FR2636559A1 - Procede de coulee en barbotine de pieces en ceramique comportant des cavites - Google Patents

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Abstract

Procédé d'obtention de pièces en céramique technique monolithiques comportant une cavité inaccessible et/ou de forme complexe, consistant en une coulée en barbotine sur un noyau déformable et éliminable constitué d'une enveloppe souple de matière synthétique à parois minces et compactes. Ce procédé est particulièrement intéressant pour la coulée en barbotine sous pression.

Description

PROCEDE DE COULE EN BARBOTINE DE PIECES EN CRAMIQUE
COMPCeTANT DES CAVITES
DOMAINE TECHNIQUE
L'invention concerne un procédé de couléee en barbotine sur noyau déformable et éliminable, pour l'obtention de pièces monolithiques en céramique technique Colportant des cavités de profil complexe.
HTAT DE LA TECHNIQUE
Dans ce qui suit, les céramiques techniques désigneront les céramiques qui sont utilisées à des applications techniques, par exemple agricoles, médicales, militaires, industrielles (automobile, chimie, mécanique, électronique, nucléaires), artisanale...et qui sont réalisées à partir de poudres ou mélanges de poudres synthétiques de nature chimique bien définie (oxydes réfractaires, carbure, nitrure, oxynitrure...)
Ces poudres sont généralement mises en oeuvre sous forme de barbotine de faible densité constituée par une suspension de particules très fines; la répartition granulométrique de telles poudres est pratiquement incontrôlable et la taille des grains est plutôt homogène et ne dépasse pas 1 pm. Elles sont maigres et ne contiennent pas en particulier d'argile, ni de chamottes.Le dépôt de barbotine est ainsi peu dense, moins résistant que celui d'une céramique courante et ne présente pas leur plasticité due à la présence d'argile. Le retrait au séchage du dépôt des céramiques techniques est important et peut atteindre 2% linéaire, ceci est dû à l'absence des grosses particules de chamotte qui permettraient de limiter le retrait. Les céramiques techniques sont ensuite frittées et, parmi leurs caractéristiques, possèdent celle de présenter le cas échéant une rupture de type fragile.
L'expression céramique technique est utilisée pour se différencier des céramiques courantes qui sont utilisées à des applications de type domestique (sanitaires, culinaire, vaisselle, maçonnerie, décoration...) et qui sont réalisées à partir de poudres naturelles à base d'argile colloïdale, éventuellement amendées (chamottes), présentant un empilement granulométrique compact, la taille moyenne des grains étant plus grossière, voisine voire supérieure à 1 min.
Ces dites céramiques courantes présentent une certaine plasticité, à l'état cru et lors du séchage notamment, par opposition à la fragilité des céramiques techniques, plasticité due à la présence de l'argile sous forme de feuillets glissant l'un par rapport à l'autre.
Elles sont en général plus denses et plus résistantes au stade de la barbotine séchée; elles présentent de plus au séchage un retrait, moins important que celui des céramiques techniques, ne dépassant pas 0,5%.
Dans le domaine des céramiques courantes il est connu de réaliser des pièces, ayant des cavités inaccessibles, par coulée sur noyaux déformables et éliminables par solvant ou lors de la cuisson.
Ainsi le brevet FR 2 414 987 décrit un procédé de coulée en barbotine sur les noyaux déformables et éliminables pour obtenir, dans les pièces céramiques coulées, des cavités inaccessibles de formes telles qu'on ne peut pas extraire mécaniquement le noyau après avoir effectué la coulée. Ledit noyau doit être déformable pour éviter la formation de fissures lors du retrait au séchage, et est réalisé en matière synthétique expansée telle que le polystyrène; mais pour qu'il puisse être comprimé lors du retrait au séchage il faut sélectionner la granulométrie du produit synthétique avant expansion et/ou avoir un noyau creux et/ou diminuer la résistance par pétrissage, assouplissement...
L'application d'un tel procédé du domaine des céramiques techniques n'a pas donné les résultats escomptés: les pièces ainsi produites se fissurent lors du séchage; le noyau en matière synthétique expansée, creux ou non, se révèle trop résistant ou trop peu déformable pour ce type de céramique par ailleurs plus fragile.
l'état de surface des pièces obtenues n'est pas satisfaisant; il se révèle insuffisamment lisse vraisemblablement à cause de la porosité du polystyrène expansé.
De plus le polystyrène expansé ne se prête pas à l'obtention de noyau creux de formes complexes et/ou de petites dimensions; par ailleurs les parois d'un tel noyau n'étant pas compactes, elles s'écrasent de façon irrégulière quand on réalise une coulée sous pression, la pièce obtenue n'ayant alors plus les cotes requises.
OBJET DE L'INVENTION
Ainsi la demanderesse confrontrée à ce problème a cherché à mettre au point un procédé dans le but de réaliser des pièces en céramique technique ayant des cavités de formes complexes inaccessibles, de dimensions précises avec de faibles tolérances, les parois desdites cavités pouvant nécessiter un état de surface parfaitement lisse.
Un autre objet de l'invention est de disposer d'un procédé permettant d'obtenir lesdites pièces creuses sous forme monolithique, c'est-à-dire sans faire appel par exemple à des coulées en demi coquilles; les demi pièces obtenues étant ensuite réassemblées en une pièce unique mais non monolithique.
Un autre objet de l'invention est d'obtenir lesdites pièces creuses avec des cavités de petites dimensions.
Un autre objet est d'utiliser pour la coulée de pièces en céramique technique un noyau éliminable déformable seulement dans son ensemble pour encaisser le retrait au séchage de la barbotine, ayant des parois compactes, non écrasables ou applatissables, la surface desdites parois pouvant être suffisamment lisse pour obtenir l'état de surface recherché de la cavité de la pièce coulée.
Un autre objet de l'invention est de disposer d'un procédé simple de coulée en barbotine de pièces sur un noyau creux, souple, déformable et éliminable, ce procédé permettant également de pratiquer des coulées sous pression sans altérer les qualités, par exemple dimensionnelles ou du poli de surface, de la cavité de la pièce en céramique technique obtenue.
DESCRIPTION DE L'INVENTION
L'invention est un procédé d'obtention de pièces monolithiques en céramique technique avec au moins une cavité inaccessible de forme complexe, comprenant une coulée de barbotine sur un noyau creux souple, déformable et éliminable, un séchage, une élimination dudit noyau, puis un frittage permettant d'obtenir ladite pièce monolithique directement aux dimensions finales et avec un poli définitif sur les parois de la cavité, caractérisé en ce que le noyau creux est constitué d'une enveloppe de matière synthétique à parois minces et compactes dont le profil extérieur correspond aux dimensions de la cavité à obtenir et dont le poli de la surface extérieure correspond à l'état de surface des parois de la cavité à obtenir.
Par cavité inaccessible on entend une cavité de forme telle que l'on ne puisse pas extraire mécaniquement et de façon simple un noyau déformable qui aurait servi à l'obtention par coulée de ladite cavité. Ces formes sont par exemple des profils en contre-dépouille, des volumes quasiment fermés ne communiquant avec l'extérieur que par des orifices de dimensions réduites et de section quelconque etc... Le profil de la cavité peut être totalement différent et éloigné du profil extérieur de la pièce.
Ainsi selon l'invention le noyau doit être détruit et disparaître complètement, après séchage de la barbotine, par dissolution et/ou décomposition et/ou combustion, et/ou attaque chimique et/ou fusion et/ou par tout autre moyen ne mettant pas en péril l'intégrité physique et les qualités de la pièce coulée.
Le noyau doit également être suffisamment souple et déformable pour encaisser le retrait se produisant lors du séchage de la barbotine sans provoquer des fissures dans la pièce séchée, ou induire des défauts ou fissures qui n'apparaîtraient que lors du frittage. Inversement la pièce ceramique coulée doit pouvoir encaisser sans dommage les contraintes, dues à la résistance à la déformation du noyau, apparaissant lors du séchage de la barbotine.
Mais le noyau doit simultanément être suffisamment rigide pour ne pas être déformé sous l'effet de la pression hydrostatique obtenue lors de la coulée naturelle de la barbotine.
Enfin la surface extérieure du noyau doit avoir un état de surface qui reproduit le poli et/ou la configuration qui doit être obtenu pour la surface de la cavité de la pièce céramique. Généralement ce poli est très lisse.
Pour parvenir à ces résultats l'invention consiste à pratiquer une coulée en barbotine sur un noyau creux à parois minces et compactes, à base de matière synthétique, de préférence un polymère à base d'éthylène.
Par exemple différents grades de polyéthylène ont été utilisés pour adapter la souplesse du noyau, ou sa résistance à la déformation, à la qualité de la barbotine utilisée.
Les parois du noyau sont minces; en général leur épaisseur ne dépasse pas 0,5 mm et est de préférence d'environ 0,2 mm ou inférieure; leur épaisseur est substantiellement constante.
Un tel noyau constitue une enveloppe souple ou semi rigide, déformable dont les parois minces sont compactes, non compressibles et ne peuvent pas être écrasés. Cette enveloppe a la forme correspondant au profil prévu pour la cavité et ses communications avec l'extérieur.
Cette enveloppe plastique constituant le noyau creux est généralement obtenue par soufflage du polymère éthylénique dans un moule, en une ou plusieurs parties, reproduisant en positif la cavité, y compris ses communications avec l'extérieur et son état de surface, à obtenir. La régularité d'épaisseur des parois de ladite enveloppe est obtenue en jouant sur la fluidité du polymère à l'aide d'adjuvants, tels que par exemple la caséine.
Un tel noyau a donc des parois étanches, dont la surface extérieure peut avoir un très bel état de surface, permettant d'obtenir jusqu'à un poli brillant sur la surface de la cavité sans application préalable d'un enduit sur le noyau avant coulée de la barbotine.
Il présente une souplesse d'ensemble qui permet d'absorber le retrait dû au séchage de la barbotine grâce à sa constitution plastique. à ses parois minces, et au fait qu'il est creux.
Une fois le noyau réalisé selon l'invention, il est mis en place dans un moule poreux ou partiellement poreux, constitué d'une ou plusieurs parties, servant à obtenir le contour extérieur de la pièce en céramique technique à obtenir.
Un même ioule peut comporter un ou plusieurs noyaux, reliés ou non entre eux par un ou plusieurs tubes, l'un d'eux au moins étant en général relié à l'extérieur également par un tube permettant l'élimination du noyau après destruction par attaque chimique, dissolution dans un solvant, traitement thermique tel que décomposition, combustion, fusion...
On coule ensuite une barbotine dans le moule équipé de son ou ses noyaux,
La barbotine peut être constituée d'une grande variété de poudres céramiques réfractaires, comme par exemple les oxydes, les nitrures, carbure, borures, oxynitrures,... ou leurs mélanges, de granulométrie moyenne en général inférieure à 1 pm, en suspension dans une grande variété également de liquides vecteurs, comme l'eau, l'alcool..., contenant ou non des adjuvants par exemple pour défloculation, des liants...
Le remplissage du moule peut se faire par coulée naturelle de la barbotine. Mais le procédé selon l'invention est particulièrement intéressant pour effectuer des coulées de barbotine sous pression en choisissant cette pression dans une gamme allant de 0,1 à 50 bars et de préférence de 15 à 20 bars. Dans ce cas pour éviter, lors de la coulée, une déformation de l'enveloppe plastique constituant le noyau creux, on introduit dans ledit noyau creux un fluide (par exemple de l'eau, ou un gaz comme l'azote) par l'un des tubes faisant communiquer le noyau avec l'extérieur, et on maintient ce fluide à la même pression que celle utilisée pour la coulée de la barbotine.
Pour simplifier on peut utiliser, comme source de pression, la barbotine elle-même. Ainsi les parois minces et compactes du noyau creux ne sont ni écrasées ni détérioriées, et la cavité obtenue conserve ses dimensions et son aspect de surface avec les tolérances exigées. Une fois la coulée terminée, on décompresse et le fluide est évacué du noyau qui retrouve sa souplesse.
Après la coulée le liquide de suspension est évacué exclusivement à travers le moule poreux, et au cours du séchage le noyau souple et creux accompagne le retrait que prend la pièce céramique. Contrairement à ce qui se passe par exemple avec un noyau massif en résine, on ne constate pas de dilatation du noyau creux selon l'invention.
Après séchage complet de la pièce, on procède à la destruction et à l'élimination du noyau creux en polymère par un ou une combinaisons de moyens appropriés, comme cela a été déjà dit.
La pièce céramique est ensuite démoulée et frittée dans les conditions correspondantes à la nature du matériau utilisé, cette opération pouvant être combinée en partie avec la précédente.
EXEMPLE
A titre d'exemple non limitatif, le procédé selon l'invention a été utilisé pour obtenir des préchambres, monolithiques, de combustion de moteur diesel en nitrure de silicium.
La figure 1 donne une vue en coupe d'une telle pièce en place dans son moule de coulée équipé de son noyau.
Une telle pièce 1 doit avoir des cotes intérieures et extérieures très précises. Elle comporte une cavité 2 de profil complexe, pouvant faire penser à un verre de Cognac, reliée à l'extérieur par des tubes 3 -4 5, le tube 5 ayant une section elliptique applatie.
L'ensemble des cavités 2 - 3 - 4 - 5 a un profil très différent de profil extérieur de la pièce qui peut être parallélépipédique ou cylindrique, par exemple.
Pour couler une telle pièce, on confectionne tout d'abord un noyau creux 6 à parois minces d'épaisseur 0,2 min, en polyéthylène par soufflage dans un moule en acier dont le profil reprend l'ensemble des cavités 2 - 3 - 4 - 5. Les tubes 3 et 4 sont bouchés à leurs extrémités. Le tube 5 possède une ouverture 7.
On met en place, comme indiqué sur la figure ledit noyau creux dans un moule 8, en deux parties, en nitrure de silicium poreux de type RBSN
(Réaction Bouded Silicon Nitride), tel que décrit par exemple dans la demande de brevet français n0 86-11602. Ce moule possède une ouverture 9 pour le coulage de la barbotine et ouverture 10 correspondant à l'ouverture 7 qui donne la possibilité d'alimenter le noyau creux en fluide sous pression. Hormis cette ouverture 7, l'enveloppe à parois minces 6 constituant le noyau est étanche.
On prépare une barbotine à base de poudre de nitrure de silicium de granulométrie moyenne 0,5 un et de 40% d'eau. On ajoute un agent tensioactif de défloculation.
On effectue une coulée sous une pression de 17 bars par l'orifice 9 en introduisant simultanément de la barbotine par les orifices 10 et 7 dans le noyau creux, de façon à équilibrer la pression de part et d'autre de l'enveloppe 6.
Le temps de prise est de 15 minutes; le moule 8 est enlevé; on sèche 24 h à température ambiante puis 24 h à 600C en étuve ventilée; on élimine le noyau en chauffant la pièce 1, contenant encore le noyau 6, en atmosphère oxydante à raison de 2OOC/h jusqu'à 5000C puis on fritte à 17000C sous azote pour obtenir enfin la pièce céramique dans son état définitif souhaité.

Claims (7)

REVENDICATIONS
1. Procédé d'obtention d'une pièce monolithique en céramique technique
avec au moins une cavité inacessible de forme complexe, comprenant
une coulée de barbotine sur noyau creux, déformable et éliminable,
un séchage, une élimination dudit noyau, puis un frittage permettant
d'obtenir ladite pièce monolithique directement aux dimensions finales
et avec un poli définitif sur les parois de la cavité, caractérisé
en ce que le noyau creux est constitué d'une enveloppe de matière
synthétique à parois minces et compactes dont le profil extérieur
correspond aux dimensions de la cavité à obtenir et dont le poli
de la surface extérieure correspond à l'état de surface, des parois
de la cavité, à obtenir.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matière
synthétique est un polymère éthylénique, et de préférence du polyéthy
lène.
3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé
en ce que les parois minces ont une épaisseur constante d'au plus
0,5 mu et de préférence d'environ 0,2 mm.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé
en ce que le noyau est éliminé par attaque chimique, traitement thermi
que, dissolution, ou une combinaison de ces moyens.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé
en ce que la coulée de barbotine est effectuée sous pression et que
simultanément la pression est maintenue à la même valeur à l'intérieur
du noyau creux au moyen d'un fluide.
6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la pression
est choisie entre 0,1 et 50 bars et de préférence entre 15 et 20
bars.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé
en ce que la barbotine est à base de poudres ou mélanges, de poudres céramiques de nature chimique parfaitement définie, ne contenant ni argile, ni chamotte.
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