EP0421039A1 - Procédé de moulage à mousse perdue et sous pression de pièces métalliques - Google Patents

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EP0421039A1
EP0421039A1 EP89420446A EP89420446A EP0421039A1 EP 0421039 A1 EP0421039 A1 EP 0421039A1 EP 89420446 A EP89420446 A EP 89420446A EP 89420446 A EP89420446 A EP 89420446A EP 0421039 A1 EP0421039 A1 EP 0421039A1
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Aluminium Pechiney SA
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D27/00—Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting
    • B22D27/09—Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting by using pressure
    • B22D27/13—Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting by using pressure making use of gas pressure

Definitions

  • the present invention relates to a lost foam and pressure molding process for metal parts, in particular aluminum and its alloys.
  • This technique has proven to be attractive on an industrial scale, because it avoids the prior manufacture, by compacting and agglomeration of powdery refractory materials, of rigid molds associated in a more or less complicated way with cores via channels. , and that it allows easy recovery of the molded parts as well as easy recycling of the molding materials.
  • this technique is handicapped by two factors: -the relative slowness of solidification which promotes the formation of gassing pits -the relative weakness of the thermal gradients which can cause micro-back-up if the layout of the part makes its weighting difficult.
  • This request teaches that after filling the mold with the molten metal, that is to say 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 does not start, we exercise on the whole of the mold and of the metal an isostatic gas pressure. This pressure is applied according to increasing values over time in order to avoid the phenomenon of watering and so that the maximum value is reached in less than 15 seconds.
  • the molded parts obtained have an increased compactness which results in an improvement in the mechanical characteristics, in particular in terms of resistance.
  • the present invention which consists of a lost foam and pressure molding process of metal parts, in particular aluminum and its alloys, in which an organic foam model of the part to be molded is immersed in a mold whose walls are delimited by a dry sand bath containing no bonding agent, the mold is filled with the metal in the liquid state which replaces the foam and gradually solidifies and an increasing isostatic gas pressure is simultaneously applied to the mold and the metal as soon as possible at the end of the filling, characterized in that the pressure exerted rises to a value between 1.5 and 10 MPa.
  • the invention consists in using pressures between 1.5 and 10 MPa and preferably between 5 and 10 MPa.
  • the pressurization can be carried out using a sealed box in which the mold is placed, said box being equipped with one or more pipes distributed suitably on its wall and connected to a source of pressurized gas.
  • the pressure is mainly used to accelerate the flow of liquid metal between the dendrites of the metal being solidified and the effect stops when the solid network has reached a certain development .
  • these low pressures allow the counterweight to act effectively to avoid the phenomenon of shrinkage due to the contraction of the metal during solidification.
  • Figure 1 attached is a micrograph of an A-S7G03 alloy molded according to the invention under a pressure of 7 Mpa, then heat treated. This micrograph reveals the plastic deformation imposed on the dendritic network and which has the effect of filling the porosities, and illustrates well the forging effect to which the metal is subjected in this process.
  • This new pressure range is preferably applied before the quantity of solidified metal reaches 40% by weight so as to be able to act on the liquid flow.
  • the maximum pressure applied is reached before the quantity of solidified metal does not exceed 90% in order to be able to benefit fully from the deformation effect.
  • the application of the pressure is done by progressive increase in particular at the beginning of the solidification in order to avoid the "watering", phenomenon which results from a transient imbalance between the pressure exerted directly on the metal and the pressure exerted on the metal via the sand bath.
  • the bath causes a relatively large pressure drop in the transmission of pressure and the result is, at the level of the metal in contact with the sand, a tendency of this pressure to expel the metal through the grains of sand and to cause deformation of the molded part.
  • the invention can be illustrated using the following example of application: Cylindrical hollow bodies with an outside diameter of 45 mm, a wall thickness of 4 mm, with adjacent ribs and bosses of 20 x 20 x 80 mm were molded according to the prior process and that of the invention, that is to say that is to say, inside the enclosure containing the mold and just before solidification begins, an isostatic gas pressure corresponding respectively to atmospheric pressure, 1 MPa, 5 MPa and 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, 05; 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; NiO, 05; PbO, 05; SnO, 05; TiO, 05-0.30; balance Al;
  • the fatigue life F in MPA was measured from rotary bending tests on a test piece machined at 107 cycles according to the staircase method. F is valid for both thick and thin areas, since it does not depend on the speed of solidification but on the porosity and therefore on the pressure applied.

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Abstract

L'invention est relative à un procédé de moulage à mousse perdue et sous pression de pièces métalliques. Ce procédé consiste après avoir rempli le moule avec le métal à l'état liquide et avant que la fraction solidifiée de métal ne dépasse 40% en poids à appliquer une pression gazeuse isostatique sur l'ensemble moule-métal dont la valeur est comprise entre 1,5 et 10 MPa. L'invention trouve son application dans l'obtention de pièces notamment en alliages d'aluminium présentant des caractéristiques mécaniques améliorées et en particulier une meilleure tenue à la fatigue.

Description

  • 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 de l'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 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 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 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 aperçue 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, 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 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 entre 1,5 et 10 MPa.
    Ainsi, l'invention consiste à mettre en oeuvre des pressions comprises entre 1,5 et 10 MPa et de préférence entre 5 et 10 MPa.
  • Comme dans la demande de brevet français 2 606 688, la mise sous pression peut être réalisée à l'aide d'un caisson étanche dans lequel on place le moule, le dit caisson étant équipé d'une ou dè 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 déformation à chaud du réseau de métal déjà solidifié, phénomène qui devient dominant puis exclusif lorsque le taux de solidification atteint des valeurs voisines de 50 à 70 % suivant le 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 a 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 maximum appliquée soit atteinte avant que la quantité de métal solidifié ne dépasse 90% afin de pouvoir bénéficier à plein de l'effet de déformation.
  • Comme dans la demande de brevet français 2 606 688, il est préférable que l'application de la pression se fasse par accroissement progressif notamment au début de la solidification afin d'éviter l' "abreuvage", phénomène qui résulte 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 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 d'application suivant :
    Des corps creux cylindriques de diamètre extérieur 45 mm, 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-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,05 ; 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,05-0,30; solde Al;
  • Les essais mécaniques effectués sur lesdits corps après des traitements thermiques normalisés Y23 pour l'A-S7G03 et Y24 pour l'A-U5GT ont permis de mesurer les caractéristiques suivantes en fonction des pressions appliquées.
    - dans l'A-S7G03, l'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 des pièces.
    - 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. TABLEAU
    A-S7GO3 A-U5GT
    zone épaisse zone mince F Zone épaisse Zone mince F
    Q Q LE R A LE R A
    Solidification sous P atmosphérique 240 325 40 235 340 8 260 355 7 90
    Solidification sous 1 MPa 335 420 65 240 365 8 260 405 11 120
    Solidification sous 5 MPa 410 460 85 250 400 12 260 410 15 130
    Solidification sous 10 MPa 440 490 100 260 420 15 260 420 18 140
    On constate une amélioration de toutes les caractéristiques mesurées et notamment une tenue à la fatigue accrue.

Claims (4)

1. Procédé de moulage à mousse perdue et sous pression 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 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 entre 1,5 et 10 MPa.
2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la pression exercée s'élève jusqu'à une valeur comprise entre 5 et 10 MPa.
3. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'on applique la pression au plus tard quand la quantité de métal solidifié atteint 40% en poids.
4. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la pression maximum est atteinte avant que la quantité de métal solidifié dépasse 90% en poids.
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