Moule de fonderie et son procédé de réalisation

Description

[0001] La présente invention est relative à un moule de fonderie pour alliages d'aluminium, ainsi qu'à un procédé pour sa réalisation.

[0002] Le moulage en coquille (c'est à dire au moyen d'un moule métallique) constitue un procédé éprouvé et au point sur le plan technologique, notamment pour le moulage d'alliages d'aluminium-silicium.

[0003] Classiquement, pour protéger les parois du moule des interactions entre, d'une part, l'alliage liquide et, d'autre part, l'acier ou la fonte qui constituent le moule, on revêt lesdites parois d'une couche de matériau réfractaire.

[0004] Ce revêtement est habituellement réalisé par « poteyage », c'est-à-dire par dépôt (au pinceau ou en utilisant un pistolet de projection) d'une suspension en solution, le moule ainsi revêtu étant ensuite étuvé aux alentours de 300°C pour évacuer les solvants.

[0005] Cette couche réfractaire a plusieurs fonctions.

[0006] Elle permet d'éviter l'étamage, c'est-à-dire le collage de l'alliage liquide sur les parois du moule.

[0007] Elle assure la lubrification du moule et permet de réduire les défauts de surface de celui-ci (rugosité trop importante, entailles, criques, joints d'assemblage, etc.).

[0008] En outre, de par sa « friabilité », elle facilite le démoulage : quelques grains à la surface du moule sont arrachés à chaque extraction de pièce coulée, sans pour autant altérer notablement cette surface.

[0009] Egalement, ce revêtement réfractaire protège la coquille et évite ainsi sa destruction prématurée.

[0010] En particulier, ce revêtement constitue une interface entre le moule et l'alliage liquide, qui minimise les interactions.

[0011] Il constitue également une barrière thermique qui abaisse la température maximale atteinte à la surface de la coquille et prolonge ainsi la durée de vie du moule.

[0012] En outre, un tel revêtement assure certains échanges thermiques et participe à la maîtrise de la solidification dirigée.

[0013] Cependant, la cohésion et la rugosité des revêtements réalisés par poteyage sont telles que ces revêtements se détruisent progressivement lors des cycles de fabrication des pièces de fonderie.

[0014] La technique de poteyage est de ce fait coûteuse. Elle nécessite en particulier l'immobilisation et le démontage réguliers des moules. Le poteyage a donc une incidence non négligeable sur le prix de revient des pièces.

[0015] Un but de l'invention est donc de proposer un moule de fonderie pour alliages d'aluminium qui présente un revêtement réfractaire permanent, c'est-à-dire dont la durée de vie est augmentée de façon substantielle par rapport à celle des revêtements obtenus par poteyage.

[0016] Il a déjà été proposé de remplacer les revêtements classiquement réalisés par poteyage par des couches de protection à base de Y₂O₃. On pourra avantageusement se référer à cet égard à la demande de brevet EP 252 862.

[0017] Ces couches de protection sont déposées directement sur l'acier du moule et s'avèrent d'une tenue dans le temps peu satisfaisante. Elles se détériorent rapidement du fait de la différence importante entre leur coefficient de dilatation thermique et celui du substrat sur lequel elles sont déposées.

[0018] Le document EP A 0 212 157 décrit un moule de fonderie pour la réalisation de grilles de plomb, comportant un substrat métallique revêtu d'une couche protectrice, ladite couche présentant un revêtement réfractaire céramique, ainsi qu'une sous-couche d'accrochage à base d'un alliage de chrome, de cobalt ou de nickel, interposée entre le revêtement réfractaire céramique et le substrat métallique.

[0019] Lors d'un cycle de moulage un moule de fonderie pour alliages d'aluminium est soumis à de forts écarts thermiques. Avant l'opération de coulée, il est chauffé par des brûleurs de façon à être maintenu à une température de l'ordre de 350°C. Puis, l'alliage y est coulé à une température qui est de l'ordre de 680°C dans le cas des alliages d'aluminium. Les températures des parois du moule varient donc entre 350°C et 680°C à chaque fois qu'une pièce est coulée, les cadences de coulée pouvant atteindre le rythme d'une coulée toutes les cinq minutes. Ces écarts thermiques entre le substrat et son revêtement induisent des différences de dilatation qui, par leur répétition, détruisent ledit revêtement.

[0020] Pour résoudre ce problème technique, l'invention propose un moule de fonderie pour alliages d'aluminium comportant un substrat métallique revêtu d'une couche protectrice, ladite couche présentant un revêtement en un matériau réfractaire inerte vis-à-vis du métal coulé, ainsi qu'une sous-couche d'accrochage interposée entre le revêtement et le substrat, caractérisé en ce que le revêtement est en un matériau choisi dans le groupe comprenant la mullite, l'oxyde d'yttrium et les mélanges MgO-Al₂O₃, tels que la spinelle, et en ce que la couche d'accrochage est en un alliage de nickel, de chrome, d'aluminium et d'yttrium.

[0021] L'invention propose également un procédé pour sa réalisation.

[0022] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit. Cette description est purement illustrative et non limitative. Elle doit être lue en regard de la figure unique annexée (figure 1) sur laquelle on a représenté schématiquement, en vue en coupe, un détail avec arraché d'un moule conforme à l'invention.

[0023] Le moule 1 représenté sur cette figure comporte un substrat 2, ainsi qu'un revêtement 3. Entre le substrat 2 et le revêtement 3 est interposée une couche intermédiaire 4.

[0024] Le substrat 2 est par exemple réalisé en acier Z38CDV05, cet acier étant utilisé classiquement pour réaliser les moules de fonderie et présentant une bonne résistance aux chocs thermiques.

[0025] Le matériau du revêtement 3 réfractaire est choisi pour ses qualités isolantes, réfractaires, et inertes vis-à-vis des alliages coulés. Il résiste ainsi à l'agressivité chimique des alliages coulés et permet d'éviter l'étamage.

[0026] Le revêtement 3 est réalisé en un matériau choisi dans le groupe comprenant :

• l'oxyde d'yttrium Y₂O₃,
• la mullite, de composition 3Al₂O₃ - 2SiO₂ ,
• les mélanges MgO - Al₂O₃, et parmi ceux-ci plus particulièrement la spinelle de composition Mg Al₂O₄.

[0027] La couche 4 intermédiaire constitue, pour le revêtement 3 réfractaire, une sous-couche d'accrochage. Elle est en un matériau qui est choisi de façon que ledit revêtement 3 réfractaire ne se détériore pas lors des cycles de moulage, par différence de dilatation thermique avec le substrat 2.

[0028] Cette sous-couche 4 d'accrochage est en un alliage de Ni Cr Al Y (Nickel Chrome Aluminium Yttrium), par exemple avec les pourcentages pondéraux suivants: 67 % Ni, 22 % Cr, 10 % W Al, 1 % Y et a un coefficient de dilatation thermique voisin de celui du substrat 2 et permettant un bon accrochage du revêtement 3 réfractaire.

[0029] Les coefficients thermiques de dilatation de l'acier du substrat 2 et des différents constituants cités ci-dessus pour la sous-couche 4 et le revêtement 3, sont les suivants : (en m/mK)

Z38CDV5	entre 12,6 et 13,2.10-6
Mullite	5.10-6
Al2O3	8.10-6
MgO	12 à 16.10-6
Spinelle	8,3.10-6
Y2O3	8.10-6
Ni Cr Al Y	15,2.10-6 (dans la composition ci-dessus)

[0030] A titre d'exemple non limitatif, l'épaisseur de la sous-couche 4 en alliage Ni Cr Al Y peut être comprise entre 0,02 et 0,2 mm, celle du revêtement 3 entre 0,01 et 0,11 mm lorsqu'il est en alumine-magnésie et notamment entre 0,01 et 0,03 mm lorsqu'il est en spinelle.

[0031] La cohésion, la rugosité, la dureté de la couche protectrice ainsi réalisée par le revêtement 3 et la sous-couche d'accrochage 4 sont telles que l'on n'observe pas de dégradation de la surface du moule comparée à celle observée sur un moule poteyé de manière traditionnelle. Les meilleurs résultats sont obtenus avec des revêtements 3 de spinelle.

[0032] On notera que la bonne résistance du revêtement 3 vis-à-vis des alliages d'aluminium permet d'envisager d'utiliser des aciers de moins bonne qualité que l'acier Z38CDV05 pour réaliser le substrat 2 du moule 1.

[0033] Le procédé selon l'invention pour la réalisation d'un moule 1 du type de celui qui vient d'être décrit comprend la succession d'étapes suivantes:

a) préparation de la surface du substrat 2 métallique ;

b) dépôt de la sous-couche 4 d'accrochage ; et

c) dépôt du revêtement 3 réfractaire.

[0034] Une préparation très méticuleuse du substrat 2 est nécessaire pour éliminer de la surface de celui-ci une éventuelle couche d'oxyde et créer des rugosités favorisant l'adhérence de la sous-couche 4 d'accrochage. Cette préparation de la surface à revêtir consiste avantageusement en un corindonage, c'est-à-dire en une projection (grenaillage) de corindon (alumine cristallisée), sur la surface du substrat 2.

[0035] L'opération de corindonage est réalisée au moyen d'une machine à commande numérique. L'état de surface obtenu pour les pièces à revêtir, en particulier leur rugosité, est maîtrisé de façon trés précise en jouant sur la distance entre la buse de corindonage et la pièce à revêtir, ainsi que sur l'angle d'incidence suivant lequel les particules de corindon sont projetées sur la pièce.

[0036] La qualité de cette préparation est primordiale pour le procédé conforme à l'invention, puisqu'elle conditionne l'accrochage mécanique des dépôts sur le substrat 2.

[0037] Cette préparation est préférentiellement réalisée juste avant les opérations de dépôt de la sous-couche 4 d'accrochage et du revêtement 3 réfractaire, afin de ne pas donner à la pièce revêtue le temps de s'oxyder ou de se polluer.

[0038] Selon un mode de mise en oeuvre possible avantageux du procédé de l'invention, les opérations de dépôt sont réalisées par projection thermique par torche plasma.

[0039] La torche plasma est manipulée par un robot et pilotée par un automate programmable, ce qui permet la répétitivité des opérations.

[0040] En variante, le dépôt peut également être réalisé en utilisant un chalumeau oxy-acétylénique. La matière à déposer est placée sur le substrat 2 sous forme de cordon ou de poudre, ledit substrat 2 étant porté à haute température (de l'ordre de ou supérieure à 600°C), de façon à favoriser les liaisons chimiques entre la sous-couche d'accrochage 4 et le substrat 2.

[0041] Le même soin doit être apporté à la préparation du substrat 2 par corindonage, les opérations de dépôt étant également réalisées rapidement après la préparation dudit substrat 2.

[0042] Les résultats les plus probants ont été obtenus avec la torche plasma.

[0043] En variante encore, les dépôts de la sous-couche 4 d'accrochage et du revêtement 3 peuvent être réalisés par la torche plasma sur un substrat 2 porté à haute température (de l'ordre de ou supérieure à 600°C).

[0044] L'invention permet :

• des gains substantiels au niveau du coût de fabrication des pièces produites en aluminium coulées en coquille ;
• une dotation moins importante en nombre de moules pour assurer la production d'une pièce donnée du fait de la suppression du poteyage (aujourd'hui : 8 moules en fabrication, pour 2 moules en poteyage), ce qui se traduit par une réduction des investissements pour fabriquer les pièces de fonderie ;
• une diminution de la masse des pièces produites du fait de la réduction possible des dépouilles nécessaires à l'extraction de la pièce du moule, les moules poteyés nécessitant quant à eux des dépouilles importantes de façon à éviter la dégradation rapide du poteyage à chaque démoulage de pièce ;
• l'utilisation de matériaux moins chers que ceux utilisés actuellement pour réaliser des parties de moules du fait de la résistance des dépôts.

[0045] L'invention a été décrite pour la fonderie des alliages d'aluminium en coquille par gravité. Elle s'applique bien entendu de façon générale à tout moulage en coquille, et notamment au moulage en coquille sous haute pression ou sous basse pression.

[0046] Une application avantageuse de l'invention est la fabrication de pièces pour véhicules automobiles.

Revendications

1. Moule de fonderie pour alliages d'aluminium comportant un substrat métallique (2) revêtu d'une couche protectrice (3,4), ladite couche présentant un revêtement (3) en un matériau réfractaire inerte vis-à-vis du métal coulé, ainsi qu'une sous-couche (4) d'accrochage interposée entre le revêtement (3) et le substrat (2), ledit revêtement (3) étant en un matériau choisi dans le groupe comprenant la mullite, l'oxyde d'yttrium et les mélanges MgO-Al₂O₃, tels que la spinelle, caractérisé en ce que la couche d'accrochage est en un alliage de nickel, de chrome, d'aluminium et d'yttrium.

2. Moule de fonderie selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit alliage présente la composition pondérale suivante : 67 % de nickel, 22 % de chrome, 10 % d'aluminium et 1 % d'yttrium.

3. Procédé de réalisation d'un moule (1) selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :

a) préparation de la surface du substrat (2) métallique ;

b) dépôt de la sous-couche (4) d'accrochage ; et

c) dépôt du revêtement (3).

4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'étape a) consiste à éliminer de la surface du substrat (2) une éventuelle couche d'oxyde et à créer des rugosités facilitant le dépôt de la sous-couche (4) d'accrochage.

5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'étape a) comprend une opération de grenaillage de la surface du substrat (2) avec des particules de corindon.

6. Procédé selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que les étapes b) et c) sont effectuées suffisamment rapidement après l'étape a) pour que le substrat (2) n'ait pas le temps de s'oxyder.

7. Procédé selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que l'étapes b) et/ou l'étape c) sont effectuées à l'aide d'un appareil à torche à plasma.

8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la torche est montée sur un robot et pilotée par un automate programmable afin d'obtenir des dépôts répétitifs.

9. Procédé selon l'une des revendications 3 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend une étape supplémentaire d), effectuée après l'étape a) et avant l'étape b), consistant à chauffer le substrat (2) à une température suffisante pour favoriser une liaison chimique entre le substrat (2) et la sous-couche (4) d'accrochage.

10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que ladite température est supérieure ou égale à 600°C.

11. Procédé selon l'une des revendications 3 à 10, caractérisé en ce que l'étape b) et/ou l'étape c) sont effectuées à l'aide d'un appareil tel qu'un chalumeau oxyacétylénique.

Claims

1. A foundry mold for aluminum alloys, the mold comprising a metal substrate (2) coated in a protective layer (3, 4), said layer presenting a coating (3) of refractory material that is inert to the cast metal, and a keying sublayer (4) interposed between the coating (3) and the substrate (2), said coating (3) being of a material selected from the group comprising: mullite, yttrium oxide, and MgO-Al₂O₃ mixtures such as spinel, and the mold being characterized in that the keying layer is an alloy of nickel, chromium, aluminum, and yttrium.

2. A foundry mode according to claim 1, characterized in that said alloy has the following composition by weight: 67% nickel, 22% chromium, 10% aluminum, and 1% yttrium.

3. A method of making a mold (1) according to claim 1 or 2, characterized in that it comprises the following steps:

a) preparing the surface of the metal substrate (2);

b) depositing the keying sublayer (4); and

c) depositing the coating (3).

4. A method according to claim 3, characterized in that step a) consists in eliminating any oxide layer from the surface of the substrate (2) and in creating roughnesses that facilitate deposition of the keying sublayer (4).

5. A method according to claim 4, characterized in that step a) comprises an operation of shot blasting the surface of the substrate (2) with particles of corundum.

6. A method according to any one of claims 3 to 5, characterized in that steps b) and c) are performed sufficiently soon after step a) to ensure that the substrate (2) does not have time to oxidize.

7. A method according to any one of claims 3 to 6, characterized in that step b) and/or step c) are performed by means of a plasma torch device.

8. A method according to claim 7, characterized in that the torch is mounted on a robot and controlled by a programmable controller so as to obtain repeatable deposits.

9. A method according to any one of claims 3 to 8, characterized in that it comprises an additional step d) performed after step a) and before step b), said step consisting in heating the substrate (2) to a temperature that is high enough to enhance chemical bonding between the substrate (2) and the keying underlayer (4).

10. A method according to claim 9, characterized in that said temperature is greater than or equal to 600°C.

11. A method according to any one of claims 3 to 10, characterized in that step b) and/or step c) are performed by means of a device such as an oxyacetylene torch.

Ansprüche

1. Gußform für Aluminiumlegierungen mit einem metallischen Substrat (2), das mit einer Schutzschicht (3,4) überzogen ist, wobei die Schicht einen Überzug (3) aus einem feuerfesten Material aufweist, das gegenüber dem Gußmetallinert ist, sowie eine Verankerungs-Unterschicht (4), die zwischen dem Überzug (3) und dem Substrat (2) angeordnet ist, wobei der Überzug (3) aus einem Material ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die Mullit, Yttriumoxid und MgO-Al₂O₃-Mischungen, wie den Spinell, umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Verankerungsschicht eine Legierung aus Nickel, Chrom, Aluminium und Yttrium ist.

2. Gußform nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung die folgende, auf das Gewicht bezogene Zusammensetzung aufweist: 67% Nickel, 22% Chrom, 10% Aluminium und 1% Yttrium.

3. Verfahren zur Herstellung einer Form (1) nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden Schritte umfaßt:

a) Vorbereitung der Oberfläche des metallischem Substrats (2);

b) Aufbringung der Verankerungs-Unterschicht (4); und

c) Aufbringung des Überzugs (3).

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt a) darin besteht, von der Oberfläche des Substrats (2) eine möglicherweise vorhandene Oxidschicht zu beseitigen und Aufrauhungen zu erzeugen, die das Aufbringender Verankerungs-Unterschicht (4) erleichtern.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt a) einen Arbeitsgang des Sandstrahlens der Oberfläche des Substrats (2) mit Korundpartikeln umfaßt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schritte b) und c) nach dem Schritt a) ausreichend schnell durchgeführt werden, daß das Substrat (2) nicht die Zeit hat, zu oxidieren.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schritte b) und/oder c) mit Hilfe einer Plasmabrennervorrichtung durchgeführt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner auf einem Roboter angebracht ist und durch einen Automaten gesteuert wird, der programmierbar ist, um wiederholte Aufbringungen zu erzielen.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß es einen ergänzenden Schritt d) aufweist, der nach dem Schritt a) und vor dem Schritt b) durchgeführt wird und der darin besteht, das Substrat (2) auf eine Temperatur zu erwärmen, die ausreicht, um eine chemische Verbindung zwischen dem Substrat (2) und der Verankerungs-Unterschicht (4) zu fördern.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Temperatur größer als oder gleich 600°C ist.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt b) und/oder der Schritt c) mit Hilfe einer Vorrichtung wie eines Sauerstoffacetylenbrenners durchgeführt werden.

Dessins