CA2027974A1 - Perfectionnement au procede de moulage a mousse perdue et sous pression controlee de pieces metalliques - Google Patents
Perfectionnement au procede de moulage a mousse perdue et sous pression controlee de pieces metalliquesInfo
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Abstract
L' invention est relative à un perfectionnement au procédé de moulage à mousse perdue et sous pression contrôlée de pièces métalliques. ce perfectionnement consiste à faire croître initialement la pression à une vitesse comprise entre 0,003 et 0,3 MPa/sec pendant une première période d'au plus 5 secondes à partir du début de la montée en pression puis à une vitesse supérieure à celle de la première période pendant une deuxième période et ce jusqu'à ce que la pression maximum soit atteinte. Ce perfectionnement permet d'obtenir des pièces de forme correspondant au modèle et sans porosités.
Description
'' 202~l97~
PERFECTIONNEMENT AU PROCED~ D~ MOULAGE A MOUSSE PERDUE
ET SOUS PRESSION CONTROLEE DE PIECES METALLIQUES
La présente invention est rela-tive à un perfectionnement au procédé de moulage à mousse perdue sous pression contrôlée de pièces métalliques, notamment en aluminium et en ses alliages, tel que décrit dans la demande canadienne 551,918 du même inventeur déposé le 16 novembre 1987.
I1 est connu de l'homme de l'art, principalement par l'enseignement de l'USP n~ 3 157 924, d'utiliser pour le moulage des modèles en mousse 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 contact du modèle et se substitue progressivement à ce dernier en le brûlant et en le transformant en vapeurs qui 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 façon plus ou moins compliquée à des noyaux par l'intermédiaire da 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 fac-teurs:
- 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 a mis au point un procédé de moulage à mousse perdue, objet de la demande de brevet canadienne 559,918 mentionnée en référence.
Cette demande enseigne qu'après avoir rempli le moule avec le métaL fondu, c'est-à-dire quand le modèle a été détrui-t complètement par le métal, que les vapeurs émises par la mousse ont été évacuées, et de préférence avant que la solidifica-tion du métal ne s'amorce, on exerce sur l'ensemble du moule et du métal une pression gazeuse isostatique.
5 Cette pression est appliquee 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 cette demande, la valeur maximum de la pression a été fixée entre 0,5 10 et 1,5 MPa. Mais par la suite, cette fourchette a été étendue jusqu'à
10 MPa dans l'invention décrite et revendic~uée dans la demande canadienne
PERFECTIONNEMENT AU PROCED~ D~ MOULAGE A MOUSSE PERDUE
ET SOUS PRESSION CONTROLEE DE PIECES METALLIQUES
La présente invention est rela-tive à un perfectionnement au procédé de moulage à mousse perdue sous pression contrôlée de pièces métalliques, notamment en aluminium et en ses alliages, tel que décrit dans la demande canadienne 551,918 du même inventeur déposé le 16 novembre 1987.
I1 est connu de l'homme de l'art, principalement par l'enseignement de l'USP n~ 3 157 924, d'utiliser pour le moulage des modèles en mousse 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 contact du modèle et se substitue progressivement à ce dernier en le brûlant et en le transformant en vapeurs qui 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 façon plus ou moins compliquée à des noyaux par l'intermédiaire da 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 fac-teurs:
- 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 a mis au point un procédé de moulage à mousse perdue, objet de la demande de brevet canadienne 559,918 mentionnée en référence.
Cette demande enseigne qu'après avoir rempli le moule avec le métaL fondu, c'est-à-dire quand le modèle a été détrui-t complètement par le métal, que les vapeurs émises par la mousse ont été évacuées, et de préférence avant que la solidifica-tion du métal ne s'amorce, on exerce sur l'ensemble du moule et du métal une pression gazeuse isostatique.
5 Cette pression est appliquee 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 cette demande, la valeur maximum de la pression a été fixée entre 0,5 10 et 1,5 MPa. Mais par la suite, cette fourchette a été étendue jusqu'à
10 MPa dans l'invention décrite et revendic~uée dans la demande canadienne
2,001,845-3 au nom du même inventeur déposée le 31 octobre 1981, a~in de pouvoir, entre autres améliorations, ausmenter la tenue à la fati~ue des pièces fabriquées.
15 Fntre temps, la demanderesse a aussi constaté, qU'outre le phénomène d'abreu-vage conduisant à une déformation de la pièce, il se produisait lors de la combustion de la mousse par le métal, une liquéfaction préalable de cette mousse suivie d'une gazéification qui générait une pression telle que du gaz pénétrait dans le métal et y formait des soufflures tout en provoquant l'ap-20 parition d'inclusions de carbone provenant d'une combustion imcomplète desrésidus de mousse.
Pour parer à cette nouvelle difficulté, elle a préconisé un perfectionnement, objet de la demande canadienne 603,469 au nom du même inventeur déposée le 21 juin 1989, et ~ui consiste à accroitre la pression 25 avec une vitesse telle qu'en fonction de la granulométrie du sable, de la profondeur d'immersion du modèle, elle génère rapidement et temporairement par perte de charge à travers le sable une surpression du métal fondu par rapport au sable au niveau de leur interface, cette surpression atteignant une valeur comprise entre deux limites et décroissant ensuite a mesure que 30 ladite pression augmente puis à maintenir ladite pression constante jusqu'à solidification complète.
De préférence, la vitesse de croissance de la pression est comprise entre 0,003 et 0,3 MPa/sec et est d'autant plus petit que l'épaisseur de la 35 pièce est grande, ladite surpression maximale étant atteinte en moins de deux secondes.
2~797~
C~est dans le cadre de la demande de brevet de base et de ses perfec-tionnements que la demanderesse a cherché à améliorer encore son procédé. En effet, il est connu que la pression maximum doit être appliquée avant que le mé-tal coulé ait atteint un certain degré de 5 solidification sinon l'effet de ladite pression est très atténué. Or, on a vu également que pour éviter le phénomène d'abreuvage et de pénétra-tion dans la pièce de gaz issus de la vaporisation de la mousse, il fallait se maintenir initialement dans une fourchette donnée de surpression. Cela sùppose que pour éviter une surpression trop élevée, la pression doit être 10 augmentée pendant les premières secondes d~application de fason modérée.
Mais par ailleurs, si l'on maintient cet accroissement à la même valeur, durant toute l'application de la pression, on constate que le p~us souvent l'ensemble du métal est pratiquement solidifié avant que la pression maximum soit atteinte et on limite ainsi l'efficacité du procédé.
C'est pourquoi la demanderesse a eu l'idée de procéder à une montée en pression en deux étapes.
D'où le procédé caractérisé en ce que l'on fait croltre initialement la pression à une vitesse comprise entre 0,003 et 0,3 MPa/sec pendant une 20 première période d'au plus cinq secondes à partir du début de la montée en pression puis à une vitesse supérieure à celle de la première période, pendant une deuxième période et ce jusqu'à ce que la pression maximum soit atteinte.
25 Ainsi, il est possible de se maintenir dans les conditions propres à
éviter l'abreuvage et les inclusions de carbone et à atteindre la pression maximum avant que le métal ne soit complètement solidifié.
De préférence, la première période est au plus de deux secondes car cette valeur suffit le plus souvent à éviter les inconvénients précités 30 L'accroissement de vitesse de montée en pression peut être obtenu de deux manières différentes:
- soit on procède en deux étapes au cours de chacune desquelles une vitesse faible et constante d'abord puis plus grande et constante ensuite est appliquée. La courbe de pression en fonction du ternps est alors représentée par deux portions de droi-te avec un poin-t commun situé
au temps t ~ 5 secondes.
2~2797~
Cela peut être obtenu en placant sur le circuit de gaz une vanne ou deux vannes présentant deux sections d'ouverture différente.
- soit à un procédé au cours duquel la vitesse crolt continument. La courbe de pression est alors représentée par une courbe continument croissante sur laquelle au temps t ~ 5 secondes, la valeur de v es-t lnférieure à 0,3 MPa/sec. Cela peut etre obtenu à l'aide d'une vanne dont la section de passage augmente progressivement.
Un exemple non limitatif de ce procédé consiste à adapter une loi d'ouverture donnant une croissance de la vitesse linéaire avec le temps de ~orme dP = kt ce qui conduit à une loi de pression parabolique p =
l/2 kt . dt L'invention peut être illustree à l'aide des exemples d'application suivants:
EXEMPLF. 1 On a réalisé un collecteur pour moteur à combus-tion interne en un alliage d'aluminium du type A-S7U3G contenant en poids 6,9% de silicium, 3,1% de cuivre, 0,3% de magnésium, solde aluminium et impuretés habituelles. Ce collecteur présentait des brides épaisses et des toiles minces d'épaisseur
15 Fntre temps, la demanderesse a aussi constaté, qU'outre le phénomène d'abreu-vage conduisant à une déformation de la pièce, il se produisait lors de la combustion de la mousse par le métal, une liquéfaction préalable de cette mousse suivie d'une gazéification qui générait une pression telle que du gaz pénétrait dans le métal et y formait des soufflures tout en provoquant l'ap-20 parition d'inclusions de carbone provenant d'une combustion imcomplète desrésidus de mousse.
Pour parer à cette nouvelle difficulté, elle a préconisé un perfectionnement, objet de la demande canadienne 603,469 au nom du même inventeur déposée le 21 juin 1989, et ~ui consiste à accroitre la pression 25 avec une vitesse telle qu'en fonction de la granulométrie du sable, de la profondeur d'immersion du modèle, elle génère rapidement et temporairement par perte de charge à travers le sable une surpression du métal fondu par rapport au sable au niveau de leur interface, cette surpression atteignant une valeur comprise entre deux limites et décroissant ensuite a mesure que 30 ladite pression augmente puis à maintenir ladite pression constante jusqu'à solidification complète.
De préférence, la vitesse de croissance de la pression est comprise entre 0,003 et 0,3 MPa/sec et est d'autant plus petit que l'épaisseur de la 35 pièce est grande, ladite surpression maximale étant atteinte en moins de deux secondes.
2~797~
C~est dans le cadre de la demande de brevet de base et de ses perfec-tionnements que la demanderesse a cherché à améliorer encore son procédé. En effet, il est connu que la pression maximum doit être appliquée avant que le mé-tal coulé ait atteint un certain degré de 5 solidification sinon l'effet de ladite pression est très atténué. Or, on a vu également que pour éviter le phénomène d'abreuvage et de pénétra-tion dans la pièce de gaz issus de la vaporisation de la mousse, il fallait se maintenir initialement dans une fourchette donnée de surpression. Cela sùppose que pour éviter une surpression trop élevée, la pression doit être 10 augmentée pendant les premières secondes d~application de fason modérée.
Mais par ailleurs, si l'on maintient cet accroissement à la même valeur, durant toute l'application de la pression, on constate que le p~us souvent l'ensemble du métal est pratiquement solidifié avant que la pression maximum soit atteinte et on limite ainsi l'efficacité du procédé.
C'est pourquoi la demanderesse a eu l'idée de procéder à une montée en pression en deux étapes.
D'où le procédé caractérisé en ce que l'on fait croltre initialement la pression à une vitesse comprise entre 0,003 et 0,3 MPa/sec pendant une 20 première période d'au plus cinq secondes à partir du début de la montée en pression puis à une vitesse supérieure à celle de la première période, pendant une deuxième période et ce jusqu'à ce que la pression maximum soit atteinte.
25 Ainsi, il est possible de se maintenir dans les conditions propres à
éviter l'abreuvage et les inclusions de carbone et à atteindre la pression maximum avant que le métal ne soit complètement solidifié.
De préférence, la première période est au plus de deux secondes car cette valeur suffit le plus souvent à éviter les inconvénients précités 30 L'accroissement de vitesse de montée en pression peut être obtenu de deux manières différentes:
- soit on procède en deux étapes au cours de chacune desquelles une vitesse faible et constante d'abord puis plus grande et constante ensuite est appliquée. La courbe de pression en fonction du ternps est alors représentée par deux portions de droi-te avec un poin-t commun situé
au temps t ~ 5 secondes.
2~2797~
Cela peut être obtenu en placant sur le circuit de gaz une vanne ou deux vannes présentant deux sections d'ouverture différente.
- soit à un procédé au cours duquel la vitesse crolt continument. La courbe de pression est alors représentée par une courbe continument croissante sur laquelle au temps t ~ 5 secondes, la valeur de v es-t lnférieure à 0,3 MPa/sec. Cela peut etre obtenu à l'aide d'une vanne dont la section de passage augmente progressivement.
Un exemple non limitatif de ce procédé consiste à adapter une loi d'ouverture donnant une croissance de la vitesse linéaire avec le temps de ~orme dP = kt ce qui conduit à une loi de pression parabolique p =
l/2 kt . dt L'invention peut être illustree à l'aide des exemples d'application suivants:
EXEMPLF. 1 On a réalisé un collecteur pour moteur à combus-tion interne en un alliage d'aluminium du type A-S7U3G contenant en poids 6,9% de silicium, 3,1% de cuivre, 0,3% de magnésium, solde aluminium et impuretés habituelles. Ce collecteur présentait des brides épaisses et des toiles minces d'épaisseur
3 mm pour lesquelles le temps permettant d'at-teindre un taux de solidification de 30% était de l'ordre de 4 secondes; par ailleurs, le parcours du métal étant long cela entra;nait une faible vitesse d'alimentation en fin de remplissage et nécessitait une surchauffe du métal.
Le métal a été coulé dans un moule contenant le modèle en polystyrène noyé
dans du sable et une pression maximum de 1,5 MPa a été appliquée conformément à l'invention suivant le processus:
-pendant les deux premières secondes, une croissance de 0,25 MPa/sec de façon à atteindre une pression de 0,5 MPa.
- pendant les deux secondes suivantes, une croissance de 0,5 MPa/sec de façon à atteindre la pression de 1,5 MPa.
-.
202797~
Ce processus a été réalisé à l'aide de deux vannes de section différenteplacées sur le circuit d'alimentation en ga%.
On a ainsi éviter le problème de l'abreuvage et ]'inclusion de carbone r 5 dans la pièce tout en se plasant dans des conditions telles que la pression maximum soit atteinte avant que le taux de solidification n'atteigne 30%.
Suivant l'art antérieur, l'application d'une pression croissant dans le 10 temps aurait conduit pour atteindre 1,5 MPa en 4 secondes à une croissance de 0,375 MPa/sec, valeur supérieure à la limite imposée dans la demande 89-03706 et qui était de 0,30 MPa/sec.
15 On a réalisé un bras de suspension en un alliage d'aluminium du type A-S7GO,3 con-tenant en poids 7,5% de silicium, 0,25% de magnésium, solde aluminium et ses impuretés habituelles. Ce bras présentait une épaisseur normale de 6 à 8 mm e-t le temps nécessaire pour atteindre un taux de solidification de 30% était de l'ordre de 20 secondes.
Le métal a été coulé dans le moule et une pression maximum de 8 MPa a été
appliquée conformément à l'invention suivant le processus consistant à
obtenir au moyen d'une vanne pilotée, une montée en pression parabolique répondant à la formule ~5 P = 2xlO 2 t2 avec P exprimé en MPa et t en secondes ce qui est réalisé
grâce à une vitesse de montée en pression dP = 4xlO t dt Ce processus a permis:
- pe~dant les deux premières secondes d'avoir une vitesse croissante 30 n'excédant pas 0,08 MPa/sec donc largement inférieure à la limite de 0,30 MPa/sec imposée dans la demande canadienne 603,469 ci-haut mentionnée afin d'é~iter l'abreuvage et cependant supérieure dès l'instant t=0,075 sec à la limite inférieure de 0,003 MPa/sec assurant une bonne évacuation des résidus ga~eux et liquide provenant du modèle.
35 - au terme de 20 secondes disponibles d'obtenir la pression de 8 MPa requise pour que le phénomène de compaction s'exerce pleinement.
, 2~27~74 On a évité ainsi le problème de l'abreuva~e et l'inclusion de carbone dans la pièce -tout en se placant dans les conditions telles que la pression maximum soit atteinte avant que le taux de solidification atteigne 30%.
Suivant l'art antérieur, l'applica-tion d~une pression croissant dans le temps aurait conduit pour atteindre 8 MPa en 20 secondes à une croissance de 0,4 MPa/sec, valeur supérieure à la limite requise pour éviter le phénomène d'abreuvage.
.~
~ , ' ' .:. .: :
~. . . .
Le métal a été coulé dans un moule contenant le modèle en polystyrène noyé
dans du sable et une pression maximum de 1,5 MPa a été appliquée conformément à l'invention suivant le processus:
-pendant les deux premières secondes, une croissance de 0,25 MPa/sec de façon à atteindre une pression de 0,5 MPa.
- pendant les deux secondes suivantes, une croissance de 0,5 MPa/sec de façon à atteindre la pression de 1,5 MPa.
-.
202797~
Ce processus a été réalisé à l'aide de deux vannes de section différenteplacées sur le circuit d'alimentation en ga%.
On a ainsi éviter le problème de l'abreuvage et ]'inclusion de carbone r 5 dans la pièce tout en se plasant dans des conditions telles que la pression maximum soit atteinte avant que le taux de solidification n'atteigne 30%.
Suivant l'art antérieur, l'application d'une pression croissant dans le 10 temps aurait conduit pour atteindre 1,5 MPa en 4 secondes à une croissance de 0,375 MPa/sec, valeur supérieure à la limite imposée dans la demande 89-03706 et qui était de 0,30 MPa/sec.
15 On a réalisé un bras de suspension en un alliage d'aluminium du type A-S7GO,3 con-tenant en poids 7,5% de silicium, 0,25% de magnésium, solde aluminium et ses impuretés habituelles. Ce bras présentait une épaisseur normale de 6 à 8 mm e-t le temps nécessaire pour atteindre un taux de solidification de 30% était de l'ordre de 20 secondes.
Le métal a été coulé dans le moule et une pression maximum de 8 MPa a été
appliquée conformément à l'invention suivant le processus consistant à
obtenir au moyen d'une vanne pilotée, une montée en pression parabolique répondant à la formule ~5 P = 2xlO 2 t2 avec P exprimé en MPa et t en secondes ce qui est réalisé
grâce à une vitesse de montée en pression dP = 4xlO t dt Ce processus a permis:
- pe~dant les deux premières secondes d'avoir une vitesse croissante 30 n'excédant pas 0,08 MPa/sec donc largement inférieure à la limite de 0,30 MPa/sec imposée dans la demande canadienne 603,469 ci-haut mentionnée afin d'é~iter l'abreuvage et cependant supérieure dès l'instant t=0,075 sec à la limite inférieure de 0,003 MPa/sec assurant une bonne évacuation des résidus ga~eux et liquide provenant du modèle.
35 - au terme de 20 secondes disponibles d'obtenir la pression de 8 MPa requise pour que le phénomène de compaction s'exerce pleinement.
, 2~27~74 On a évité ainsi le problème de l'abreuva~e et l'inclusion de carbone dans la pièce -tout en se placant dans les conditions telles que la pression maximum soit atteinte avant que le taux de solidification atteigne 30%.
Suivant l'art antérieur, l'applica-tion d~une pression croissant dans le temps aurait conduit pour atteindre 8 MPa en 20 secondes à une croissance de 0,4 MPa/sec, valeur supérieure à la limite requise pour éviter le phénomène d'abreuvage.
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Claims (4)
1/ Perfectionnement au procédé de moulage à mousse perdue et sous pression contrôlée de pièces métalliques, notamment en aluminium et en ses alliages, 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 ledit moule avec le métal à l'état liquide qui se substitue progressivement à
la mousse en la brûlant puis on applique sur le moule et le métal de préférence avant que la solidification du métal ne s'amorce une pression gazeuse quasi-isostatique croissant dans le temps jusqu'à
atteindre une valeur constante compris entre 0,5 et 10 MPa, la phase de montée en pression générant une surpression dans ce métal fondu par rapport au sable dont le maximum se situe dans les cinq premières secondes de la montée, caractérisé en ce que l'on fait croître initialement la pression à une vitesse comprise entre 0,003 et 0,3 MPa/sec pendant une première période d'au plus 5 secondes à partir du début de la montée en pression puis à une vitesse supérieure à celle de la première période pendant une deuxième période et ce jusqu'à ce que la pression maximum soit atteinte.
la mousse en la brûlant puis on applique sur le moule et le métal de préférence avant que la solidification du métal ne s'amorce une pression gazeuse quasi-isostatique croissant dans le temps jusqu'à
atteindre une valeur constante compris entre 0,5 et 10 MPa, la phase de montée en pression générant une surpression dans ce métal fondu par rapport au sable dont le maximum se situe dans les cinq premières secondes de la montée, caractérisé en ce que l'on fait croître initialement la pression à une vitesse comprise entre 0,003 et 0,3 MPa/sec pendant une première période d'au plus 5 secondes à partir du début de la montée en pression puis à une vitesse supérieure à celle de la première période pendant une deuxième période et ce jusqu'à ce que la pression maximum soit atteinte.
2/ Perfectionnement selon la revendication 1 caractérisé en ce que la première période est au plus de deux secondes.
3/ Perfectionnement selon la revendication 1 caractérisé en ce que la vitesse est constante au cours de chacune des deux périodes.
4/ Perfectionnement selon la revendication 1 caractérisé en ce que la vitesse croît continument au cours des deux périodes.
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