EP2654988B1 - Procede de fabrication de noyau de sel par compaction isostatique pour des pieces mettant en oeuvre des operations successives de fonderie et de forgeage - Google Patents

Procede de fabrication de noyau de sel par compaction isostatique pour des pieces mettant en oeuvre des operations successives de fonderie et de forgeage Download PDF

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EP2654988B1
EP2654988B1 EP11817392.1A EP11817392A EP2654988B1 EP 2654988 B1 EP2654988 B1 EP 2654988B1 EP 11817392 A EP11817392 A EP 11817392A EP 2654988 B1 EP2654988 B1 EP 2654988B1
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core
foundry
salt
preform
forging
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Saint Jean Industries SAS
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/10—Cores; Manufacture or installation of cores
    • B22C9/105—Salt cores
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21J—FORGING; HAMMERING; PRESSING METAL; RIVETING; FORGE FURNACES
    • B21J5/00—Methods for forging, hammering, or pressing; Special equipment or accessories therefor
    • B21J5/002—Hybrid process, e.g. forging following casting

Definitions

  • the invention relates to the technical sector of the design of cores for castings and forged thereafter.
  • the core foundry, allows for hollow shapes in foundry parts. It is usually made of sand or salt.
  • Figures 1A-1B a core of blown sand or salt core blown before and after the particle assemblies.
  • the sand (1) is coated with a binder (2) which hardens during firing of the core.
  • the sand and the binder are introduced into a nozzle and air is pressurized upstream of this nozzle. Downstream is the core box. The pressure is released and throws the sand into the core box which can be hot or cold.
  • the sand fills the cavity of the core box and is frozen by the binder.
  • the filling of complex shapes is difficult to develop. Also it is necessary in some cases the use of two points of supply of sand in the box with nucleus, to limit the variations of forms and section.
  • Figure 1B showing porosities (p).
  • kernel salt blown using the same method the operation is carried out under similar conditions, with the same constraints and disadvantages, in particular porosity.
  • the technique of manufacturing the salt core consists of a first stamping operation followed by sintering of a salt powder mixture with a binder and a release agent.
  • Salt grains represent (3) and (4) the bond obtained from the grains according to the process. Forging leads to obtaining a core that is strong enough to handle. Its solidity is completed after a sintering operation at high temperature.
  • the binder is in a semi-solid or liquid state and fills a portion of the porosities that persist after stamping.
  • the bonds established by the binder give the core a high breaking strength but the compressibility remains high because all the porosities (p) are not filled.
  • the stamping operation causes limitations of shapes and sizes to form the core.
  • the core obtained according to the aforementioned methods, and their heterogeneous structure, are partially unsuitable for other treatments, such as, for example, a forging operation.
  • the Applicant is the designer of the COBAPRESS process (registered trademark) defined in the European patent. 119,365 .
  • the Applicant has also developed many improvements to the basic technology of the COBAPRESS process with for example the insertion of metal inserts into the preform, which is then forged. This was defined in the patent EP 586,314 .
  • the inserts are permanently disposed in the preform and the final piece obtained.
  • gases can come from the combustion of the resins or binders forming part of the core.
  • the gas evacuation duct ensures (s) the positioning of the core in the mold during the molding operation. This therefore generates a very particular structure, with technical constraints related to this particular implementation, with in particular specific means for sealing the preform blank.
  • the Applicant has turned in his approach in a different way from the techniques described above, on a new manufacturing design of the foundry core that can be made without structural modification in the preform for the forging operation of the preform and therefore the core surrounded by solid metal at pressures of the order of 600 to 700 MPa.
  • the solution found and tested by numerous tests has validated the choice of the Applicant for the manufacture of this core.
  • the method of manufacturing the salt core for introduction into a foundry mold by casting a material known in the foundry to obtain a preform is remarkable in that the core is a salt powder and undergoes for its shaping an operation of isostatic compression of the salt powder, the core obtained to the desired shapes then being introduced into the foundry mold to achieve the shape to be obtained, and in that the form resulting from the operation of foundry is a preform including the salt powder core obtained by isostatic compression, said preform being then forged at a pressure between 600 and 700 MPa in order to obtain the final form of the product to be obtained, and the core being then evacuated.
  • the core (10) is made of salt powder.
  • the kernel is shaped by isostatic compression by introducing the salt powder into the a mold having a very high yield strength and a very good ability to return to its original shape after deformation.
  • the mold is filled with salt powder, it is sealed by introducing into an isostatic pressure chamber most often containing a pressure-bearing liquid, the vector of this pressure may also be gas.
  • the said enclosure is closed and pressurized. This pressure is applied to the salt powder through the mold.
  • the grains of salt powder deform can fragment and finally agglomerate to form a compact without porosity.
  • the high pressure applied and its homogeneous distribution in the salt powder gives a compact core with very good cohesion.
  • the foundry preform thus obtained is then forged with the salt core compacted by isostatic pressing at a pressure of 600 to 700 MPa.
  • the salt core which has been compacted undergoes no loss of volume during the forging operation being protected by the preform itself and having been compacted with a virtual absence of vacuum between the constitutive grains of the core.
  • the configuration of the core according to the invention gives it a very low compressibility.
  • the design of the casting which is then forged with the core according to the invention is facilitated.
  • the press force during the forging serves only to deform the core and the metal in a deviatoric manner, the rise in pressure not being affected by a decrease in the volume of the core.
  • the process uses one or more salt powder cores obtained by isostatic compaction in the foundry mold.
  • the diagram shown figure 4 thus highlights the compressibility curves of the core in each type of known embodiment mentioned above and according to the invention. There is thus the very clear differentiation which is obtained with the salt nucleus by isostatic compaction with regard to the prior art. In essence, this table highlights a specific advantage of the method according to the invention compared to the prior art.
  • a forging pressure of 600 MPa the deformation of the salt core by compression was measured.
  • the deformation rate of the salt nucleus by isostatic compression is only 4%, whereas the deformations for a sintered salt core are 24.2%, for a sand core of 29% already at a pressure of 350 MPa, and of , 2% for a puffed salt core.
  • the Applicant has therefore demonstrated the use of a salt core as part of the casting process of aluminum or aluminum alloy casting for the production of a foundry preform, said preform being transported for a forging operation at a pressure of 600 to 700 MPa, the use of a salt nucleus obtained by isostatic compression which exhibits, during the forging, a very small compression deformation of the order of 3 to 6%, and more specifically 4%, which makes it possible to work the parts with greater reliability.

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Description

  • L'invention se rattache au secteur technique de la conception des noyaux pour pièces de fonderie et forgées ensuite.
  • Le noyau, en fonderie, permet de réaliser des formes creuses dans des pièces de fonderie. Il est généralement réalisé en sable ou en sel.
  • Pour la compréhension de l'invention, on rappelle succinctement les différentes technologies utilisées pour la conception de différents types de noyaux avec leurs limites, en se référant aux figures des dessins.
  • On a représenté aux figures 1A-1B un noyau de sable soufflé ou noyau de sel soufflé avant et après assemblages des particules.
  • Selon cette première mise en oeuvre, le sable (1) est enduit d'un liant (2) qui se durcit lors du tir du noyau. Le sable et le liant sont introduits dans une buse et de l'air est mis en pression en amont de cette buse. En aval se trouve la boîte à noyau. La pression est libérée et projette le sable dans la boîte à noyau qui peut être chaude ou froide. Le sable remplit l'empreinte de la boîte à noyau et est figé par le liant. Le remplissage des formes complexes est difficile à mettre au point. Aussi il faut dans certains cas l'utilisation de deux points d'alimentation en sable dans la boîte à noyau, limiter les variations de formes et de section. Cependant, dans cette mise en oeuvre, les grains de sable ne sont pas déformés et on obtient un agglomérat de grains (figure 1B) faisant apparaître des porosités (p).
  • Dans le cas de noyau sel soufflé mettant en oeuvre la même méthode, l'opération s'effectue dans des conditions similaires, avec les mêmes contraintes et inconvénients, en particulier de porosité.
  • Une autre solution connue celle du noyau de sel fritté illustrée figures 2A-2B.
  • Dans ce cas, la technique de fabrication du noyau sel consiste en une première opération de matriçage suivi d'un frittage d'un mélange poudre de sel avec un liant et un agent démoulant. On a représenté par (3) les grains de sel et par (4) la liaison obtenue des grains selon le procédé. Le matriçage conduit à l'obtention d'un noyau qui est suffisamment solide pour être manipulé. Sa solidité est complétée après une opération de frittage à haute température. Lors du frittage, le liant se trouve dans un état semi-solide ou liquide et comble une partie des porosités persistant après le matriçage.
  • Après refroidissement, les liaisons établies par le liant confèrent au noyau une résistance à rupture élevée mais la compressibilité reste élevée car toutes les porosités (p) ne sont pas comblées. Par ailleurs, l'opération de matriçage entraîne des limitations de formes et de tailles pour pouvoir former le noyau.
  • Les solutions mises en oeuvre selon l'Art Antérieur présentent donc des limites d'utilisation avec un degré de porosité du noyau obtenu pouvant présenter des inconvénients lors du coulage du matériau de fonderie.
  • En outre, le noyau obtenu selon les procédés précités, et par leur structure hétérogène, sont partiellement inadaptés pour servir d'autres traitements, tel que par exemple, une opération de forge.
  • Indépendamment de la problématique du noyau de fonderie, le Demandeur est le concepteur du procédé COBAPRESS (marque déposée) défini dans le brevet européen 119 365 .
  • Ce procédé met en oeuvre pour des alliages d'aluminium deux opérations successives de coulée de fonderie pour l'obtention d'une préforme, laquelle est ensuite mise dans une matrice de forge pour être forgée. Cette technologie est très largement exploitée et développée par le Demandeur, mais aussi par d'autres, puisque que le brevet EP 119 365 relève du domaine public.
  • Le Demandeur a aussi développé de nombreux perfectionnements à la technologie de base du procédé COBAPRESS avec par exemple l'insertion d'inserts métalliques dans la préforme, laquelle est ensuite forgée. Cela a été défini dans le brevet EP 586 314 . Les inserts sont disposés de manière définitive dans la préforme et la pièce finale obtenue.
  • Comparativement à la technologie des noyaux de fonderie qui peuvent ensuite être évacués, ce n'est pas le cas des inserts.
  • Il y a donc un obstacle majeur pour les raisons évoquées.
  • Dans le cadre de la technologie du coulé-forgé, correspondant au procédé COBAPRESS, il a été proposé l'utilisation de noyau. Par exemple, il a été proposé dans le brevet PCT WO 2009/050382 la mise en oeuvre d'un noyau en sel ou en sable, réalisé à l'aide d'une boîte froide ou chaude ou "croning" inséré dans une préforme de fonderie pour subir ensuite une opération de forgeage de la préforme. En pratique, ce brevet qui tente d'élargir le mode de réalisation du noyau fait essentiellement référence à un noyau constitué de sable et de résine ce qui correspond à l'Art Antérieur précité initialement. Ce noyau est en fait pourvu d'au moins un conduit d'évacuation de gaz pour évacuer les gaz hors du moule lors de l'opération de moulage. Ces gaz, selon le Demandeur de ce brevet, peuvent provenir de la combustion des résines ou liants faisant partie du noyau. En outre, dans ce document, le ou les conduit(s) d'évacuation des gaz assure(nt) le positionnement du noyau dans le moule lors de l'opération de moulage. Cela génère donc une structure très particulière, avec des contraintes techniques liées à cette mise en oeuvre particulière, avec en particulier des moyens spécifiques pour l'étanchéité de l'ébauche de préforme.
  • On connaît aussi par le brevet EP 850 825 l'utilisation d'un noyau en matériau perdu pour constituer la partie creuse d'une manivelle de pédale de bicyclette. Ce noyau est prolongé par une partie de support servant à positionner le support à l'intérieur du moule de fonderie dans lequel le métal est coulé. L'opération de forgeage qui s'ensuit requiert l'enlèvement partiel préalable du noyau. Cela nécessite donc des opérations très spécifiques avec des risques de laisser des débris du noyau dans le moule pouvant être gênants et créer des zones d'affaiblissement lors de l'opération de forge.
  • On connaît par ailleurs par le brevet WO 84/04264 l'utilisation de noyau en sel utilisé en fonderie moulage avec effet de compaction (dénommé en anglais squeeze casting). Dans ce cas, il y a une opération de mise en pression du métal liquide à 70 MPa comme explicité par le titulaire de ce brevet page 6, ligne 30 avec un matériau à l'état liquide. Cette pression reste très limitée et ne correspond pas à une pression de forgeage qui est de l'ordre de 600 à 700 MPa. Ce document est ainsi limité à la seule application de fonderie.
  • C'est donc à partir de l'ensemble de ces considérations que le Demandeur a recherché une solution qui puisse remédier à l'ensemble des inconvénients et contraintes cités de l'Art Antérieur.
  • Le Demandeur s'est orienté dans sa démarche d'une manière différente des techniques décrites précédemment, sur une nouvelle conception de fabrication du noyau de fonderie pouvant être réalisée sans modification de structure dans la préforme en vue de l'opération de forgeage de la préforme et donc du noyau entouré de métal solide à des pressions de l'ordre de 600 à 700 MPa.
  • La solution trouvée et expérimentée par de nombreux tests a permis de valider le choix du Demandeur en vue de la fabrication de ce noyau. Le procédé de fabrication du noyau de sel en vue d'être introduit dans un moule de fonderie par coulage d'un matériau connu en fonderie en vue de l'obtention d'une préforme est remarquable en ce que le noyau est une poudre de sel et subit pour sa mise en forme une opération de compression isostatique de la poudre de sel, le noyau obtenu aux formes souhaitées étant ensuite introduit dans le moule de fonderie pour réaliser la forme à obtenir, et en ce que la forme issue de l'opération de fonderie est une préforme incluant le noyau en poudre de sel obtenue par compression isostatique, la dite préforme étant ensuite forgée à une pression entre 600 et 700 MPa en vue de l'obtention de la forme finale du produit à obtenir, et le noyau étant ensuite évacué.
  • Ces caractéristiques et d'autres encore ressortiront bien de la suite de la description.
  • Pour fixer l'objet de l'invention illustré d'une manière non limitative aux figures des dessins où :
    • Les figures 1A-1B sont des vues représentant la microstructure d'un noyau de sel ou sable soufflé avant et après assemblage selon l'Art Antérieur,
    • Les figures 2A-2B sont des vues représentant la microstructure d'un noyau sel subissant les opérations de matriçage et de frittage selon l'Art Antérieur,
    • Les figures 3A-3B sont des vues représentant la microstructure d'un noyau sel compacté isostatiquement selon l'invention,
    • La figure 4 est un diagramme représentant selon le rapport de compressibilité et de déformation, les courbes correspondant à des noyaux obtenus selon les techniques connues, noyau de sel soufflé, noyau sable soufflé, noyau sel fritté, et selon l'invention, noyau à compaction isostatique.
  • Afin de rendre plus concret l'objet de l'invention, on le décrit maintenant d'une manière non limitative illustrée aux figures des dessins.
  • En se référant aux figures 3A-3B, le noyau (10) est réalisé en poudre de sel. Selon le procédé de l'invention, la mise en forme du noyau s'effectue par compression isostatique en introduisant la poudre de sel dans un moule ayant une très haute limite élastique de déformation et une très bonne aptitude à reprendre sa forme initiale après déformation. Une fois le moule rempli de poudre de sel, il est scellé en introduisant dans une enceinte de pression isostatique contenant le plus souvent un liquide porteur de la pression, le vecteur de cette pression pouvant être aussi du gaz. La dite enceinte est fermée et mise sous pression. Cette pression s'applique sur la poudre de sel au travers du moule. Les grains de poudre de sel se déforment, peuvent se fragmenter et en final s'agglomèrent pour constituer un ensemble compact sans porosités. La pression élevée appliquée et sa répartition homogène dans la poudre de sel donne un noyau compact ayant une très bonne cohésion.
  • On procède ensuite au forgeage de la préforme de fonderie ainsi obtenue avec le noyau de sel compacté par compression isostatique à une pression de 600 à 700 MPa. Le noyau de sel qui a été compacté ne subit aucune perte de volume lors de l'opération de forgeage étant protégé par la préforme elle-même et ayant été compacté avec une quasi absence de vide entre les grains constitutifs du noyau.
  • La configuration du noyau selon l'invention lui donne une très faible compressibilité. La conception de la pièce de fonderie qui est ensuite forgée avec le noyau selon l'invention en est facilitée. L'effort de presse lors du forgeage sert uniquement à déformer en déviatorique le noyau et le métal, la montée en pression n'étant pas affectée par une diminution du volume du noyau.
  • Selon l'invention, le procédé met en oeuvre un ou plusieurs noyaux en poudre de sel obtenu(s) par compaction isostatique dans le moule de fonderie.
  • Le diagramme représenté figure 4 met ainsi en valeur les courbes de compressibilité du noyau dans chaque type de réalisation connue rappelé ci-avant et selon l'invention. On constate ainsi la différenciation très nette qui est obtenue avec le noyau sel par compaction isostatique en égard de l'Art Antérieur. De manière essentielle, ce tableau met en valeur un avantage spécifique du procédé selon l'invention par rapport à l'art antérieur. A une pression de forgeage de 600 MPa, on a mesuré la déformation du noyau sel par compression. Le taux de déformation du noyau sel par compression isostatique est de seulement 4%, alors que les déformations pour un noyau sel fritté sont de 24,2%, pour un noyau sable de 29% déjà à une pression de 350 MPa, et de 39,2% pour un noyau sel soufflé.
  • Le Demandeur a donc mis en évidence l'utilisation d'un noyau sel dans le cadre du procédé de coulage de fonderie de pièce en aluminium ou en alliage d'aluminium pour la réalisation d'une préforme de fonderie, la dite préforme étant transportée pour une opération de forgeage à une pression de 600 à 700 MPa, l'utilisation d'un noyau de sel obtenu par compression isostatique qui présente lors du forgeage une très faible déformation de compression de l'ordre de 3 à 6%, et plus spécifiquement 4%, ce qui permet de travailler les tracés de pièces avec une plus grande fiabilité.
  • La solution technique mise en oeuvre dans le procédé revendiqué avec l'utilisation d'un noyau de sel à compression isostatique apporte un avantage inattendu et d'un très grand intérêt pratique pour le calcul des caractéristiques et dimensions des pièces à obtenir avec des déformations maîtrisées et dans une fourchette de variations très faibles (entre 3 et 6% et de préférence 4%) par rapport à l'art antérieur. Il y a lieu de préciser également que l'invention ne requiert aucun liant pour la fabrication du noyau par compaction isostatique de poudre de sel. Cela signifie donc qu'il n'y a pas de nécessité d'évacuer le liant ou les gaz provenant de la combustion des liants comme il apparaît dans le brevet PCT WO 2009/050382 .

Claims (3)

  1. Procédé de fabrication d'une pièce en aluminium, alliage d'aluminium ou alliage léger, le procédé comprenant les étapes suivantes :
    - fabriquer un noyau en poudre de sel,
    - introduire le noyau obtenu aux formes souhaitées dans un moule de fonderie pour réaliser la forme à obtenir,
    - réaliser une préforme de fonderie incluant le noyau en poudre de sel, par coulage de fonderie,
    - forger la dite préforme avec son noyau en vue de l'obtention de la forme finale de la pièce à obtenir,
    - évacuer le noyau,
    le procédé étant caractérisé en ce que le noyau subit pour sa mise en forme une opération de compression isostatique de la poudre de sel,
    et en ce que la dite préforme avec son noyau est forgée à une pression comprise entre 600 et 700 MPa.
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que plusieurs noyaux sont introduits dans le moule de fonderie, de sorte que la préforme de fonderie inclut plusieurs noyaux en poudre de sel.
  3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que durant le forgeage de la préforme de fonderie, le noyau en poudre de sel présente une déformation de compression de l'ordre de 3 à 6%.
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