EP0103602A1 - Procede de moulage, en coquille, de pieces a base d'aluminium - Google Patents

Procede de moulage, en coquille, de pieces a base d'aluminium

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EP0103602A1
EP0103602A1 EP83900933A EP83900933A EP0103602A1 EP 0103602 A1 EP0103602 A1 EP 0103602A1 EP 83900933 A EP83900933 A EP 83900933A EP 83900933 A EP83900933 A EP 83900933A EP 0103602 A1 EP0103602 A1 EP 0103602A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
shell
temperature
time
metal
duration
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP83900933A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Jean Charbonnier
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Rio Tinto France SAS
Original Assignee
Aluminium Pechiney SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Aluminium Pechiney SA filed Critical Aluminium Pechiney SA
Publication of EP0103602A1 publication Critical patent/EP0103602A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D21/00—Casting non-ferrous metals or metallic compounds so far as their metallurgical properties are of importance for the casting procedure; Selection of compositions therefor
    • B22D21/02—Casting exceedingly oxidisable non-ferrous metals, e.g. in inert atmosphere
    • B22D21/04—Casting aluminium or magnesium
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D21/00—Casting non-ferrous metals or metallic compounds so far as their metallurgical properties are of importance for the casting procedure; Selection of compositions therefor
    • B22D21/002—Castings of light metals
    • B22D21/007—Castings of light metals with low melting point, e.g. Al 659 degrees C, Mg 650 degrees C
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/06—Permanent moulds for shaped castings

Definitions

  • the present invention relates to the field of metallurgy in the foundry sector and, more particularly, to a shell molding process for aluminum-based parts in which the duration of stay of the metal in the shell is optimized.
  • the founder faces the problem of knowing how long he must allow the metal to remain in the shell. Indeed, having the concern of maximum efficiency, he knows that, if he opens the shell with a certain delay after the part has reached a suitable solidification state, he will lose in production capacity of his installation, on the other hand, if it opens the shell too early, it may be that the part is not fully solidified, or, at least, has not yet acquired sufficient thermal and mechanical stability, in which case it will present defects which may require its scum.
  • this duration depends on the type of shell used, its coating, its cooling mode: natural or forced, the composition and the temperature of the cast alloy, but these various parameters being fixed, it appears important to find a means of determining the optimum duration of stay of the metal in the shell applicable to the serial casting of pieces, this means being, subsequently, extrapolable to installations in which certain parameters have changed by means of a few corrections.
  • Still other methods combine the two concepts: that of the constant residence time as long as the temperature of the shell at the time of filling is not stabilized, then that of the release temperature when the shell is in operation.
  • the initial temperature of the shell makes it possible to better understand the real duration of solidification because, in fact, it is very certain that, if one sinks in a shell at low temperature, the duration of solidification will be less great than if you sink into a shell at high temperature.
  • the initial temperature can we better appreciate the time it will take to ensure solidification and, therefore, optimally determine the duration of stay of the metal in the shell. It is still necessary to establish the relation existing between initial temperature and duration of solidification. This relation was established experimentally in the following way: Several series of test pieces were poured by placing in the center of the calibrated part a thermocouple connected to a temperature recorder.
  • thermocouples Two other thermocouples were placed in the yokes of the shell at the center of the test piece and 2 mm from the inner wall. It was thus possible to record both the initial temperature of the shell and the solidification time, the latter ending when a change in slope was observed in the temperature-time curve. But, as it cannot be removed from the mold at the end of solidification of the part, since it is necessary to wait until the monkfish are sufficiently resistant to be able to support the parts, a correction coefficient has been applied to the solidification period, that is to say that the length of stay selected is equal to k times the duration of solidification and where k is between 1 and 1.5 depending on the composition of the alloy and the type of part produced.
  • the method according to the invention is characterized in that the duration of stay of the metal in the shell is established by measuring the temperature of the latter at the time when we are going to start casting then comparison of this value with the table temperature-duration correlation.
  • the optimized process described above makes it possible to shorten this period of temperature rise, but it can be further accelerated based on the fact that, when the optimum stay time is applied with a relatively cold shell, the moment of demolding in tersili while the temperature of the shell is still increasing unlike a shell in regime where it is decreasing. If therefore we want to accelerate the rise in temperature, we must try to recover all of the heat provided by the metal and, therefore, only turn out when the temperature of the shell has reached its maximum.
  • the method is also characterized in that, during the periods of starting or restarting where the temperature of the shell is relatively low at the time when the casting is about to start, the optimum duration of stay is extended until the shell temperature has reached its maximum.
  • the temperature of the shell can be limited in two ways: either by extending the closing time of the shell after casting, or by prohibiting its closing after demolding as long as the temperature has not dropped below a limit value which depends on the type of alloy used.
  • control device essentially comprising:
  • - a card comprising a microprocessor and peripheral organs
  • This assembly is linked by its converter with the thermocouples placed on the shell, and by its control box with the solenoid valves of the cylinders.
  • the casting of the thirteen pieces lasted 13.5 minutes.
  • the release temperature has been limited to
  • the invention finds its application, in particular in the aluminum industry, whenever it is desired to manufacture by shell molding, either by gravity, or under low pressure, or under pressure, a series of parts with a minimum of waste and increased production capacity.

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Abstract

Ce procédé a pour but d'optimiser la durée de séjour du métal dans la coquille et repose sur le fait que l'on tient compte de la température de la coquille à l'instant où commence la coulée du métal. Pour cela on mesure la température de la coquille à ce moment et compare la valeur trouvée à un tableau de température - durée préétabli de manière à déduire ladite durée. Il trouve son application chaque fois qu'on souhaite fabriquer une série de pièces avec un minimum de rebut et une capacité de production interne.

Description

PROCEDE DE MOULAGE, EN COQUILLE, DE PIECES A BASE D'ALUMINIUM
La présente invention a trait dans le domaine de la métallurgie au sec teur de la fonderie et, plus particulièrement, à un procédé de moulage en coquille de pièces à base d'aluminium dans lequel on optimise la durée de séjour du métal dans la coquille.
Parmi les différentes techniques de mise en forme de l'aluminium et de ses alliages, l'homme de l'art connaît celle qui consiste à couler dans une coquille métallique fermée, de forme déterminée, le métal en fusion puis à le laisser se solidifier pendant un certain temps par évacuation d'une partie de sa chaleur vers le milieu ambiant, à ouvrir ensuite la dite coquille pour extraire la pièce ainsi formée et, enfin, à la refermer après mise en état pour une nouvelle opération de moulage.
Au cours de chacune de ces opérations se pose au fondeur le problème de savoir combien de temps il doit laisser séjourner le métal dans la coquille. En effet, ayant le souci d'une efficacité maximum, il sait que, s'il ouvre la coquille avec un certain délai après que la pièce ait at teint un état de solidification convenable, il y perdra en capacité de production de son installation, par contre, s'il ouvre la coquille trop tôt, il se peut que la pièce soit incomplètement solidifiée, ou, du moins, n'a pas encore acquis une stabilité thermique et mécanique suffi sante, auquel cas elle présentera des défauts pouvant nécessiter son rebut.
Aussi donc, la durée pendant laquelle le métal doit séjourner dans la coquille apparaît-elle comme une donnée importante dans l'exploitation correcte d'une fonderie.
Certes, cette durée est fonction du type de coquille utilisée, de son poteyage, de son mode de refroidissement : naturel ou forcé, de la composition et de la température de l'alliage coulé, mais ces différents paramètres étant fixés, il apparaît important de trouver un moyen de détermination de la durée optimum de séjour du métal dans la coquille applicable à la coulée en série de pièces, ce moyen étant, par la suite, extrapolable à des installations dans lesquelles certains paramètres ont changé par le biais de quelques corrections.
Dans la plupart des procédés de l'art antérieur, on a essayé de résou dre le problème en adoptant une durée de séjour constante et évidemment calculée de façon très large pour être à l'abri de tout incident dû à un démoulage précoce. Pratiquement, il suffit de disposer d'une minute rie réglée sur la durée choisie et qu'on met en route au début de la coulée. Ces procédés présentent l'inconvénient majeur de ne pas tenir compte de l'évolution de la température de la coquille. En effet, lors du démarrage du moulage d'une série de pièces, la coquille présente, au moment de la coulée, une température relativement basse ; au cours de chaque opération de moulage, elle garde une partie de la chaleur apportée par le métal et, de ce fait, au moment de chaque nouvelle coulée, la température de la coquille s'élève progressivement jusqu'à ce qu'elle atteigne une valeur d'équilibre ; on dit alors que la coquile est en régime. De même, en cas d'arrêt momentanê volontaire ou accidentel, la température de la coquille a tendance à diminuer avant d'atteindre Il nouveau la valeur d'équilibre.
Dans un procédé à durée de séjour constante, on ne tient pas compte de ces variations et il en résulte des conditions différentes de refroidissement et de solidification des pièces d'où une hétérogénéité importante dans la qualité des pièces obtenues.
D'autres procédés font appel à la température de démoulage pour fixer la durée de séjour optimum. On attend que la température de la coquille après remplissage ait chuté en-deça d'une certaine valeur pour extraire la pièce.
D'autres procédés encore combinent les deux notions : celle de la durée de séjour constante tant que la température de la coquille au moment du remplissage n'est pas stabilisée, puis, celle de la température de démoulage lorsque la coquille est en régime.
Ces derniers procédés permettent de réduire la durée du moulage et d'accélérer, dans une certaine mesure, la mise en régime, mais ils ne tien- nent pas vraiment compte de l'évolution de la température initiale de la coquille à l'instant ofi débute la coulée du métal et, par suite de la durée de solidification réelle.
C'est pourquoi, la demanderesse constatant que les solutions proposées n'intégraient pas de façon correcte cette évolution et, de ce fait ne permettaient pas de réaliser les conditions optima de qualité et de pro duction, a cherché et mis au point un procédé de moulage en coquille de pièces à base d'aluminium dans lequel on coule dans la coquille le métal en fusion, laisse l'ensemble se refroidir de manière qu'il y ait solidification du métal, puis ouvre ladite coquille pour sortir la pièce ainsi moulée et la referme en vue d'une nouvelle opération, ce procédé étant caractérisé en ce que la durée de séjour du métal dans la coquille est liée à la température de cette dernière au moment où on va commence la coulée.
Ainsi, le procédé selon l'invention, comme certains de l'art antérieur, s'écarte de la notion de durée dé séjour constante mais s'en rapproche par la notion de température. Toutefois, il s'agit ici de température initiale de la coquille, c'est-à-dire au moment où commence la coulée et non de température de démoulage bien que cette notion soit retenue dans certaines conditions d'application de notre procédé.
Le fait de prendre en compte la température initiale de la coquille permet de mieux saisir la durée réelle de solidification car, en effet, il est bien certain que, si l'on coule dans une coquille à température basse, la durée de solidification sera moins grande que si l'on coule dans une coquille à température élevée. Ainsi, en se référant à la température initiale, peut-on mieux apprécier le temps qu'il faudra pour assurer la solidification et, donc, déterminer de façon optimum la durée de séjour du métal dans la coquille. Encore faut-il établir la relation existant entre température initiale et durée de solidification. Cette relation a été établie de façon expérimentale de la manière suivante : Plusieurs séries d'éprouvettes ont été coulées en plaçant au centre de la partie calibrée un thermocouple relié à un enregistreur de température. Deux autres thermocouples étaient disposés dans les chapes de la coquille au niveau du centre de l'éprouvette et à 2 mm de la paroi in terne. Il était ainsi possible de relever à la fois la température initiale de la coquille et la durée de solidification, celle-ci se terminant au moment où on constatait un changement de pente dans la courbe température-temps. Mais, comme on ne peut démouler dès la fin de solidification de la pièce, étant donné qu'il faut attendre que les masse-lottes soient suffisamment résistantes pour pouvoir supporter les pièces, on a appliqué un coefficient de correction à la durée de solidification, c'est-à-dire que la durée de séjour retenue est égale à k fois la durée de solidification et où k est compris entre 1 et 1,5 suivant la composition de l'alliage et le type de pièce réalisé.
Ces mesures ont été faites pour différentes températures de la coquille au moment du remplissage. Puis, on a pu également élargir ces mesures à des coquilles équipées par exemple de dispositifs de refroidissement forcé par circulation d'air ou d'eau, à des alliages de compositions diverses coulées à des températures variables, à des poteyages ayant une nature ou une épaisseur différente.
On a ainsi des tableaux de corrélation entre température et durée de séjour. Par suite, il suffit, connaissant tous les facteurs du moulage, de noter la température initiale de la coquille puis de se reporter aux tableaux pour connaître la durée de séjour optimum.
Ainsi, le procédé selon l'invention est-il caractérisé en ce que la durée de séjour du métal dans la coquille est établie par mesure de la température de cette dernière au moment où on va commencer la coulée puis comparaison de cette valeur avec le tableau de corrélation température-durée préétabli.
Ce procédé est appliqué pratiquement à l 'ensemble des opérations de moulage successives nécessaires à l 'obtention d'une série de pièces. Toutefois, en ce qui concerne la période de démarrage ou celle qui suit un arrêt prolongé où la température de la coquille est relativement basse, on s'est aperçu que les pièces présentaient une compacité insuffisante. Pour en limiter le nombre, il faut chercher à augmenter la tem pérature de la coquille le plus rapidement possible.
Certes, le procédé optimisé décrit ci-dessus permet de raccourcir cette période de montée en température, mais elle peut encore être accéléré en se basant sur le fait que, lorsqu'on applique la durée de séjour op timum avec une coquille relativement froide, le moment du démoulage in tervient alors que la température de la coquille est encore en train de croître à la différence d'une coquille en régime où elle est en train de décroître. Si donc on veut accélérer la montée en température, il faut essayer de récupérer la totalité de la chaleur apportée par le mé tal et, donc, ne démouler qu'au moment où la température de la coquille a atteint son maximum.
Ainsi, le procédé est également caractérisé en ce que, pendant les pério des de démarrage ou de redémarrage où la température de la coquille est relativement basse au moment où va commencer la coulée, la durée de sé jour optimum est prolongée jusqu'à ce que la température de la coquille ait atteint son maximum.
Ce plus, au bout d'un certain nombre d'opérations de moulages successifs, la coquille a tendance à s'échauffer de plus en plus, ce qui aug-mente le temps de solidification et abaisse par conséquent les caractéristiques mécaniques des pièces. La température de la coquille peut être limitée de deux façons : soit en prolongeant la durée de fermeture de la coquille après coulée, soit en interdisant sa fermeture après démoulage tant que la température n'est pas redescendue au-dessous d'une valeur limite qui est fonction du type d'alliage utilisé.
Un tel procédé, s'il est applicable avec des moyens simples, peut aussi faire l'objet d'une mécanisation et d'une automatisation poussée. En effet, les fonctions mises en oeuvre sont classiques, à savoir :
- détecter une variation de température pour déterminer l'instant to où commence la coulée, l'instant tmoù elle passe par un maximum (dérivée nulle) , - enregistrer la température initiale To de la coquille, la comparer à un ensemble de températures, d'un tableau de corrélation température- temps mémorisé de la concordance, déterminer la durée de séjour Δt - saisir une minuterie à l'instant t et la régler sur Δt,
- contrôler en continu la température de manière à saisir la température TM au-delà de laquelle le démoulage ou la fermeture du moule ne peut avoir lieu, - commander les êlectrovannes des vérins d'ouverture et de fermeture de la coquille aux instants tm, t1 = to + Δt et empêcher l'ouverture quand T > TM.
Un tel ensemble de fonctions peut être assuré par un dispositif de commande comprenant essentiellement :
- une carte comportant un microprocesseur et des organes périphériques,
- un convertisseur analogique digital,
- un support magnétique pour enregistrement des tableaux de corrélation,
- un programme placé dans la mémoire associée ou microprocesseur, - un boîtier de commande.
Cet ensemble est en relation par son convertisseur avec les thermocouples placés sur la coquille, et par son boîtier de commande avec les êlectrovannes des vérins.
Dans le cas de coquilles refroidies par air ou par circulation de tout autre fluide, la régulation des débits de ces derniers en fonction des températures souhaitées peut être incorporé à cet ensemble.
La présente invention sera mieux comprise à l'aide de l'exemple d'application suivant :
Dans une coquille en acier refroidi par air, on a réalisé le moulage successif de 50 pièces du type éprouvettes, à partir d'un alliage d'aluminium A-S7G. Pour les quinze premières pièces, la température initiale de la coquille est restée inférieure à 350°C et on applique le procédé suivant lequel on attend que la température de la coquille passe par un maximum avant de l'ouvrir, ce qui a nécessité 10 minutes. Puis, on a coulé treize autres pièces en adoptant comme temps de séjour le temps de solidification multiplié par un facteur k = 1,5, et dont les valeurs en fonction de la température initiale de la coquille étaien les suivantes :
La coulée des treize pièces a duré 13,5 minutes.
Pour les pièces suivantes, la température de démoulage a été limitée à
430°C, ce qui donne une cadence de production de 13 minutes par dix pièces.
L'invention trouve son application, notamment dans l' industrie de l'aluminium, chaque fois qu'on désire fabriquer par moulage en coquille, soit par gravité, soit sous basse pression, soit sous pression, une série de pièces avec un minimum de rebut et une capacité de production accrue.

Claims

REVENDICATIONS
1/ Procédé de moulage en coquille de pièces à base d'aluminium, en série, au cours duquel, pour chaque pièce, on coule le métal dans la coquille, on le laisse séjourner de manière à en assurer la solidification avant de sortir ladite pièce, caractérisé en ce que la durée de séjour est déterminée au moment de la coulée en mesurant la température de la coquille à cet instant et en comparant la valeur à un tableau de corrélation température-durée préétabli de manière à déduire ladite durée.
2/ Procédé de moulage suivant la revendication 1, caractérisé en ce que, lors des opérations de démarrage ou de redémarrage d'une série de pièces, alors que la température de la coquille est relativement basse, on prolonge la durée de séjour jusqu'à ce que la température de la coquille ait atteint une valeur maximum.
EP83900933A 1982-03-15 1983-03-11 Procede de moulage, en coquille, de pieces a base d'aluminium Withdrawn EP0103602A1 (fr)

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FR8204785A FR2523004A1 (fr) 1982-03-15 1982-03-15 Procede de moulage en coquille de pieces a base d'aluminium dans lequel on tient compte de la temperature de la coquille

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PT (1) PT76376A (fr)
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IT8319995A1 (it) 1984-09-10
FR2523004A1 (fr) 1983-09-16
FR2523004B1 (fr) 1984-11-23
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PT76376A (fr) 1983-04-01
GR77949B (fr) 1984-09-25
AU1337983A (en) 1983-10-24
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BR8306480A (pt) 1984-02-07
IT8319995A0 (it) 1983-03-10
WO1983003213A1 (fr) 1983-09-29
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NO834034L (no) 1983-11-04
JPS59500167A (ja) 1984-02-02
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IT1161104B (it) 1987-03-11
ES520565A0 (es) 1983-12-16
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