur gehalten wird.

10. Vorrichtung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse versehen ist mit: einer Kammer, in welche ein Schutzgas zum Schützen des sich im Rohr befindenden Metalls eingeblasen wird, und Runddichtringen an ihrem Oberteil, die durch eine sich im Inneren des oberen Düsenflansches befindende Kammer mit Luftumlauf gekühlt sind.

11. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (15) die Regelung leistet, indem sie ein proportionales auf dem Lufteinlaß angeordnetes Steuerventil kontrolliert und die Aufnehmerdaten analysiert, um den Metalldurchlauf an Hand des dadurch auf die das Thermoelement tragende Verschlußscheibe ausgeübten Temperaturwechsels zu erfassen.

12. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizelemente zum Gießen von Magnesiumlegierungen in hitzebeständigen Stahlrohren angeordnet sind, deren Innenraum beim atmosphärischen Druck liegt bzw. bei einem Druck, der vom Ofendruck unterschiedlich ist, und die derart dimensioniert sind, daß sie die bei 900 °C im Ofen herrschenden positiven bzw. negativen Druckwerte aushalten.

13. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ofenisolation aus kieselfreien Materialien, zum Beispiel aus tonerdeenthaltenden Produkten besteht, die CO₂- und SF₆-Angriffe standhalten können.

14. Anwendung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 für die Herstellung von Gußstücken aus Metallegierungen wie Al-, Mg-, Cu-, Fe-, Cr-, Ni-Legierungen und/oder metallgetränkte Fiberteile enthaltenden Gußstücken, oder von Spritzteilen aus organischen Polymeren.

Dessins