EP0421039B1

EP0421039B1 - Procédé de moulage à mousse perdue et sous pression de pièces métalliques

Info

Publication number: EP0421039B1
Application number: EP89420446A
Authority: EP
Inventors: Michel Garat
Original assignee: Aluminium Pechiney SA
Current assignee: Rio Tinto France SAS
Priority date: 1989-09-07
Filing date: 1989-11-16
Publication date: 1993-07-14
Anticipated expiration: 2009-11-16
Also published as: FR2651453A2; EP0421039A1; FI92162C; CS433890A3; BR8906058A; YU168890A; DK581689D0; FI92162B; IE893715A1; HU209641B; KR930002837B1; DK581689A; CA2001845C; AU613541B2; FR2651453B2; CN1017784B; AU4538989A; MX170097B; ATE91444T1; FI895506A0

Description

La présente invention est relative à un procédé de moulage à mousse perdue et sous pression de pièces en aluminium et en ses alliages suivant le préambule de la revendication 1.
Il est connu de l'homme de l'art, principalement par l'enseignement de l'USP n° 3157924, 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 décrit dans le document EP-A-0274964, sur lequel le préambule de la revendication 1 est basé.
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.
Certes, le document FR-A-2254387 décrit un procédé pour mouler des métaux dans lequel on applique des pressions comprises entre 2 et 25 MPa mais, ce procédé s'applique à des métaux ayant une température de fusion supérieure à 1000°C et n'entre pas dans le cadre du moulage à mousse perdue.
D'où la présente invention qui consiste en un procédé de moulage à mousse perdue et sous pression de pièces 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, dans le but d'augmenter la tenue à la fatigue desdites pièces, la pression exercée s'élève jusqu'à une valeur comprise entre 1,5 et 10 MPa, valeur qui est atteinte avant que la quantité de métal solidifié dépasse 90% en poids.
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 le document EP-A-0274964, 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 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.
De plus, 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.
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.
Comme dans le document EP-A-0274964, 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 cylindriques de diamètre extérieur 45mm, d'épaisseur de paroi 4mm, comportant des nervures adjacentes et des bossages de 20x20x80 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 %: Fe 0,20; Si 6,5-7,5; Cu 0,10; Zn 0,10; Mg 0,25-0,40; Mn 0,10; Ni 0,05; Pb 0,05; Sn 0,05; Ti 0,05-0,20; solde Al;
l'A-U5GT de composition : Fe 0,35; Si 0,20; Cu 4,20-5 00; Zn 0,10; Mg 0,15-0,35; Mn 0,10; Ni 0,05; Pb 0,05; Sn 0,05; Ti 0,05-0,30; 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.

Claims

Procédé de moulage à mousse perdue et sous pression de pièces 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, dans le but d'augmenter la tenue à la fatigue desdites pièces, la pression exercée s'élève jusqu'à une valeur comprise entre >1,5 et ≦10 MPa, valeur qui est atteinte avant que la quantité de métal solidifié dépasse 90% en poids.
Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la pression exercée s'élève jusqu'à une valeur comprise entre 5 et 10 MPa.
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.