EP0396483B1

EP0396483B1 - Procédé et dispositif d'alimentation en métal liquide d'un moule

Info

Publication number: EP0396483B1
Application number: EP90470023A
Authority: EP
Inventors: Jean-Pierre Denis
Original assignee: Pont a Mousson SA
Current assignee: Pont a Mousson SA
Priority date: 1989-05-05
Filing date: 1990-04-26
Publication date: 1992-12-16
Anticipated expiration: 2010-04-26
Also published as: CA2016092C; US5176196A; EP0396483A1; PT93953A; PT93953B; JPH0347667A; ES2033219T3; JP2902446B2; DD294200A5; CA2016092A1; BR9002100A; DE69000588T2; MX173020B; FR2647379A1; GR3006566T3; FR2647379B1; DE69000588D1; ES2033219T1; DK0396483T3; ATE83413T1

Description

La présente invention est relative à un procédé et un dispositif d'alimentation en métal liquide d'un moule.
La présente invention a plus particulièrement pour objet un procédé et un dispositif d'alimentation en alliage ferreux, d'un moule constitué d'un modèle perdu gazéifiable noyé dans un matériau de moulage granulaire non lié, qui supprime l'apparition du phénomène de carbone brillant.
Dans les installations de ce type, un modèle perdu gazéifiable, en polystyrène expansé, est utilisé à chaque coulée. Ce modèle, une fois produit, est recouvert d'un revêtement réfractaire puis placé dans le moule proprement dit où il est noyé dans un matériau granulaire, généralement du sable, qui est compacté par vibrage.
Le moule est alors réalisé et peut être alimenté en métal liquide qui vaporise alors le modèle perdu gazéifiable.
Ce procédé est connu sous la dénomination générale de coulée en moule plein.
Dans les cas de réalisations de pièces en alliages ferreux à hauts points de fusion comme la fonte ou l'acier, le matériau constituant le modèle perdu n'est pas toujours entièrement vaporisé. De plus il arrive fréquemment que les constituants du modèle perdu, qui ont été vaporisés dans un premier temps, se recondensent partiellement ensuite.
Dans les deux cas il se forme alors des résidus carbonés à la surface de la pièce moulée.
Dans le cas de pièces à faible teneur en carbone, comme les aciers, les résidus carbonés se dissolvent dans le métal liquide.
Malgré tout, même dans ce cas, les conséquences ne sont pas négligeables puisqu'il apparaît alors dans la pièce un gradient de teneur en carbone, la surface de la pièce étant plus riche en carbone que le corps de la pièce.
Ainsi, les pièces en acier à faible taux de carbone garanti ne pouvaient jusqu'à présent être fabriquées selon le procédé de coulée en moule plein décrit ci-dessus.
Dans le cas de pièces en métal à haute teneur en carbone comme les pièces en fonte ductile les conséquences sont encore plus importantes.
Il apparaît en effet ce qui est classiquement appelé le carbone brillant et qui se manifeste aléatoirement sous la forme de discontinuités dans l'épaisseur et d'irrégularités à la surface de la pièce moulée qui nuisent à la santé de la pièce.
Ainsi, jusqu'à présent, il n'existait pas de procédé et de dispositif permettant de façon simple et reproductible de fabriquer des pièces en fonte ductile présentant des caractéristiques mécaniques élevées dans le cadre du procédé en moule plein avec modèle perdu gazéifiable en polystyrène expansé ou tout autre matériau qui se décompose en produisant des résidus carbonés.
Pour pallier l'apparition du carbone brillant ainsi que la diffusion du carbone dans la pièce moulée, il a été proposé de changer le matériau constituant le modèle perdu.
C'est ainsi qu'est apparu, en remplacement du polystyrène , le polyméthyl méthacrylate qui, quand il est soumis à une pyrolyse dans le domaine de température des alliages ferreux, se vaporise totalement en ne produisant pas de résidus carbonés.
Mais, si ce produit évite l'apparition du carbone brillant, il présente d'autres problèmes.
En effet, outre le problème de son prix, il apparaît comme étant moins solide que le polystyrène, ce qui nécessite un accroissement des précautions lors de la manipulation du modèle, et, de plus, il génère une plus grande quantité de gaz qui peut entraîner un refoulement du métal liquide lors de l'alimentation du moule, ce qui nécessite de doubler le temps de remplissage du moule.
La présente invention a donc pour but de résoudre les problèmes ci-dessus.
La présente invention a plus particulièrement pour objet un procédé et un dispositif de réalisation de pièces en alliage ferreux par le procédé de coulée en moule plein, dans lequel le modèle perdu gazéifiable est réalisé en un matériau produisant des résidus carbonés dans le domaine des températures de coulée de cet alliage ferreux, qui éliminent les problèmes liés à la production de ces résidus carbonés en supprimant l'apparition de carbone brillant.
Les caractéristiques et avantages ressortiront à la suite de la description qui va suivre faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d'exemple non limitatif et parmi lesquels :

la Fig.1 représente une installation de coulée en moule plein fonctionnant suivant le procédé selon l'invention.
la Fig.2 représente le circuit de régulation de pression selon l'invention.

La demanderesse a découvert que, sous certaines conditions, l'utilisation d'une installation d'alimentation du moule en fonte liquide du type de celle décrite dans le document FR-A-2 295 808 permet d'éviter l'apparition du carbone brillant.
Ainsi, comme illustré sur la figure 1, l'installation fonctionnant suivant le procédé selon l'invention comprend une installation 1 d'alimentation en fonte liquide destinée à alimenter un moule 2 constitué d'un modèle perdu gazéifiable 3 noyé dans un sable sans liant 4 à l'intérieur d'un caisson 5.
L'installation 1 comporte une enceinte 6 sous pression de gaz à l'intérieur de laquelle est située la fonte liquide destinée à alimenter le moule 2.
Cette enceinte 6 comporte un couvercle 7 fixé de façon étanche à l'enceinte 6, une buse de coulée 8 traversant par un orifice 9 le couvercle 7, la jonction entre la buse 8 et le couvercle 7 étant étanche. Cette buse 8 est traversée, verticalement et de part en part, par un tube plongeur 10 qui plonge dans la fonte liquide jusqu'au voisinage du plancher de l'enceinte 6.
L'enceinte 6 est reliée, par un circuit 12, à une source de gaz sous pression 11 constituée par une enceinte alimentée en gaz sous pression.
Le modèle perdu gazéifiable 3, en polystyrène expansé, comprend deux parties, une partie 13 correspondant à la forme de la pièce qui doit être réalisée et une partie 14 constituant le puits de coulée par lequel le métal liquide vient ensuite alimenter les attaques de la pièce à réaliser.
Ce modèle perdu gazéifiable 3 est positionné par sa partie 14 dans un orifice 15 ménagé dans un insert 16 en matériau réfractaire, cet insert 16 étant fixé de façon amovible dans une ouverture 17 ménagée à la base du caisson 5.
Comme on le voit Fig.1, la buse de coulée 8, par son extrémité supérieure, est destinée à venir s'appliquer par contact étanche contre l'insert 16 du châssis 5, le tube plongeur 10 communiquant avec l'orifice 15 de l'insert 16.
Des orifices 18 sont ménagés dans les parois latérales 19 du caisson 5 pour relier ce caisson 5 à un dispositif de mise sous vide non représenté.
Comme on le voit Fig.2, le circuit 12 présente un dispositif de régulation 20 constitué par une ou plusieurs électrovannes qui commandent la communication entre l'enceinte 6 et la source de gaz sous pression 11. Le dispositif de régulation 20 est relié à un calculateur qui compare en permanence la pression existant dans l'enceinte 6 avec une pression de consigne.
Entre le dispositif de régulation 20 et l'enceinte 6 est placé un réservoir de gaz 21 qui joue le rôle de capacité tampon, reliée à l'enceinte 6 par un conduit 22 de fort diamètre, ce réservoir 21 présentant une fuite 23 permanente.
Il va maintenant être décrit le procédé selon l'invention et la mise en oeuvre du dispositif fonctionnant suivant le procédé selon l'invention.
Selon le fonctionnement classique d'une installation de coulée telle que celle décrite dans le document FR-A-2 295 808, la buse 8 est appliquée de façon étanche contre l'insert 16 du caisson 5 à la face inférieure de celui ci.
A la suite de cela, l'enceinte 6 sous pression contenant la fonte liquide voit sa pression P augmenter à une certaine vitesse dP/dT ( T représentant le temps) de telle sorte que la fonte liquide contenue dans l'enceinte monte dans le tube plongeur et pénètre dans le caisson 5 par l'orifice 15 de l'insert 16 à un certain débit.
Le modèle perdu 3 se vaporise alors sous l'action de la chaleur de la fonte liquide injectée dans le moule 2 au fur et à mesure que le moule 2 se remplit.
C'est à ce stade de remplissage du moule 2 que, dans l'art antérieur, le phénomène du carbone brillant apparaît.
Or la demanderesse a découvert sans pouvoir l'expliquer que, en régulant le débit d'alimentation du moule en métal liquide, le phénomène ci-dessus disparaît.
En effet, la demanderesse a découvert que le débit optimal d'alimentation du moule en fonte liquide permettant l'obtention d'une pièce d'où le carbone brillant est exclu est fonction de la géométrie du modèle perdu gazéifiable et plus particulièrement de son rapport S/V , S étant la surface du modèle perdu et V son volume.
Il apparaît en effet que plus le rapport S/V est faible plus le carbone brillant apparaît, toutes choses étant égales par ailleurs, mais que si on augmente le débit d'alimentation du moule jusqu'à une certaine valeur le phénomène disparaît.
Le procédé selon la présente invention consiste donc à réaliser une pièce en fonte ductile dans un moule constitué d'un modèle perdu en polystyrène expansé noyé dans un sable sans liant, le moule étant alimenté en fonte liquide par sa base par un dispositif d'alimentation constitué d'une enceinte sous pression contenant la fonte liquide, dans lequel le débit d'alimentation du moule en fonte liquide est calculé en fonction du rapport S/V du modèle perdu gazéifiable de telle façon que le phénomène de carbone brillant n'apparaisse pas.
Il convient pour cela d'obtenir une parfaite régulation de la pression régnant à l'intérieur de l'enceinte 6 ce qu'aucun dispositif antérieur ne permettait.
C'est ce que permet le dispositif de régulation 20.
En effet, quand on veut réguler la pression à l'intérieur d'une poche de coulée, les températures atteintes par les gaz dans ladite poche imposent d'éloigner les électrovannes de celle-ci afin d'éviter que les joints d'étanchéité des électrovannes ne brûlent pendant les phases de descente en pression qui surviennent une fois que le moule est rempli.
Il en résulte une constante de temps qui nuit à la stabilité de la régulation de pression.
Or, grâce au réservoir de gaz 21 qui joue le rôle de capacité tampon, la pression est en fait régulée par les électrovannes dans ledit réservoir 21 qui communique avec l'enceinte sous pression 6 par un conduit 22 de gros diamètre qui limite ainsi les pertes de charge.
Ainsi, le réservoir 21 permet aux gaz issus de l'enceinte 6 de se refroidir à une température acceptable pour le fonctionnement des électrovannes.
Par ailleurs, un autre problème de régulation résulte du fait que les gaz introduits dans l'enceinte 6 se réchauffent dans celle-ci ce qui entraîne dans l'enceinte une augmentation de la pression indésirable après que l'on a cessé d'injecter le gaz.
Grâce à la fuite permanente 23 qui est ménagée sur le réservoir 21, qui joue le rôle de capacité tampon, le système est en permanence maintenu en admission pendant toutes les phases de remplissage du moule 2.
Les faits exposés ci-dessus sont démontrés par les exemples numériques qui suivent.
Pour la réalisation d'un corps de vanne de 17 kg de poids de fonte dans un moule plein alimenté par un installation de coulée telle que décrite ci-dessus, la fonte liquide dans la poche étant à une température entre 1420°C et 1460°C, des débits d'alimentation du moule de 1 kg/s et de 3,3 kg/s ont donné des pièces défectueuses alors qu'un débit de 5,7 kg/s a permis d'obtenir une pièce parfaitement saine.
Ceci illustre bien que, en régulant la pression dans la poche d'alimentation et donc le débit d'alimentation dans un procédé en moule plein, on peut obtenir une pièce en fonte ductile d'où le carbone brillant est exclu.
Par ailleurs, pour la réalisation d'un collecteur d'échappement de 2,1 kg il a été possible d'obtenir une pièce saine à un débit d'alimentation de 3,3 kg/s, ce qui illustre bien que le débit optimal est fonction de la géométrie de la pièce et donc du modèle perdu gazéifiable.
L'invention ci-dessus est applicable de la même façon aussi bien à un moule destiné à la réalisation d'une seule pièce qu'à un moule destiné à la réalisation de plusieurs pièces. Dans ce dernier cas, le modèle perdu gazéifiable est constitué de plusieurs parties, correspondant aux différentes pièces à réaliser, placées en grappe après le puits d'alimentation 14.

Claims

Procédé pour la réalisation d' une pièce en fonte ductile dans un moule (2) constitué d'un modèle perdu gazéifiable (3), en un matériau produisant des résidus carbonés dans le domaine de températures de coulée de la fonte, noyé dans un sable (4) sans liant, selon lequel, le moule (2) étant alimenté en fonte liquide par sa base par un dispositif d'alimentation constitué d'une enceinte (6) sous pression contenant la fonte liquide, le débit d'alimentation du moule (2) en fonte liquide est régulé par la pression régnant dans l'enceinte sous pression de telle façon que le phénomène de carbone brillant n'apparaisse pas.
Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la pression régnant dans l'enceinte (6) sous pression est régulée en fonction du rapport S/V du modèle perdu gazéifiable (3), S représentant la surface du modèle perdu (3) et V son volume.
Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce que la pression de l'enceinte (6) sous pression est régulée en modifiant la pression régnant dans une capacité tampon constituée par un réservoir (21) sous pression reliée à ladite enceinte (6) sous pression.
Dispositif de régulation de la pression pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que une capacité tampon constituée par un réservoir (21) est interposée entre un dispositif (20) de régulation de pression et l'enceinte (6)
Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce que le réservoir (21) constituant la capacité tampon présente une fuite permanente (23).
Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce que le réservoir (21) constituant la capacité tampon est relié à l'enceinte (6) sous pression par un conduit (22) de fort diamètre.