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AU PROCEDE DE MOULAGE A MOUSSE PERDUE ET SOUS PRESSION
DE PIECES METALLIQUES
La présente invention est relative à un procédé de moulage à mousse perdue et sous pression de pièces métalliques, notamment en aluminium et en ses alliages-Il est connu que l'homme de l'art, principalement par l'enseignement del'USP n 3 157 924, d'utiliser pour le moulage des modèles en mousse de polystyrène plongés dans un moule constitué par du sable sec ne contenant aucun agent de liaison. Dans un tel procédé, le métal à
mouler, qui a été préalablement fondu, est amené par l'intermédiaire de canaux traversant le sable au cont~ct du modèle et se substitue progressivement à ce der~ier en le brûlant et en le transformant en vapeurs q~i s'échappent entre les grains de sable.
Cette technique s'est avérée séduisante à l'échelle industrielle, parce qu'elle évite la fabrication préalable, par compactage et agglomération de matériaux réfractaires pulvérulents, de moules rigides associés de fason plus ou moins compliquée à des noyaux par l'intermédiaire de canaux, et qu'elle permet une récupération facile des pièces moulées ainsi qu'un recyclage aisé des matériaux de moulage.
Cependant, cette technique est handicapée par deux facteurs :
- la relative lenteur de la solidification qui favorise la formation de piqûres de gazage - la relative faiblesse des gradients thermiques qui peut causer une microretassure si le tracé de la pièce en rend le masselottage difficile.
~.
C'est dans le but d'éviter de tels inconvénients que la demanderesse avait mis au point un procédé de moulage à mousse perdue, objet de la demande de brevet publiée en France sous le n 2606 688 .
Cette demande enseigne qu'après avoir rempli le moule avec le métal fondu, c'est-à-dire quand le modèle a été détruit complètement par le métal, que les vapeurs émises par la mousse ont été évacuées, et de préférence avant que la solidification du métal ne s'amorce, on exerce ~V
sur l'ensemble du moule et du métal une pression gazeuse isostatique. Cette pression est appliquée suivant des valeurs croissantes dans le temps afin d'éviter le phénomène d'abreuvage et de manière que la valeur maximum soit atteinte en moins de 15 secondes.
Dans ces conditions, les pièces moulées obtenues présentent une compacité accrue qui se traduit par une amélioration des caractéristiques mécaniques notamment au niveau de la résistance.
Toutefois, la demanderesse a estimé dans cette demande, qu'il était préférable d'utiliser une pression maximum comprise entre 0,5 et 1,5 MPa et qu'il était superflu d'aller au delà de cette dernière limite.
En fait, elle s'est aper,cue après des recherches plus poussées, que si on augmentait davantage la pression, on améliorait non seulement les caractéristiques mécaniques telles que la résistance à la rupture Rm, la limite élastique LE et l'allongement A, mais également la tenue à
la fatigue F.
D'où la présente invention qui consiste en un procédé de moulage à mousse perdue et sous pression de pièces métalliques, dans lequel on plonge un modèle en mousse organique de la pièce à mouler dans un moule dont les parois sont délimitées par un bain de sable sec ne contenant aucun agent de liaison, on remplit le moule avec le métal à l'état liquide qui se substitue à la mousse et se solidifie progressivement et on applique une pression gazeuse isostatique croissante simultanément sur le moule et le métal au plus tôt à la fin du remplissage caractérisé en ce que la pression exercée s'élève jusqu'à une valeur comprise 2a entre 1,5 et 10 MPa.
De préférence, les pièces métalliques sont en aluminium ou en alliages d'aluminium.
Ainsi, l'invention consiste à mettre en oeuvre des pressions comprises entre 1,5 et 10 MPa et de préférence entre 5 et lo MPA.
Comme dans la demande de brevet Canadienne 551,918 déposée le 16 novembre 1987, la mise sous pression peut être réalisée à l'aide d'un caisson étanche dans lequel on place le moule, ledit caisson étant équipé d'une ou de plusieurs tubulures réparties convenablement sur sa paroi et reliées à une source de gaz sous pression.
Dans la gamme de pression choisie, la demanderesse a constaté que les /
phénomènes qui se produisaient au cours de la mise sous pression étaient tout à fait différents de ceux de l'art antérieur.
En effet, entre 0,5 et 1,5 MPa, la pression sert principalement à
accélérer l'écoulement du métal liquide entre les dendrites du métal en cours de solidification et l'effet s'arrête quand le réseau solide a atteint un certain développement. C'est ainsi en particulier que ces basses pressions permettent à la masselotte d'agir avec efficacité
pour éviter le phénomène de retassure dû à la contraction du métal en cours de solidification.
Par contre, sous des pressions supérieures à 1,5 MPa et notamment au-delà de 5 MPa, à l'effet d " écoulement du métal liquide, qui demeure prépondérant en début de solidification, se substitue progressivement un effet de défor~ation à chaud du réseau de métal déjà solidifié, phénomène qui devient dominant puis exclusif lorsque le tau~ de solidification atteint des valeurs voisines de 50 à 70 %
suivant ~e type d'alliage coulé. L'emploi de pressions élevées réalise ainsi une sorte de forgeage isostatique s'appliquant à la totalité de la surface de la pièce moulée.
La figure 1 ci-jointe est une micrographie d'un alliage A-S7G03 moulé
suivant l'invention sous une pression de 7 Mpa, puis traité
thermiquement. Cette micrographie révèle la déformation plastique imposée au réseau dendritique et qui a pour effet de combler les porosités, et illustre bien l'effet de forgeage auquel est soumis le métal dans ce procédé.
Dans ces conditions on constate que les caractéristiques mécaniques des pièces sont notablement améliorées et en particulier la tenue à
la fatigue. Des pressions supérieures à 10 MPa n'apportent que des améliorations très peu sensibles.
Cette nouvelle gamme de pression est appliquée de préférence avant que la quantité de métal solidifié n'atteigne 40% en poids de manière à
pouvoir agir sur l'écoulement liquide.
De préférence également, on cherche à ce que la pression qxil appliquée soit atteinte avant que la quantité de métal solidifié ne dépasse 90% afin de pouvoir bénéficier à plein de l'effet de déformation.
_ 4 _ 2 0018~S
Comme dans la demande de brevet fran~ais 2 606 688, il est préférable que l'application de la pression se fasse par accroissement progressif notamment au début de la solidifi-cation afin d'éviter l"'abreuvage", phénomène qui résulte 5 d'un déséquilibre transitoire entre la pression exercée directement sur le métal et la pression exercée sur le métal par l'intermédiaire du bain de sable. En effet, le bain provoque une perte de charge relativement importante dans la transmission de la pression et il en résulte, au niveau du 10 métal en contact avec le sable, une tendance de cette pression à chasser le métal à travers les grains de sable et à provoquer une déformation de la pièce moulée.
L'invention peut être illustrée à l'aide de l'exemple 15 d'application suivant:
Des corps creux cylindriques de diamètre extérieur 45mm, d'épaisseur de paroi 4 mm, comportant des nervures adjacentes et des bossages de 20 x 20 x 80 mm ont été moulés suivant le procédé antérieur et celui de l'invention, c'est-20 à-dire qu'on a appliqué à l'intérieur de l'enceinte contenant le moule et juste avant que la solidification s'amorce, une pression de gaz isostatique correspondant respectivement à la pression atmosphérique, à 1 MPa, à 5 MPa et à 10 MPa.
Ces corps ont été réalisés à partir de deux types d'alliages à hautes caractéristiques mécaniques:
- l'A-S7G03 de composition en poids % FeO,20; Si6,5-7,5;
CuO,10; ZnO,10; MgO,25-,0,40; MnO,10; Nio~o5; PbO,05;
SnO,05; Tio,05-0,20; solde Al;
- l'A-U5GT de composition: FeO,35; sio,20; Cu4,20-5,00;
ZnO,10; MgO,15-0,35; MnO,10; Nio,05; PbO,05; SnO,05; Tio~o5 0,30; solde Al;
2001~4~
- 4a -Les essais mécaniques effectués sur lesdits corps après des traitements thermiques normalisés Y23 pour l'A-S7G03 et Y24 pour 1 'A-U5GT ont permis de mesurer les caractéristiques suivantes en fonction des pressions appliquées.
- dans l'A-S7G03, 1' indice de qualité Q en MPa qui correspond à la formule Q = R + 150 log A où R est la résistance en MPa et A l'allongement en % et ce à la fois sur les zones épaisses et minces /
~' X00~845 s ---- dans l'A-U5GT, les limites élastiques LE en MPa, la résistance R en MPa et l'allongement A en % et ce également à la fois sur les zones épaisses et minces.
En outre, pour chacun des alliages et chacune des pressions appliquées, on a mesuré la tenue à la fatigue F en MPA à partir d'essais en flexion rotative sur éprouvette usinée à 107 cycles suivant la méthode staircase. F est valable à la fois pour les zones épaisses et minces, car elle ne dépend pas de la vitesse de solidification mais de la porosité et par suite de la pression appliquée.
Les résultats figurent dans le tableau suivant.
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TO THE LOSS AND PRESSURE FOAM MOLDING PROCESS
OF METAL PARTS
The present invention relates to a method of lost foam and pressure molding of metal parts, especially aluminum and its alloys-It is known that those skilled in the art, mainly through the teaching of USP No. 3,157,924, to use foam molds of polystyrene immersed in a mold consisting of dry sand does not containing no binding agent. In such a process, the metal to mold, which has been previously melted, is brought through channels crossing the sand at the cont ~ ct of the model and substitutes gradually to this last ~ by burning it and transforming it into vapors q ~ i escape between the grains of sand.
This technique has proven to be attractive on an industrial scale, because that it avoids prior manufacturing, by compaction and agglomeration of powdery refractory materials, of rigid molds associated with more or less complicated to nuclei via channels, and allows easy recovery of molded parts as well as easy recycling of molding materials.
However, this technique is handicapped by two factors:
- the relative slowness of solidification which promotes the formation of gassing stings - the relative weakness of the thermal gradients which can cause a micro-reinsurance if the layout of the part makes the weighting difficult.
~.
It is in order to avoid such inconvenience that the plaintiff had developed a lost foam molding process, the subject of the patent application published in France under No. 2606 688.
This request teaches that after filling the mold with metal melted, i.e. when the model has been completely destroyed by the metal, that the vapors emitted by the foam have been evacuated, and preferably before the solidification of the metal begins, one exercises ~ V
gas pressure on the entire mold and metal isostatic. This pressure is applied according to increasing values over time in order to avoid the phenomenon and so that the maximum value is reached in less than 15 seconds.
Under these conditions, the molded parts obtained have increased compactness which results in improved mechanical characteristics, particularly in terms of resistance.
However, the Applicant considered in this request, that it was better to use maximum pressure between 0.5 and 1.5 MPa and that it was superfluous to go beyond this last limit.
In fact, she found, cue after more research that if we increased the pressure even more, we not only improved mechanical characteristics such as the tensile strength Rm, the limit elastic LE and elongation A, but also the resistance to fatigue F.
Hence the present invention which consists of a method of lost foam and pressure molding of parts metal, in which we immerse a foam model organic part to be molded in a mold whose walls are delimited by a dry sand bath containing no bonding agent, fill the mold with the metal in the state liquid which replaces foam and solidifies gradually and apply gas pressure isostatic increasing simultaneously on the mold and the metal at the earliest at the end of filling characterized in that the pressure exerted rises to a value understood 2a between 1.5 and 10 MPa.
Preferably, the metal parts are made of aluminum or made of aluminum alloys.
Thus, the invention consists in implementing pressures between 1.5 and 10 MPa and preferably between 5 and lo MPA.
As in Canadian patent application 551,918 filed on November 16, 1987, pressurization may be made using a waterproof case in which we place the mold, said box being equipped with one or more tubing suitably distributed on its wall and connected to a source of pressurized gas.
In the pressure range chosen, the applicant has found that /
phenomena that occurred during pressurization were quite different from those of the prior art.
Indeed, between 0.5 and 1.5 MPa, the pressure is mainly used to accelerate the flow of liquid metal between the dendrites of the metal solidifying and the effect stops when the solid network has reached a certain development. In particular, these low pressures allow the flyweight to act efficiently to avoid the phenomenon of shrinkage due to the contraction of the metal in solidification courses.
On the other hand, under pressures greater than 1.5 MPa and in particular above 5 MPa, to the effect of liquid metal flow, which remains preponderant at the start of solidification, replaces gradually a hot deformation effect of the metal network already solidified, a phenomenon which becomes dominant then exclusive when the solidification tau ~ reaches values close to 50 to 70%
according to ~ e type of cast alloy. The use of high pressures achieves thus a kind of isostatic forging applying to the totality of the surface of the molded part.
Figure 1 attached is a micrograph of a cast A-S7G03 alloy according to the invention under a pressure of 7 Mpa, then treated thermally. This micrograph reveals plastic deformation imposed on the dendritic network and which has the effect of filling the porosity, and illustrates well the forging effect to which the metal in this process.
Under these conditions it can be seen that the mechanical characteristics parts are notably improved and in particular the resistance to tiredness. Pressures above 10 MPa provide only very insignificant improvements.
This new pressure range is preferably applied before the quantity of solidified metal does not reach 40% by weight so as to ability to act on liquid flow.
Preferably also, it is sought that the pressure qxil applied is reached before the amount of solidified metal exceeds 90% in order to fully benefit from the effect of deformation.
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As in the French patent application 2 606 688, it is preferable to apply pressure by progressive increase especially at the start of solidification cation to avoid "watering", a phenomenon that results 5 of a transient imbalance between the pressure exerted directly on the metal and the pressure exerted on the metal through the sand bath. Indeed, the bath causes a relatively large pressure drop in the pressure transmission and the result, at the 10 metal in contact with sand, a trend of this pressure to chase the metal through the grains of sand and to cause deformation of the molded part.
The invention can be illustrated using the example 15 of following application:
Cylindrical hollow bodies with an outside diameter of 45mm, wall thickness 4 mm, with ribs adjacent and bosses of 20 x 20 x 80 mm have been molded according to the prior process and that of the invention, that is 20 to say that applied inside the enclosure containing the mold and just before solidification initiates, corresponding isostatic gas pressure respectively at atmospheric pressure, at 1 MPa, at 5 MPa and at 10 MPa.
These bodies were made from two types of alloys with high mechanical characteristics:
- A-S7G03 of composition by weight% FeO, 20; Si 6.5-7.5;
CuO, 10; ZnO, 10; MgO, 25-, 0.40; MnO, 10; Nio ~ o5; PbO, 05;
SnO, 05; TiO, 05-0.20; balance Al;
- A-U5GT of composition: FeO, 35; sio, 20; Cu 4.20-5.00;
ZnO, 10; MgO, 15-0.35; MnO, 10; Ni, 05; PbO, 05; SnO, 05; Tio ~ o5 0.30; balance Al;
2001 ~ 4 ~
- 4a -Mechanical tests carried out on said bodies after standardized heat treatments Y23 for A-S7G03 and Y24 for the A-U5GT allowed to measure the characteristics following depending on the pressures applied.
- in A-S7G03, the quality index Q in MPa which corresponds to the formula Q = R + 150 log A where R is the resistance in MPa and in elongation in% and this at the same time on thick and thin areas /
~ ' X00 ~ 845 s --- in A-U5GT, the elastic limits LE in MPa, the resistance R in MPa and elongation A in% and this also for both areas thick and thin.
In addition, for each of the alloys and each of the pressures applied, the fatigue life F in MPA was measured from bending tests rotary on test piece machined at 107 cycles according to the method staircase. F is valid for both thick and thin areas, because it does not depend on the speed of solidification but on the porosity and as a result of the pressure applied.
The results are shown in the following table.
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