EP0670190B1 - Moule de fonderie et son procédé de réalisation - Google Patents

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EP0670190B1
EP0670190B1 EP95400426A EP95400426A EP0670190B1 EP 0670190 B1 EP0670190 B1 EP 0670190B1 EP 95400426 A EP95400426 A EP 95400426A EP 95400426 A EP95400426 A EP 95400426A EP 0670190 B1 EP0670190 B1 EP 0670190B1
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mold
coating
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layer
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Eric Lenoir
Philippe Azemar
José Kopniaeff
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Automobiles Peugeot SA
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Automobiles Peugeot SA
Automobiles Citroen SA
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/02—Pretreatment of the material to be coated, e.g. for coating on selected surface areas
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C3/00—Selection of compositions for coating the surfaces of moulds, cores, or patterns

Definitions

  • the present invention relates to a mold for foundry for aluminum alloys, as well as a process for its realization.
  • This refractory layer has several functions.
  • this refractory lining protects the shell and thus prevents its premature destruction.
  • this coating constitutes a interface between the mold and the liquid alloy, which minimizes interactions.
  • such a coating ensures certain thermal exchanges and participates in the control of the directed solidification.
  • the document EP A 0 212 157 describes a foundry mold for the production of grids of lead, comprising a metal substrate coated with a protective layer, said layer having a ceramic refractory lining, as well as a bonding underlayment to base of a chromium, cobalt or nickel alloy, interposed between the coating ceramic refractory and metal substrate.
  • a mold of Foundry for aluminum alloys is subject to strong thermal differences. Before the casting operation it is heated by burners of so as to be kept at a temperature of the order of 350 ° C. Then, the alloy is poured into it at a temperature which is around 680 ° C in the case of alloys aluminum. Mold wall temperatures therefore vary between 350 ° C and 680 ° C each time a part is cast, the rates of casting being able to hit the rhythm of one pour every five minutes. These thermal differences between the substrate and its coating induce differences in expansion which, by their repetition, destroy said coating.
  • the invention provides a foundry mold for aluminum alloys comprising a metal substrate coated with a protective layer, said layer having a coating of a refractory material inert with respect to the cast metal, as well a bonding sub-layer interposed between the coating and the substrate, characterized in that the coating is made of a material chosen from the group comprising mullite, yttrium oxide and MgO-Al 2 O 3 mixtures , such as spinel, and in that the bonding layer is made of an alloy of nickel, chromium, aluminum and yttrium.
  • the mold 1 shown in this figure includes a substrate 2, as well as a coating 3. Between the substrate 2 and the coating 3 is interposed a layer intermediate 4.
  • the substrate 2 is for example made of steel Z38CDV05, this steel being conventionally used for making foundry molds with good resistance to thermal shock.
  • the material of the refractory lining 3 is chosen for its insulating, refractory and inert qualities vis-à-vis cast alloys. It thus resists chemical aggressiveness of cast alloys and allows avoid tinning.
  • the intermediate layer 4 constitutes, for the refractory lining 3, a bonding sub-layer. It is made of a material which is chosen so that said refractory lining 3 does not deteriorate during molding cycles, by difference in expansion thermal with substrate 2.
  • This bonding underlayer 4 is made of an alloy by Ni Cr Al Y (Nickel Chrome Aluminum Yttrium), by example with the following weight percentages: 67% Ni, 22% Cr, 10% W Al, 1% Y and has a coefficient of thermal expansion close to that of substrate 2 and allowing good attachment of the coating 3 refractory.
  • the thermal coefficients of expansion of the steel of the substrate 2 and of the various constituents mentioned above for the sub-layer 4 and the coating 3, are the following: (in m / mK) Z38CDV5 between 12.6 and 13.2.10 -6 Mullite 5.10 -6 Al 2 O 3 8.10 -6 MgO 12 to 16.10 -6 Spinel 8.3.10 -6 Y 2 O 3 8.10 -6 Ni Cr Al Y 15.2.10 -6 (in the above composition)
  • the thickness of the underlay 4 of Ni Cr Al Y alloy can be included between 0.02 and 0.2 mm, that of the coating 3 between 0.01 and 0.11 mm when in alumina-magnesia and in particular between 0.01 and 0.03 mm when it is spinel.
  • Cohesion, roughness, hardness of the layer protective thus produced by the coating 3 and the undercoat 4 are such that we do not observe degradation of the mold surface compared to that observed on a poteyé mold in a traditional way. The best results are obtained with coatings 3 of spinel.
  • the corundumization operation is carried out by means of a numerically controlled machine.
  • Surface condition obtained for the parts to be coated, in particular their roughness, is very precisely controlled by playing on the distance between the corundumization nozzle and the part to to cover, as well as the angle of incidence according to which the corundum particles are projected onto the part.
  • This preparation is preferably carried out just before the deposition of the sublayer 4 hooking and refractory lining 3, so as not to not give the coated part time to oxidize or get polluted.
  • the operations of deposition are carried out by thermal spraying by torch plasma.
  • the plasma torch is manipulated by a robot and controlled by a programmable controller, which allows repeatability of operations.
  • the deposit can also be carried out using an oxy-acetylene torch.
  • the material to deposit is placed on the substrate 2 in the form of a bead or powder, said substrate 2 being brought to high temperature (around or above 600 ° C), so as to promote the chemical bonds between the underlay attachment 4 and the substrate 2.
  • the deposits of the undercoat 4 for hanging and covering 3 can be produced by the plasma torch on a substrate 2 brought to high temperature (around or above 600 ° C).
  • the invention has been described for the foundry of aluminum alloys in gravity shell. She of course applies generally to any molding in shell, and in particular in shell molding under high pressure or under low pressure.
  • An advantageous application of the invention is the manufacture of parts for motor vehicles.

Description

La présente invention est relative à un moule de fonderie pour alliages d'aluminium, ainsi qu'à un procédé pour sa réalisation.
Le moulage en coquille (c'est à dire au moyen d'un moule métallique) constitue un procédé éprouvé et au point sur le plan technologique, notamment pour le moulage d'alliages d'aluminium-silicium.
Classiquement, pour protéger les parois du moule des interactions entre, d'une part, l'alliage liquide et, d'autre part, l'acier ou la fonte qui constituent le moule, on revêt lesdites parois d'une couche de matériau réfractaire.
Ce revêtement est habituellement réalisé par « poteyage », c'est-à-dire par dépôt (au pinceau ou en utilisant un pistolet de projection) d'une suspension en solution, le moule ainsi revêtu étant ensuite étuvé aux alentours de 300°C pour évacuer les solvants.
Cette couche réfractaire a plusieurs fonctions.
Elle permet d'éviter l'étamage, c'est-à-dire le collage de l'alliage liquide sur les parois du moule.
Elle assure la lubrification du moule et permet de réduire les défauts de surface de celui-ci (rugosité trop importante, entailles, criques, joints d'assemblage, etc.).
En outre, de par sa « friabilité », elle facilite le démoulage : quelques grains à la surface du moule sont arrachés à chaque extraction de pièce coulée, sans pour autant altérer notablement cette surface.
Egalement, ce revêtement réfractaire protège la coquille et évite ainsi sa destruction prématurée.
En particulier, ce revêtement constitue une interface entre le moule et l'alliage liquide, qui minimise les interactions.
Il constitue également une barrière thermique qui abaisse la température maximale atteinte à la surface de la coquille et prolonge ainsi la durée de vie du moule.
En outre, un tel revêtement assure certains échanges thermiques et participe à la maítrise de la solidification dirigée.
Cependant, la cohésion et la rugosité des revêtements réalisés par poteyage sont telles que ces revêtements se détruisent progressivement lors des cycles de fabrication des pièces de fonderie.
La technique de poteyage est de ce fait coûteuse. Elle nécessite en particulier l'immobilisation et le démontage réguliers des moules. Le poteyage a donc une incidence non négligeable sur le prix de revient des pièces.
Un but de l'invention est donc de proposer un moule de fonderie pour alliages d'aluminium qui présente un revêtement réfractaire permanent, c'est-à-dire dont la durée de vie est augmentée de façon substantielle par rapport à celle des revêtements obtenus par poteyage.
Il a déjà été proposé de remplacer les revêtements classiquement réalisés par poteyage par des couches de protection à base de Y2O3. On pourra avantageusement se référer à cet égard à la demande de brevet EP 252 862.
Ces couches de protection sont déposées directement sur l'acier du moule et s'avèrent d'une tenue dans le temps peu satisfaisante. Elles se détériorent rapidement du fait de la différence importante entre leur coefficient de dilatation thermique et celui du substrat sur lequel elles sont déposées.
Le document EP A 0 212 157 décrit un moule de fonderie pour la réalisation de grilles de plomb, comportant un substrat métallique revêtu d'une couche protectrice, ladite couche présentant un revêtement réfractaire céramique, ainsi qu'une sous-couche d'accrochage à base d'un alliage de chrome, de cobalt ou de nickel, interposée entre le revêtement réfractaire céramique et le substrat métallique.
Lors d'un cycle de moulage un moule de fonderie pour alliages d'aluminium est soumis à de forts écarts thermiques. Avant l'opération de coulée, il est chauffé par des brûleurs de façon à être maintenu à une température de l'ordre de 350°C. Puis, l'alliage y est coulé à une température qui est de l'ordre de 680°C dans le cas des alliages d'aluminium. Les températures des parois du moule varient donc entre 350°C et 680°C à chaque fois qu'une pièce est coulée, les cadences de coulée pouvant atteindre le rythme d'une coulée toutes les cinq minutes. Ces écarts thermiques entre le substrat et son revêtement induisent des différences de dilatation qui, par leur répétition, détruisent ledit revêtement.
Pour résoudre ce problème technique, l'invention propose un moule de fonderie pour alliages d'aluminium comportant un substrat métallique revêtu d'une couche protectrice, ladite couche présentant un revêtement en un matériau réfractaire inerte vis-à-vis du métal coulé, ainsi qu'une sous-couche d'accrochage interposée entre le revêtement et le substrat, caractérisé en ce que le revêtement est en un matériau choisi dans le groupe comprenant la mullite, l'oxyde d'yttrium et les mélanges MgO-Al2O3, tels que la spinelle, et en ce que la couche d'accrochage est en un alliage de nickel, de chrome, d'aluminium et d'yttrium.
L'invention propose également un procédé pour sa réalisation.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit. Cette description est purement illustrative et non limitative. Elle doit être lue en regard de la figure unique annexée (figure 1) sur laquelle on a représenté schématiquement, en vue en coupe, un détail avec arraché d'un moule conforme à l'invention.
Le moule 1 représenté sur cette figure comporte un substrat 2, ainsi qu'un revêtement 3. Entre le substrat 2 et le revêtement 3 est interposée une couche intermédiaire 4.
Le substrat 2 est par exemple réalisé en acier Z38CDV05, cet acier étant utilisé classiquement pour réaliser les moules de fonderie et présentant une bonne résistance aux chocs thermiques.
Le matériau du revêtement 3 réfractaire est choisi pour ses qualités isolantes, réfractaires, et inertes vis-à-vis des alliages coulés. Il résiste ainsi à l'agressivité chimique des alliages coulés et permet d'éviter l'étamage.
Le revêtement 3 est réalisé en un matériau choisi dans le groupe comprenant :
  • l'oxyde d'yttrium Y2O3,
  • la mullite, de composition 3Al2O3 - 2SiO2 ,
  • les mélanges MgO - Al2O3, et parmi ceux-ci plus particulièrement la spinelle de composition Mg Al2O4.
La couche 4 intermédiaire constitue, pour le revêtement 3 réfractaire, une sous-couche d'accrochage. Elle est en un matériau qui est choisi de façon que ledit revêtement 3 réfractaire ne se détériore pas lors des cycles de moulage, par différence de dilatation thermique avec le substrat 2.
Cette sous-couche 4 d'accrochage est en un alliage de Ni Cr Al Y (Nickel Chrome Aluminium Yttrium), par exemple avec les pourcentages pondéraux suivants: 67 % Ni, 22 % Cr, 10 % W Al, 1 % Y et a un coefficient de dilatation thermique voisin de celui du substrat 2 et permettant un bon accrochage du revêtement 3 réfractaire.
Les coefficients thermiques de dilatation de l'acier du substrat 2 et des différents constituants cités ci-dessus pour la sous-couche 4 et le revêtement 3, sont les suivants : (en m/mK)
Z38CDV5 entre 12,6 et 13,2.10-6
Mullite 5.10-6
Al2O3 8.10-6
MgO 12 à 16.10-6
Spinelle 8,3.10-6
Y2O3 8.10-6
Ni Cr Al Y 15,2.10-6 (dans la composition ci-dessus)
A titre d'exemple non limitatif, l'épaisseur de la sous-couche 4 en alliage Ni Cr Al Y peut être comprise entre 0,02 et 0,2 mm, celle du revêtement 3 entre 0,01 et 0,11 mm lorsqu'il est en alumine-magnésie et notamment entre 0,01 et 0,03 mm lorsqu'il est en spinelle.
La cohésion, la rugosité, la dureté de la couche protectrice ainsi réalisée par le revêtement 3 et la sous-couche d'accrochage 4 sont telles que l'on n'observe pas de dégradation de la surface du moule comparée à celle observée sur un moule poteyé de manière traditionnelle. Les meilleurs résultats sont obtenus avec des revêtements 3 de spinelle.
On notera que la bonne résistance du revêtement 3 vis-à-vis des alliages d'aluminium permet d'envisager d'utiliser des aciers de moins bonne qualité que l'acier Z38CDV05 pour réaliser le substrat 2 du moule 1.
Le procédé selon l'invention pour la réalisation d'un moule 1 du type de celui qui vient d'être décrit comprend la succession d'étapes suivantes:
  • a) préparation de la surface du substrat 2 métallique ;
  • b) dépôt de la sous-couche 4 d'accrochage ; et
  • c) dépôt du revêtement 3 réfractaire.
    • Une préparation très méticuleuse du substrat 2 est nécessaire pour éliminer de la surface de celui-ci une éventuelle couche d'oxyde et créer des rugosités favorisant l'adhérence de la sous-couche 4 d'accrochage. Cette préparation de la surface à revêtir consiste avantageusement en un corindonage, c'est-à-dire en une projection (grenaillage) de corindon (alumine cristallisée), sur la surface du substrat 2.
    L'opération de corindonage est réalisée au moyen d'une machine à commande numérique. L'état de surface obtenu pour les pièces à revêtir, en particulier leur rugosité, est maítrisé de façon trés précise en jouant sur la distance entre la buse de corindonage et la pièce à revêtir, ainsi que sur l'angle d'incidence suivant lequel les particules de corindon sont projetées sur la pièce.
    La qualité de cette préparation est primordiale pour le procédé conforme à l'invention, puisqu'elle conditionne l'accrochage mécanique des dépôts sur le substrat 2.
    Cette préparation est préférentiellement réalisée juste avant les opérations de dépôt de la sous-couche 4 d'accrochage et du revêtement 3 réfractaire, afin de ne pas donner à la pièce revêtue le temps de s'oxyder ou de se polluer.
    Selon un mode de mise en oeuvre possible avantageux du procédé de l'invention, les opérations de dépôt sont réalisées par projection thermique par torche plasma.
    La torche plasma est manipulée par un robot et pilotée par un automate programmable, ce qui permet la répétitivité des opérations.
    En variante, le dépôt peut également être réalisé en utilisant un chalumeau oxy-acétylénique. La matière à déposer est placée sur le substrat 2 sous forme de cordon ou de poudre, ledit substrat 2 étant porté à haute température (de l'ordre de ou supérieure à 600°C), de façon à favoriser les liaisons chimiques entre la sous-couche d'accrochage 4 et le substrat 2.
    Le même soin doit être apporté à la préparation du substrat 2 par corindonage, les opérations de dépôt étant également réalisées rapidement après la préparation dudit substrat 2.
    Les résultats les plus probants ont été obtenus avec la torche plasma.
    En variante encore, les dépôts de la sous-couche 4 d'accrochage et du revêtement 3 peuvent être réalisés par la torche plasma sur un substrat 2 porté à haute température (de l'ordre de ou supérieure à 600°C).
    L'invention permet :
    • des gains substantiels au niveau du coût de fabrication des pièces produites en aluminium coulées en coquille ;
    • une dotation moins importante en nombre de moules pour assurer la production d'une pièce donnée du fait de la suppression du poteyage (aujourd'hui : 8 moules en fabrication, pour 2 moules en poteyage), ce qui se traduit par une réduction des investissements pour fabriquer les pièces de fonderie ;
    • une diminution de la masse des pièces produites du fait de la réduction possible des dépouilles nécessaires à l'extraction de la pièce du moule, les moules poteyés nécessitant quant à eux des dépouilles importantes de façon à éviter la dégradation rapide du poteyage à chaque démoulage de pièce ;
    • l'utilisation de matériaux moins chers que ceux utilisés actuellement pour réaliser des parties de moules du fait de la résistance des dépôts.
    L'invention a été décrite pour la fonderie des alliages d'aluminium en coquille par gravité. Elle s'applique bien entendu de façon générale à tout moulage en coquille, et notamment au moulage en coquille sous haute pression ou sous basse pression.
    Une application avantageuse de l'invention est la fabrication de pièces pour véhicules automobiles.

    Claims (11)

    1. Moule de fonderie pour alliages d'aluminium comportant un substrat métallique (2) revêtu d'une couche protectrice (3,4), ladite couche présentant un revêtement (3) en un matériau réfractaire inerte vis-à-vis du métal coulé, ainsi qu'une sous-couche (4) d'accrochage interposée entre le revêtement (3) et le substrat (2), ledit revêtement (3) étant en un matériau choisi dans le groupe comprenant la mullite, l'oxyde d'yttrium et les mélanges MgO-Al2O3, tels que la spinelle, caractérisé en ce que la couche d'accrochage est en un alliage de nickel, de chrome, d'aluminium et d'yttrium.
    2. Moule de fonderie selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit alliage présente la composition pondérale suivante : 67 % de nickel, 22 % de chrome, 10 % d'aluminium et 1 % d'yttrium.
    3. Procédé de réalisation d'un moule (1) selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :
      a) préparation de la surface du substrat (2) métallique ;
      b) dépôt de la sous-couche (4) d'accrochage ; et
      c) dépôt du revêtement (3).
    4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'étape a) consiste à éliminer de la surface du substrat (2) une éventuelle couche d'oxyde et à créer des rugosités facilitant le dépôt de la sous-couche (4) d'accrochage.
    5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'étape a) comprend une opération de grenaillage de la surface du substrat (2) avec des particules de corindon.
    6. Procédé selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que les étapes b) et c) sont effectuées suffisamment rapidement après l'étape a) pour que le substrat (2) n'ait pas le temps de s'oxyder.
    7. Procédé selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que l'étapes b) et/ou l'étape c) sont effectuées à l'aide d'un appareil à torche à plasma.
    8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la torche est montée sur un robot et pilotée par un automate programmable afin d'obtenir des dépôts répétitifs.
    9. Procédé selon l'une des revendications 3 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend une étape supplémentaire d), effectuée après l'étape a) et avant l'étape b), consistant à chauffer le substrat (2) à une température suffisante pour favoriser une liaison chimique entre le substrat (2) et la sous-couche (4) d'accrochage.
    10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que ladite température est supérieure ou égale à 600°C.
    11. Procédé selon l'une des revendications 3 à 10, caractérisé en ce que l'étape b) et/ou l'étape c) sont effectuées à l'aide d'un appareil tel qu'un chalumeau oxyacétylénique.
    EP95400426A 1994-03-01 1995-02-28 Moule de fonderie et son procédé de réalisation Expired - Lifetime EP0670190B1 (fr)

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    EP0670190A1 EP0670190A1 (fr) 1995-09-06
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