FR2651453A2

FR2651453A2 - IMPROVEMENT TO THE PROCESS OF LOST AND PRESSED FOAM MOLDING OF METALLIC PARTS.

Info

Publication number: FR2651453A2
Application number: FR8911943A
Authority: FR
Inventors: Garat Michel
Original assignee: Aluminium Pechiney SA
Current assignee: Rio Tinto France SAS
Priority date: 1989-09-07
Filing date: 1989-09-07
Publication date: 1991-03-08
Anticipated expiration: 2009-09-07
Also published as: KR930002837B1; PT92353A; FI92162C; NO174187C; PL286789A1; CS433890A3; DE68907601D1; JPH0399769A; NO174187B; AU4538989A; NO895143L; DK581689D0; ATE91444T1; BR8906058A; YU47519B; CN1017784B; DE68907601T2; MX170097B; CA2001845C; RU1819185C

Abstract

The invention relates to a lost foam pressure casting process for metal pieces. This process consists, after having filled the mould with metal in the liquid state and before the solidified fraction of metal exceeds 40% by weight, in applying an isostatic gaseous pressure over the entire mould/metal, of which the value is between 1.5 and 10 mPa. The invention applies to the production of pieces, particularly made from aluminium alloys, having improved mechanical characteristics and, in particular, better resistance to fatigue.

Description

- i- 2651453 La présente invention est relative à un perfectionnement auThe present invention relates to an improvement to the

procédé de moulage à- mousse perdue et sous pression de pièces métalliques, notamment en aluminium et en ses alliages tel que décrit dans la demande process for the lost and pressurized foam molding of metal parts, in particular aluminum and its alloys as described in the application

principale n 8616415 déposée le 17 Novembre 1986. principal number 8616415 filed on November 17, 1986.

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 It is known that one skilled in the art, mainly by the teaching of the USP No. 3 157 924, to use for molding polystyrene foam models immersed in a mold consisting of dry sand containing none liaison officer. In such a process, the metal to be molded, which has been previously melted, is brought via channels passing through the sand in contact with the model and gradually replaces it by burning it and transforming it into

vapeurs qui s'échappent entre les grains de sable. vapors escaping between the grains of sand.

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 This technique has been attractive on an industrial scale, because it avoids the prior manufacture, by compacting and agglomeration of powdery refractory materials, of rigid molds associated more or less complicated to nuclei via channels. , and allows easy recovery of castings

ainsi qu'un recyclage aisé des matériaux de moulage. as well as easy recycling of molding materials.

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 However, this technique is handicapped by two factors: - the relative slowness of the solidification which favors the formation of gassing pits - the relative weakness of the thermal gradients which can cause a microretassure if the layout of the part makes the masseloting difficult. In order to avoid such drawbacks, the Applicant had developed a lost-foam molding process, which was the subject of the

demande de brevet publiée en France sous le n 2606 688. patent application published in France under number 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 This application teaches that after having filled 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 begin, one exerts

- 2 - 2651453- 2 - 2651453

sur l'ensemble du moule et du métal une pression gazeuse isostatique. on the whole mold and metal an isostatic gas pressure.

Cette pression est appliquée suivant des valeurs croissantes dans le temps afin d'éviter le phénomène d'abreuvage et de manière que la This pressure is applied according to increasing values over time in order to avoid the phenomenon of watering and so that the

valeur maximum soit atteinte en moins de 15 secondes. maximum value is reached in less than 15 seconds.

Dans ces conditions, les pièces moulées obtenues présentent une compacité accrue qui se traduit par une amélioration des Under these conditions, the molded parts obtained have an increased compactness which results in an improvement of the

caractéristiques mécaniques notamment au niveau de la résistance. mechanical characteristics especially at the level of resistance.

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 apergue 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'o 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 However, the applicant has estimated in this application that it was preferable to use a maximum pressure of between 0.5 and 1.5 MPa and that it was superfluous to go beyond this limit. In fact, she discovered after further research that if the pressure was increased further, not only the mechanical properties such as the ultimate tensile strength Rm, the elastic limit LE and the elongation A were improved, but also Fatigue resistance F. -D'o the present invention which consists of a process for molding lost foam and pressure of metal parts, including aluminum and its alloys, in which is immersed an organic foam model of the molded part in a mold whose walls are delimited by a dry sand bath containing no binding agent, the mold is filled with the metal in the liquid state which replaces the foam and gradually solidifies and applies a isostatic gas pressure increasing simultaneously on the mold and the metal at the earliest at the end of the filling, characterized in that the pressure exerted rises up to a value inclusive of re 1,5 and

10 MPa.10 MPa.

Ainsi, l'invention consiste à mettre en oeuvre des pressions comprises Thus, the invention consists in implementing pressures included

entre 1,5 et 10 MPa et de préférence entre 5 et 10 MPa. between 1.5 and 10 MPa and preferably between 5 and 10 MPa.

Comme dans la demande principale, 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 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 As in the main application, the pressurization can be carried out using a watertight box in which the mold is placed, said box being equipped with one or more pipes distributed appropriately on its wall and connected to a source of gas under pressure. In the pressure range chosen, the plaintiff found that the

- 3 - 2651453- 3 - 2651453

phénomènes qui se produisaient au cours de la mise sous pression phenomena that occurred during the pressurization

étaient tout à fait différents de ceux de l'art antérieur. were quite different from those of the prior art.

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 Indeed, between 0.5 and 1.5 MPa, the pressure is mainly used to accelerate the flow of the liquid metal between the dendrites of the metal being solidified and the effect stops when the solid network has reached a certain development. . It is thus in particular that these low pressures allow the flyweight to act effectively to avoid the phenomenon of shrinkage due to the contraction of the metal.

cours de solidification.solidification course.

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 On the other hand, under pressures greater than 1.5 MPa and in particular beyond 5 MPa, the flow effect of the liquid metal, which remains predominant at the beginning of solidification, gradually replaces a hot deformation effect. the already solidified metal network, a phenomenon that becomes dominant then exclusive when the solidification rate reaches values of 50 to 70% depending on the type of cast alloy. The use of high pressures thus achieves a kind of isostatic forging applying to the whole of

la surface de la pièce moulée.the surface of the molded part.

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 Figure 1 attached is a micrograph of an alloy A-S7G03 molded according to the invention under a pressure of 7 MPa, and 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

métal dans ce procédé.metal in this process.

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 In these conditions it is found that the mechanical characteristics of the parts are significantly improved and in particular the resistance to fatigue. Pressures greater than 10 MPa provide only

améliorations très peu sensibles.very little improvements.

Cette nouvelle gamme de pression est appliquée de préférence avant que la quantité de métal solidifié n'atteigne 40% en poids de manière à This new pressure range is preferably applied before the amount of solidified metal reaches 40% by weight so as to

pouvoir agir sur l'écoulement liquide. ability to act on the liquid flow.

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. Also preferably, it is sought that the maximum applied pressure is reached before the amount of solidified metal does not exceed 90% in order to fully benefit from the deformation effect.

- 4 - 2651453- 4 - 2651453

Comme dans la demande principale, il est préférable que l'application de la pression se fasse par accroissement progressif notamment au début de la solidification afin d'éviter 1' "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 As in the main application, it is preferable that the application of the pressure is done by progressive increase especially at the beginning of the solidification in order to avoid "watering", a phenomenon which results from a transient imbalance between the pressure exerted directly on the metal and the pressure exerted on the metal through the sand bath. Indeed, the bath causes a relatively large loss of pressure in the transmission of pressure and the result, at the level of the metal in contact with the sand, a tendency of this pressure to drive the metal through the grains of

sable et à provoquer une déformation de la pièce moulée. sand and cause deformation of the molded part.

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 The invention can be illustrated with the aid of the following application example: Cylindrical hollow bodies with an external diameter of 45 mm, with a wall thickness of 4 mm, having adjacent ribs and bosses of 20 × 20 × 80 mm were molded according to the prior method and that of the invention, that is to say that was applied inside the enclosure containing the mold and just before the solidification starts, a pressure corresponding isostatic gas respectively

à la pression atmosphérique, à 1 MPa, à 5 MPa et à 10 MPa. at atmospheric pressure, at 1 MPa, at 5 MPa and at 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; Mn0,10; NiO,05; PbO,05; SnO,05; TiO,05-0,20; solde Al; - l'A-U5GT de composition: FeO,35; SiO,20; Cu4,205,00; 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 These bodies were made from two types of alloys with high mechanical characteristics: A-S7G03 of composition by weight% FeO, 20; Si6,5-7,5; CuO, 10; ZnO, 10; MgO, 25-.40; Mn0,10; NiO, 05; PbO, 05; SnO, 05; TiO, 05-.20; balance Al; A-U5GT of composition: FeO, 35; SiO, 20; Cu4,205,00; ZnO, 10; MgO, 15-.35; MnO, 10; NiO, 05; PbO, 05; SnO, 05; TiO, 05-.30; balance Al; Mechanical tests carried out on said bodies after standardized heat treatments Y23 for A-S7G03 and Y24 for A-U5GT made it possible to measure the following characteristics as a function of the pressures

appliquées.applied.

- dans l'A-S7G03, l'indice de qualité Q en MPa qui correspond à la formule Q = R + 150 log A o R est la résistance en MPa et A l'allongement en % et ce à la fois sur les zones épaisses et minces - in A-S7G03, the quality index Q in MPa which corresponds to the formula Q = R + 150 log A o R is the resistance in MPa and the elongation in% and this on the zones Thick and thin

des pièces.pieces.

- 5 -2651453- 5 -2651453

- dans 1'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 in A-U5GT, the elastic limits LE in MPa, the resistance R in MPa and the elongation A in% and this also on the zones

épaisses et minces.thick and thin.

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 10 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 In addition, for each of the alloys and each pressure applied, fatigue strength F was measured in MPA from rotational test bending tests machined at 10 cycles according to the staircase method. F is valid for both thick and thin areas because it does not depend on the rate of solidification but on the

porosité et par suite de la pression appliquée. porosity and as a result of applied pressure.

Les résultats figurent dans le tableau suivant. The results are shown in the following table.

TABLEAUBOARD

=..................................,, !, , , ,, À ,,......._ = .................................. ,,!,,, ,, To ,, .... ..._

A-S7G03 A-U5GTA-S7G03A-U5GT

zone zone Zone épaisse Zone mince épaisse mince F F Zone Zone Thick Zone Thin Thick Thick Zone F F

Q Q LE R A LE R AQ Q THE 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 MPa 410 460 85 250 400 12 260 410 15 130 Solidification sous MPa 440 490 100 260 420 15 260 420 18 140 On constate une amélioration de toutes les caractéristiques mesurées et notamment une tenue Solidification under atmospheric P 240 325 40 235 340 8 260 355 7 90 Solidification under 1 MPa 335 420 65 240 365 8 260 405 11 120 Solidification under MPa 410 460 85 250 400 12 260 410 15 130 Solidification under MPa 440 490 100 260 420 15 260 420 18 140 There is an improvement in all the characteristics measured, including

à la fatigue accrue.increased fatigue.

- 7-- 7-

Claims

1. Improvement to the process of lost-foam and pressure molding of metal parts, in particular aluminum and its alloys, in which an organic foam model of the molding part is immersed in a mold whose walls are delimited by a bath of dry sand containing no bonding agent, the mold is filled with the metal in the liquid state which replaces the foam and gradually solidifies and a growing isostatic gas pressure is applied simultaneously on the mold and the metal at most t8t to the end of the filling characterized in that the pressure exerted rises up to

a value between 1.5 and 10 MPa.

2. Method according to claim 1 characterized in that the pressure

exerted amounts to a value between 5 and 10 MPa.

3. Method according to claim 1 characterized in that the pressure is applied at the latest when the amount of solidified metal reaches

% in weight.

4. Method according to claim 1 characterized in that the maximum pressure is reached before the amount of solidified metal exceeds

% in weight.

Erratum .. Patent No. A2 Requests for ReCRe-t-n 89 11943 Publication Number: 2 651 453 International Classification: CLASST 5

B22C 9/04; B22D 27/13;

ERRATUM

In section 60 of the cover page of the application leaflet of the certificate of addition:

It should read: Addition to the patent 86 16415 taken on November 17, 1986.