FR2709690A1 - Procédé de coulée à modèle consommable utilisant du sable avec des propriétés thermiques spécifiques. - Google Patents

Abstract

Procédé de production de coulées de métal dimensionnellement prédictibles, comprenant les étapes de formation d'un modèle d'un matériau de mousse polymère consommable ayant une configuration correspondant à un article à couler, de positionnement du modèle dans une relation d'espacement avec un châssis externe, de disposition d'une première quantité de sable non lié dans le châssis entourant le modèle, ledit sable ayant une diffusivité thermique supérieure à 1500 J/m2 / degréK/s1 / 2 , et une dilatation linéaire de 0 degréC à 1600 degréC inférieure à 1%, une valeur de finesse de grain AFS de 25 à 33, et une valeur de perméabilité de base AFS de 450 à 500, de contact du modèle avec un métal fondu pour décomposer le matériau polymère avec les produits de décomposition inclus dans les interstices du sable, de solidification du métal fondu pour produire un article coulé, et d'enlèvement de l'article coulé du moule.

Description

PROCEDE DE COULEE A MODELE CONSOMMABLE UTILISANT DU

SABLE AVEC DES PROPRIETES THERMIQUES SPECIFIQUES

Cette demande est une continuation en partie de la demande Série N 07/940 485 déposée le 4 Septembre 1992. Arrière-plan de l'invention Une coulée à modèle consommable, connue aussi sous le nom de coulée à mousse consommable, est une technique de coulée connue dans laquelle un modèle formé d'une matière de mousse polymère, telle que du polystyrène ou du polyméthylméthacrylate est placé dans un châssis, et on l'entoure d'une matière à particule non liée telle que du sable siliceux. Lorsque le métal fondu contacte le modèle, la matière de mousse se décompose avec les produits de décomposition passant dans les interstices du sable alors que le métal fondu remplace le vide formé par la matière de mousse consommable pour produire une partie coulée qui a la

même configuration que le modèle.

Dans le procédé de coulée à modèle consommable conventionnel, le sable qui entoure le modèle et remplit les cavités dans le modèle est non lié et libre de couler, et ceci diffère des procédés traditionnels de coulée au sable dans lesquels on utilise le sable avec différents types de liants. Cependant, après compactage, la densité de sable non lié est généralement plus élevée que la densité de moules faits avec du sable lié, et par conséquent la rigidité ou la raideur de sable non lié compacte n'est pas déficiente

par rapport à des moules de sable lié.

Traditionnellement, on a utilisé exclusivement du sable siliceux comme matière de moulage dans la coulée à modèle consommable parce qu'il est facilement

disponible et peu onéreux.

Il a été reconnu qu'un procédé conventionnel de coulée à modèle consommable est seulement capable de satisfaire la précision de coulée du sable cru et n'a pas été considéré comme un procédé de coulée au sable de précision. Ce manque de précision pour un procédé qui utilise des moules de métal pour fabriquer les

modèles de mousse, a été un inconvénient du procédé.

Dans des blocs de cylindre coulés pour des moteurs à combustion interne, les axes des trous de cylindre doivent être maintenus dans les limites d'une tolérance spécifique. Après une coulée, les trous de cylindre sont simultanément usinés par un équipement d'usinage automatique. Si les axes des trous de cylindre ne sont pas compris dans les limites d'une tolérance spécifiée, les trous ne peuvent pas être usinés de façon satisfaisante, d'o il résulte que le

bloc moteur doit être mis au rebut.

Lors d'une coulée d'un bloc moteur utilisant un procédé de coulée à mousse consommable, le modèle de mousse contient un nombre de trous ou de cavités cylindriques et dans le procédé de coulée, les trous sont remplis avec du sable non lié. On peut calculer avec précision le retrait du métal fondu lors de la solidification, et on augmente ainsi les diamètres des trous cylindriques du modèle pour refléter le retrait du métal. Cependant, si le sable contenu à l'intérieur des trous ne fournit pas le retrait du métal fondu et résiste à ce retrait, on obtient un retrait de métal imprédictible ce qui provoque un manque de précision

dans les cylindres du bloc moteur coulé.

Un spécialiste dans l'art de couler un métal ne s'attend pas à ce que la température du sable ait une influence significative sur la taille dimensionnelle de coulées produites par un quelconque des procédés de coulée au sable. La raison majeure pour cette omission est que, sauf pour le procédé de coulée à modèle consommable qui utilise un sable non lié, des procédés de coulée au sable utilisent des moules de sable lié qui sont utilisés à des températures ambiantes à moitié incontrôlées rencontrées au niveau du sol d'une fonderie. Les aspects financiers pour obtenir un rendement dans la fonderie et le coût de réalisation d'un inventaire inutilement élevés de moules posés sur le sol d'une fonderie, dictent l'utilisation des moules de sable lié dans une certaine approche à flux tendu ordonné. Il en résulte que les fonderies n'ont pas l'habitude de chauffer ou de refroidir les moules de sable dans une zone de stabilisation ou de "conditionnement" séparée et qu'il n'y a pas de signe que la température du moule de sable ait un effet significatif sur la taille dimensionnelle ou sur les tolérances des coulées résultantes qui sont produites

avec les moules.

Résumé de l'invention L'invention concerne un procédé de coulée à modèle consommable utilisant un matériau de moulage au sable ayant des propriétés physiques spécifiques pour produire des coulées ayant des dimensions ou des tolérances plus précises. L'invention a une application particulière pour la coulée de blocs moteurs pour des

moteurs à combustion interne.

Dans le procédé de l'invention, on produit un modèle de mousse polymère ayant une configuration correspondant à l'article à couler. Le modèle de mousse est placé dans un châssis et on met du sable non lié dans le châssis, entourant le modèle et remplissant les

cavités du modèle.

Le sable a une diffusivité thermique supérieure à 1500 J/m2/ K/s, et une dilatation linéaire de 0 C à 1600 C inférieure à 1%. Un sable de chromite, un sable de carbure de silicium, un sable d'olivine, et un sable de carbone ont ces propriétés et sont des exemples de sables qu'on peut utiliser. De plus, le sable devrait avoir une valeur de finesse AFS de 25 à 33, et une valeur de perméabilité de base AFS de 450 à 500. La valeur de la finesse de grain AFS est une mesure d'une taille moyenne de grain, dérivée par un calcul à partir des résultats d'analyses de tamis dans lequel la somme des produits d'une fraction retenue dans chaque tamis est multipliée par la dimension du tamis précédent. La plupart des sables de fonderie tombent dans l'intervalle de 40 (grossier) à 220 (fin). Une perméabilité de base, exprimée par une valeur de perméabilité AFS, est la vitesse en millilitres par minute avec laquelle l'air va passer à travers le sable dans une condition standard de pression de 1 gramme/cm2 à travers un spécimen de 1 cm2 de surface en coupe

transversale et de 1 cm de hauteur.

Lors d'une coulée de pièces multiples, il est important de commander la température du sable dans un intervalle spécifié afin d'obtenir des parties dimensionnellement stables ou moulées prédictibles. Par exemple, avec des blocs de cylindre pour des moteurs à combustion interne, le sable dans chaque opération de coulée devrait être maintenu dans un intervalle d'environ -12,2 C (10 F), alors que lors d'une coulée d'autres articles la température de chaque opération de

coulée devrait être maintenue dans un intervalle de -

6,7"C (20"F).

Lorsque le modèle de mousse est en contact avec le métal fondu, le modèle va se décomposer et les produits de décomposition vont être inclus dans les interstices du sable non lié alors que le métal va remplir l'espace initialement occupé par le modèle de mousse, produisant ainsi un article coulé qui

correspond à la configuration du modèle de mousse.

Il a été découvert que des coulées de métal dimensionnellement prédictibles résulteront de l'utilisation de sable avec des propriétés thermiques

et physiques spécifiées.

Comme autre avantage, l'utilisation de sable avec les propriétés spécifiées ci-dessus, produit un retrait plus uniforme du métal coulé lors de la solidification, ce qui résulte en un coefficient de variation de rétrécissement inférieur à 45%, en comparaison avec un coefficient de variation de rétrécissement d'environ 50% lors d'une utilisation de sable siliceux. La réduction du coefficient produit une

coulée dimensionnellement plus précise.

D'autres buts et avantages vont apparaître au

cours de la description suivante.

Description des dessins

Les dessins illustrent le meilleur mode de

réalisation de l'invention proposé actuellement.

Dans les dessins: la figure 1 est un graphe montrant la dilatation linéaire des différents sables en fonction de la température; la figure 2 est un graphe montrant la variation des dimensions d'un bloc moteur à trois cylindres lors d'une utilisation de sable siliceux à différentes températures; la figure 3A comprend un groupe de diagrammes montrant les positions des axes médians des trous de cylindre d'une pluralité de modèles de mousse consommable utilisés lors du coulage d'un bloc de moteur V-6, avec les mesures faites à l'extrémité de la partie inférieure de chaque trou de cylindre; la figure 3B comprend une série de diagrammes similaires à la figure 3A, montrant les positions des axes médians des trous de cylindre au niveau de la partie centrale longitudinale des trous de cylindre; la figure 3C est une série de graphes similaires à la figure 3A montrant les positions des axes médians à l'extrémité de la partie supérieure des

trous de cylindre.

la figure 4A comprend une série de graphes montrant les positions des axes médians des trous de cylindre d'une pluralité de blocs moteurs V-6 coulés produits grâce à une utilisation de modèles de mousse consommable et de sable siliceux à une température de 26,6 C (80"F), avec les mesures faites à l'extrémité de la partie inférieure des trous de cylindre; la figure 4B comprend une série de diagrammes similaires à la figure 4A avec les mesures faites au niveau de la partie centrale longitudinale des trous de cylindre; la figure 4C comprend une série de graphes similaires à la figure 4A avec les mesures faites à l'extrémité de la partie supérieure des trous de cylindre; la figure 5A comprend une série de graphes montrant les positions des axes médians des trous de cylindre d'une pluralité de blocs moteurs V-6 coulés produits grâce à une utilisation de modèles de mousse consommable et de sable de carbone à 26,6 C (80 F) avec les mesures faites à l'extrémité de la partie inférieure des trous de cylindre; la figure 5B comprend une série de graphes similaires à la figure 5A avec les mesures faites au niveau la partie centrale longitudinale des trous de cylindre; la figure 5C comprend une série de diagrammes similaires à la figure 5A avec les mesures faites aux extrémités de la partie supérieure des trous de cylindre; la figure 6A comprend une série de graphes montrant les positions des axes médians des trous de cylindre d'une série de blocs moteurs V-6 coulés produits grâce à une utilisation de modèles de mousse consommable et de sable de carbone à 54,4 C (130 F), avec les mesures faites aux extrémités de la partie inférieure des trous de cylindre; la figure 6B comprend une série de diagrammes similaires à la figure 6A avec les mesures faites au niveau de la partie centrale longitudinale des trous de cylindre; et la figure 6C comprend une série de diagrammes similaires à la figure 6A avec les mesures faites aux extrémités de la partie supérieure des trous de cylindre.

Description du mode de réalisation préféré

L'invention concerne un procédé de coulée à modèle consommable utilisant du sable non lié ayant les propriétés physiques et thermiques spécifiques comme

matériau de moulage.

En réalisant l'invention, on produit un modèle de mousse de polymère à partir d'un matériau tel que du polystyrène ou du polyméthylméthacrylate pour fournir un modèle ayant une configuration correspondant à celle de l'article à couler. Le modèle de mousse lui-même est produit par des procédures conventionnelles utilisant des matrices de métal. Comme dans une coulée de mousse consommable conventionnelle, le modèle peut être enduit avec une matière céramique poreuse qui agit pour empêcher une réaction métal/sable et facilite un nettoyage de la partie de métal coulé. La couche de céramique est normalement appliquée par immersion du modèle dans un bain pour opérer la couverte de céramique, par drainage de la couverte en excès du modèle et par séchage de la

couverte pour fournir la couche de céramique poreuse.

Le procédé de l'invention peut être utilisé avec tout métal ou alliage voulu et a une application particulière dans une coulée d'alliages d'aluminium,

tels que des alliages hypo-eutectiques ou hyper-

eutectiques d'aluminium-silicium, ou des métaux ferreux, tels que du fer ou de l'acier coulé. En

général, les alliages d'aluminium-silicium hyper-

eutectiques à utiliser dans l'invention contiennent en poids 12 % à 30 % de silicium, 0,4 % à 5,0 % de magnésium, jusqu'à 0,3 % de manganèse, jusqu'à 1,4 % de

fer, jusqu'à 5 % de cuivre, et le reste d'aluminium.

Suivent des exemples spécifiques d'alliages de silicium-aluminium hypereutectiques à utiliser en pourcentage de poids:

EXEMPLE 1

Silicium 16,90 % Fer 0,92 % Cuivre 0,14 % Manganèse 0,12 % Magnésium 0,41 % Aluminium 81,51 %

EXEMPLE 2

Silicium 20,10 % Fer 0,20 % Cuivre 0,33 % Manganèse 0,18 % Magnésium 0,71 % Aluminium 78,40 %

Les alliages d'aluminium-silicium hypo-

eutectiques à utiliser dans l'invention contiennent en poids moins de 12% de silicium, et un alliage de coulée de sable ordinaire contient en poids de 6,5% à 7,5% de silicium, 0,25% à 0,45% de magnésium, jusqu'à 0, 6% de fer, jusqu'à 0,2% de cuivre, jusqu'à 0,25% de titane, jusqu'à 0, 35% de zinc, jusqu'à 0,35% de manganèse, et

le reste d'aluminium. Un autre alliage d'aluminium-

silicium hypo-eutectique ordinaire qui peut être utilisé dans l'invention contient en poids de 5,5% à 6,5% de silicium, de 3,0% à 4,0% de cuivre, de 0,1% à 0,5% de magnésium, jusqu'à 1,2% de fer, jusqu'à 0, 8% de manganèse, jusqu'à 0,5% de nickel, jusqu'à 3% de zinc,

jusqu'à 0,25% de titane, et le reste d'aluminium.

Suivent des exemples spécifiques d'alliages d'aluminium-silicium hypoeutectiques à utiliser en pourcentage de poids:

EXEMPLE 3

Silicium 7,10 % Magnésium 0,31 % Cuivre 0,05 % Titane 0,05 % Zinc 0,10 % Manganèse 0,05 % Aluminium 92,21 %

EXEMPLE 4

Silicium 6,21 % Cuivre 3,15 % Magnésium 0,32 % Fer 0,80 % Manganèse 0,51 % Nickel 0,34 % Zinc 1,02 % Titane 0,20 % Aluminium 87,35 % Traditionnellement, on utilise du sable siliceux ayant une taille de grain de 40 AFS approximativement, comme matériau de moulage dans une coulée à modèle consommable parce que le sable siliceux est facilement disponible et est peu onéreux. Grâce au développement de l'invention, on a découvert que l'utilisation de sable siliceux présente certains inconvénients lorsqu'on l'utilise dans des procédures de coulée à modèle consommable qui étaient jusqu'à présent non admis, et de plus on a découvert que le matériau de moulage de sable non lié devrait avoir certaines propriétés physiques, qui ne peuvent pas être obtenues avec du sable siliceux, afin d'obtenir des

coulées de précision.

On a découvert que les propriétés physiques du sable, en particulier les propriétés thermiques, affectent fortement la précision de coulée lors de l'utilisation de modèles à mousse consommable. Pour fournir la précision améliorée dans une coulée, le il sable devrait avoir une diffusivité thermique supérieure à 1500 J/m2/ K/s, et une dilatation linéaire totale de 0 C à 1600 C inférieure à 1%. Du sable de chromite (FeCr204), du sable de carbure de silicium, du sable de carbone, et du sable d'olivine (une solution solide de forstérite, Mg2SiO4, et de fayalite, Fe2SiO4) sont des exemples de sable qui ont

ces propriétés physiques.

Le sable devrait aussi avoir une finesse de grain AFS de 25 à 33 AFS et de préférence de 31 AFS environ, une valeur de perméabilité AFS de 450 à 500, et de préférence de 475 environ. La taille de grain spécifiée ci-dessus est plus grossière que celle utilisée traditionnellement dans des procédures de coulée à mousse consommable. Comme cela a été noté précédemment, du sable siliceux de la façon dont il était utilisé dans le passé dans une coulée à mousse

consommable, a une taille de grain de 40 AFS environ.

De plus, le sable, de la façon dont il est utilisé dans l'invention, a une distribution de taille de particule serrée ou étroite avec une distribution minimum de fin à grossier. Il résulte de ceci que la perméabilité du sable est essentiellement plus grande que la perméabilité du sable utilisé ordinairement dans des procédés de coulée à mousse consommable, qui normalement a une valeur de perméabilité de base AFS de

300 environ.

Le tableau suivant montre une comparaison des propriétés physiques du sable de chromite, du sable de carbure de silicium et du sable de silicium:

TABLEAU I

Sable siliceux Sable de Sable de Chromite Carbure de Silicium Conductivité thermique 0,90 à 0,61 1,09 3,25 (watts/m/ K) Densité 1500 2400 2000 (Kg/m3) Chaleur spécifique (J/Kg/ K) 1130 à 1172 963 840 Diffusivité thermi2que 6 0,360 à 0,512 0,472 2,0 (m /s x 106) Diffusivité calorique 1017 à 1258 1587 2340 (J/m2/ K/s) La conductivité thermique d'un matériau est la quantité de chaleur qui passe par unité de temps à travers une unité de surface d'une masse du matériau d'une épaisseur unitaire lorsqu'il y a une différence de 1l de températures à travers les faces opposées de la masse. La vitesse de variation de la température, en tout lieu est proportionnelle à la pente instantanée de gradient de température. La constante de proportionnalité est appelée la diffusivité thermique et est définie comme la conductivité thermique divisée par la capacité de chaleur volumique o la capacité de chaleur volumique est la chaleur par unité de volume nécessaire pour augmenter de 1 la température de la masse. La diffusivité thermique, d'autre part, est une mesure de la vitesse à laquelle le moule peut absorber de la chaleur et est la racine carrée du produit de la conductivité thermique, de la densité et de la chaleur massique. En tant que telle, une diffusivité thermique est directement reliée à une vitesse de solidification

du métal fondu.

On a trouvé que la dilatation linéaire du sable en fonction de la température est un facteur important de fourniture de coulées précises, et que la dilatation linéaire du sable devrait être inférieure à 1 dans un intervalle de température de 0 C à 1100 C, et de préférence inférieure à 0,75%, sur un intervalle de température de 0 C à 700 C. La figure 1 est un graphe montrant la variation de la dilatation linéaire du sable siliceux, du sable de chromite, et du sable d'olivine en fonction de la température. La courbe du sable siliceux montre une augmentation substantielle de la dilatation lorsque la température du sable siliceux approche approximativement de 500 C. A partir du graphe ci-dessus, on note que de la chromite et de l'olivine ne subissent pas une dilatation brusque similaire comme

c'est le cas du sable siliceux.

L'importance de la dilatation linéaire est évidente lorsqu'on compare la diffusivité thermique d'un métal coulé, tel qu'un alliage d'aluminium, avec celle du sable. La diffusivité thermique d'un alliage d'aluminium est approximativement de 6,2 x 10- 5 m2/s ce qui est approximativement 150 fois supérieur à la diffusivité thermique des sables tels que ceux montrés dans le tableau I ci-dessus. Ceci signifie que la distance moyenne à travers laquelle de la chaleur passe en un temps donné est approximativement 12 fois supérieure pour l'alliage d'aluminium que pour du sable, d'o il résulte une formation de chaleur à l'interface sable/métal qui provoque une dilatation de la cavité de moulage de sable. Puisque le coefficient de dilatation thermique d'un sable siliceux est approximativement 4 fois supérieur à celui d'un sable de chromite, toute augmentation de température au niveau de l'interface métal/sable va provoquer une dilatation du sable siliceux substantiellement supérieure à celle d'un sable de chromite et par conséquent va produire une coulée de dimension plus grande. Aussi, puisque l'interface fondue métal/sable s'est déplacée vers l'extérieur avant le début d'une solidification, la valeur de rétrécissement calculée obtenue sur la plus grande coulée va devenir une valeur de rétrécissement inférieure (et imprédictible) pour le

métal solidifié.

Comme cela a été noté ci-dessus, la diffusivité thermique du sable est directement liée à la vitesse de solidification du métal fondu. A partir des données de

diffusivité thermique montrées sur le tableau I ci-

dessus, on voit que l'utilisation de sable de chromite devrait accroître la vitesse de solidification du métal, c'est à dire le temps nécessaire pour passer entre les températures liquides et solides, par rapport à celles utilisant du sable siliceux de 26% à 56% approximativement du fait de la diffusivité thermique plus élevée du sable de chromite. On peut ne pas voir cette amélioration de la vitesse de solidification en elle-même comme un avantage économique qui en vaut la peine mais lorsqu'elle est prise en considération avec la grande dilatation qui se produit avec du sable siliceux à 550 C environ, on obtient une amélioration

substantielle de la précision des coulées.

Lors d'une coulée d'un bloc moteur pour un moteur à combustion interne, le moule est formé avec une pluralité de trous cylindriques qui correspondent aux cylindres dans le bloc coulé. Dans le châssis, le sable ne fait pas seulement qu'entourer le modèle, il remplit aussi les trous fournissant ainsi des noyaux de sable. Durant une coulée, le métal fondu va se rétrécir lorsqu'il se solidifie. Si le noyau de sable ne "donne" pas lorsque le métal se solidifie et se rétrécit autour de lui, on peut former des contraintes dans la coulée et on obtiendra des diamètres imprédictibles dans les trous de cylindre. Ainsi, le sable utilisé comme noyau devrait permettre au noyau de suivre le rétrécissement

du métal se solidifiant.

Le tableau suivant résume des mesures répétées de la moyenne de 25 dimensions critiques différentes d'un bloc moteur marin complexe, à trois cylindres, de 60 chevaux utilisant divers matériaux de moulage de sable dans un procédé de coulée à mousse consommable et utilisant l'alliage d'aluminium-silicium de l'exemple 3, ci-dessus. Le résultat montre qu'en utilisant du sable de chromite, du sable de carbure de silicium, ou du sable de carbone le rétrécissement de l'alliage est approximativement adapté au retrait non contraint de

l'alliage comme cela est rapporté dans la littérature.

Ceci est assez surprenant, parce que des blocs moteurs complexes avec de grands noyaux et produits dans un procédé de coulée de sable utilisant du sable lié, montrent généralement des résultats de retrait plus petits que le retrait non contraint de l'alliage. Les différents résultats de retrait dans l'alliage, comme cela est montré dans le tableau II, sont supposés être le résultat de différents degrés de contrainte par le moule (et le noyau) de sable pendant un refroidissement. Il est reconnu que la dureté de tassage du sable et le pourcentage de liant dans des sables liés chimiquement affectent significativement le retrait. Sur la base de ce qui précède, on peut voir le sable non lié dans le procédé de coulée à mousse consommable comme offrant de façon inhérente moins de contrainte pendant un refroidissement qu'un sable lié et, par conséquent il est plus sensible au phénomène de la dilatation du moule à partir de métaux fondus de contenu thermique plus élevé et/ou à partir du commencement du procédé de coulée avec du sable chauffé. Ce dernier facteur est clairement réfléchi par les coefficients de dilatation de l'alliage de 0,00925 cm par cm (0,00925 pouces par pouce) et de 0,007 cm par cm (0,007 pouces par pouce) pour du sable siliceux respectivement à 26,6 C (80 F) et 71,1 C (160 F). Les blocs moteurs coulés de dimension plus grande résultant de l'utilisation de sable siliceux chauffé réfléchissent simplement la dilatation plus grande du moule de sable comme un résultat de la température plus

élevée du sable.

TABLEAU II

Type Température Retrait Coefficient de du moyen cm/cm de variation sable sable pouces/pouce du retrait Silice 71,1-C 0,007 cm/cm 60 % (160-F) 0,007 in/in Silice 26,6 C 0,0093 cm/cm 50 % (80-F) 0,0093 in/in Chromite 26,6 C 0,0119 cm/cm 35 % (80-F) 0,0119 in/in Carbure 26,6 C 0,0110 cm/cm 37 % de silice (80-F) 0,0110 in/in Sable de 26,6 C 0,0106 cm/cm 36 % carbone (80-F) 0,0106 in/in sphérique _ A partir du tableau ci-dessus, on voit que l'utilisation de sable de chromite, de sable de carbure de silice, et de sable de carbone s'est traduit par un taux de retrait de métal plus élevé en cm par cm (pouces par pouce) que lors d'une utilisation de sable siliceux permettant ainsi à un noyau de sable non lié

de suivre de plus près le retrait de l'alliage.

Le fait que l'utilisation de sable de chromite, de sable de carbure de silicium, et de sable de carbone produise dans la coulée de métal un coefficient de variation de retrait sensiblement plus faible, comparé

à l'utilisation de sable siliceux, est aussi important.

Ceci signifie que le retrait aux divers emplacements de mesure était plus uniforme et avait moins de variance que celui mesuré lors d'une utilisation de sable siliceux. Des mesures répétées sur un bloc moteur marin de 3 litres, V-6, de 250 chevaux moulé donnaient des résultats similaires. Le sable siliceux à température ambiante de 26,6 C (80 F) donnait une valeur de retrait de 0,0094 cm par cm (0,0094 pouces par pouce), et le sable de chromite à température ambiante donnait un

retrait de 0,0118 cm par cm (0,0118 pouces par pouce).

De plus, le sable siliceux à température ambiante donnait une précision, reflétée par le coefficient de variation (de retrait), pire de plus de 40% à celui

obtenu grâce à une utilisation du sable de chromite.

Ces résultats témoignent en outre que du sable siliceux, comme matière de moulage, produit des blocs moteurs de dimension plus grande que l'utilisation de sable de chromite. De plus, la précision obtenue avec du sable siliceux lorsque la température du sable augmente est significativement moindre que la précision obtenue avec du sable de chromite. Les résultats de test indiquent aussi que les différences de géométrie entre un bloc moteur V-6 et un bloc à trois cylindres en ligne n'affectent pas matériellement les valeurs de retrait obtenues pour les deux types de sable

différents.

Les figures 3A à 6C illustrent l'amélioration de la prédictibilité ou de la stabilité dimensionnelle qui sont obtenues dans un procédé de coulée à mousse consommable utilisant du sable ayant les propriétés physiques telles qu'elles sont indiquées ci-dessus. Les figures 3A et 3C montrent des mesures faites sur les axes médians des trous de 133 modèles de polystyrène collé utilisés dans la coulée de blocs moteurs V-6. Les modèles étaient produits par un moulage à injection utilisant des matrices de métal. Chaque diagramme représente les positions ou les mesures des axes

médians des trous de cylindre pour les six cylindres.

Le cercle au centre de chaque diagramme représente la tolérance spécifiée de 0,078 cm (0,031 pouce). Plus spécifiquement, la figure 3A montre les positions des axes médians à l'extrémité de la mousse de la partie inférieure des six trous de cylindre. La figure 3B est similaire à la figure 3A montrant les positions des axes médians des trous de cylindre des modèles de mousse faites sur la partie centrale longitudinale des trous de cylindre, alors que la figure 3C montre les mesures des axes médians faites à l'extrémité de la partie supérieure des trous de cylindredes modèles de mousse. Un alignement et une congruence des positions des axes médians pour les trois segments de mousse

collée sont d'une importance primordiale.

On peut voir à partir des figures 3A à 3C que les axes médians pour tous les trous de cylindre dans les moules de mousse sont groupés en grappe très étroitement dans le cercle de tolérance ou dans la cible. Ainsi, on montrait que le lot de modèles de mousse collée couvert par ces données était stable dimensionnellement avec les axes médians des trous de cylindre virtuellement pour tous modèles tombant dans

les limites de tolérance.

Les diagrammes des figures 4A à 4C montrent les positions des axes médians des trous de cylindre de 111 blocs moteurs coulés. Dans les données des figures 4A à 4C, on a utilisé des modèles de mousse du lot testé dans les figures 3A à 3C et du sable siliceux non lié a entouré chaque modèle de mousse dans le châssis à une température de 26,6 C (80 F). Le sable siliceux a un grain de finesse AFS de 31, et une valeur de perméabilité de base AFS de 475. On a utilisé un alliage d'aluminium 356 comme métal de coulée. La figure 4A montre les positions des axes médians des trous de cylindre des blocs moteurs coulés à l'extrémité inférieure, alors que la figure 4B montre les positions des axes médians au niveau de la partie longitudinale centrale des trous de cylindre, alors que la figure 4C montre les positions des axes médians aux extrémités de la partie supérieure des trous de cylindre. Comme on le voit sur les figures 4A à 4C, les positions des axes médians sont largement dispersées, bien à l'extérieur du cercle cible, d'o il résulte que des blocs moteurs ne peuvent pas être usinés de façon appropriée et qu'un manque d'enlèvement se produise

après l'opération d'usinage d'un trou de cylindre.

Ainsi, la majorité des blocs moteurs coulés produits grâce à une utilisation de sable siliceux, comme cela est montré sur les figures 4A à 4C ont des trous de cylindre qui sont à l'extérieur de la tolérance spécifiée, et ne peuvent pas être usinés de façon

adéquate.

Les figures 5A à 5C montrent les résultats d'un test similaire d'une série de 14 blocs moteurs V-6 produits par coulée de mousse consommable et utilisant du sable de carbone à 26,6 C (80 F). Le sable de carbone avait une finesse de grain AFS de 33, et une valeur de perméabilité de base AFS de 450. Comme dans le cas des données montrées sur les figures 4A à 4C, on utilise des modèles de mousse du lot testé dans les figures 3A à 3C, et les blocs moteurs étaient coulés à partir d'un alliage d'aluminium 356 qui était utilisé

comme alliage de coulée.

La figure 5A montre les positions des axes médians des trous de cylindre coulé à l'extrémité de la partie inférieure, la figure 5B montre les positions des axes médians au niveau de la partie centrale longitudinale des trous de cylindre, et la figure 5C montre les positions des axes médians à l'extrémité de

la partie supérieure des trous de cylindre des blocs.

Les figures 6A à 6C montrent les positions des axes médians des trous de cylindre de blocs moteurs coulés utilisant une procédure de coulée identique à celle des figures 5A à 5C, sauf que le sable de carbone

était à une température de 54,4 C (130 F).

Lorsqu'on compare les données montrées sur les figures 5A à 5C et 6A à 6C avec les positions réelles des axes médians des trous pour les modèles de mousse, comme cela est montré sur les figures 3A à 4C, elles indiquent que les positions des axes médians des modèles de mousse et celles des coulées résultantes peuvent presque être superposées l'une sur l'autre, ce qui indique une prédictibilité dimensionnelle excellente de pièce à pièce. De plus, la dispersion des mesures des axes médians des blocs moteurs des figures 5A à 5C et 6A à 6C est seulement une fraction de la dispersion des mesures des axes médians montrée dans les figures 4A à 4C utilisant du sable siliceux. De plus, les données pour le sable de carbone à température plus élevée, figures 6A à 6C, et le sable de carbone à température inférieure, figure 5A à 5C, ne montrent pas une grande différence de dispersion ou de précision. Ces données montrent de façon décisive que l'utilisation de sable ayant des propriétés physiques spécifiques telles qu'elles sont indiquées ci- dessus, produit des coulées plus précises et prédictibles dans un procédé de coulée à mousse consommable que celles obtenues dans un procédé similaire utilisant du sable siliceux. On a trouvé aussi que l'étanchéité de fuite des blocs moteurs coulés produits par un procédé de coulée de mousse consommable conventionnel utilisant du sable siliceux varie avec la température du sable. Comme exemple, le taux de fuite pour un bloc moteur en aluminium de moteur à trois cylindres en ligne produit par un procédé de coulée à mousse consommable utilisant du sable siliceux à basse température à 26,6 C (80 F) est trois fois celui observé lors d'une utilisation de sable siliceux à température plus élevée à 54,4 C (130 F). Cependant, on a trouvé que du sable siliceux à 54,4 C (130 F) ne peut pas être utilisé avec succès dans une coulée soit d'un bloc à trois cylindres en ligne soit d'un bloc V-6, parce que du sable chauffé produira une coulée de dimension plus grande, ce qui est inacceptable. Ainsi, en pratique, on a utilisé du sable siliceux à une température d'environ 26,6 C (80 F) dans les procédés de fabrication commerciale. Du fait que le taux de fuite augmentait avec du sable siliceux à faible température, il a par conséquent été nécessaire d'imprégner le bloc coulé, parfois jusqu'à trois fois, avec un mastic, tel que du loctite pour permettre au bloc moulé de satisfaire les exigences d'étanchéité de fuite. En contraste à ceci, l'invention utilisant une température du sable de 48,9 C (120"F) ou

plus et ayant les propriétés physiques mentionnées ci-

dessus produit des blocs moteurs étanches aux fuites soit lors de la conception de trois cylindres en ligne, soit dans la conception de V-6 et les deux conceptions sont prédictibles dimensionnellement sans cas de manque d'enlèvement dans l'un quelconque des trous après usinage. Comme autre avantage, le procédé de l'invention permet de produire des coulées plus compliquées comme une partie intégrale. Par exemple, lors d'une coulée d'un bloc moteur V-6, le collecteur d'échappement avec son plateau diviseur et son plateau couvercle peut être moulé comme une partie intégrale du bloc moteur coulé, ce qui réduit le coût de fabrication général. Pour obtenir la même stabilité dimensionnelle que celle obtenue par l'invention, un bloc moteur V-6 devrait être fabriqué dans un procédé de coulée utilisant du sable lié de précision, et dans un tel procédé le bloc moteur serait coulé séparément du plateau diviseur du collecteur d'échappement et du couvercle, ceci nécessitant le coût supplémentaire d'outillage séparé

pour le plateau diviseur et le couvercle.

Non seulement les propriétés thermiques du sable sont importantes pour fournir des coulées de précision, mais on a aussi trouvé que la température du sable influe sur la coulée. Par exemple, dans des conditions hivernales de fonderie, la température du sable peut être comprise dans l'intervalle de 18,3 C (65 F) à 29,4 C (85 F). En été, o la température ambiante peut monter jusqu'à 32,2 C (90 F) ou plus, la température du sable peut être comprise dans l'intervalle de 29,4 C (85 F) à 40,5 C (105 F). Avec la température du sable plus élevée en été, les coulées auront une dimension quelque peu plus grande que des coulées produites en hiver avec le sable à une température plus basse. Par conséquent, pour compenser cette différence en dimensions dans la partie coulée, la dimension des modèles à mousse consommable peut être ajustée. La dimension du modèle peut changer avec le vieillissement des perles de plastique avant moulage, ou avec le vieillissement des parties moulées après moulage, ou en sélectionnant un autre type de perle de mousse. Ainsi, par un vieillissement correct ou par une sélection des perles, on peut obtenir un modèle plus grand qui peut être utilisé en hiver pour compenser la température du sable plus basse, ceci résultant en des parties coulées qui ont les mêmes dimensions indépendamment de la température saisonnière ambiante

du sable.

La figure 2 illustre de plus l'importance de la température du sable sur la précision d'une coulée. La figure 2 est une courbe montrant des mesures moyennes d'une dimension de bloc moteur en centimètres (pouces) en fonction de la température du sable siliceux non lié

utilisé dans un procédé de coulée à modèle consommable.

Le bloc moteur était coulé à partir d'un alliage d'aluminium-silicium hypo-eutectique ayant la composition de l'exemple 3 ci-dessus. Comme on le voit à la figure 2, la dimension du bloc moteur moyen lors d'une utilisation du sable à température ambiante de

26,6"C (80 F) était de 24,20 cm (9,53 pouces).

Lorsqu'on augmentait la température du sable à 71,1 C (160 F), la dimension du bloc moyen augmentait aussi à une valeur de 24,35 cm environ (9,59 pouces environ),

soit une augmentation de 0,15 cm (0,06 pouces).

Alors que la courbe ci-dessus montre la différence de dimensions obtenue en utilisant du sable siliceux à différentes températures, des résultats de dilatation similaires, bien que plus petits d'un facteur de quatre approximativement, sont obtenus en utilisant du sable de chromite, du sable de carbure de silicium, ou du sable de carbone, ce qui indique que la température du sable est un élément pour obtenir des

coulées précisément dimensionnées.

Le contrôle de la température du sable dans l'intervalle spécifié de pièce coulée à pièce coulée est aussi important. Pour obtenir une précision dimensionnelle on devrait maintenir la température du sable dans un intervalle spécifique lors d'un moulage d'un groupe ou d'un nombre de parties. Par exemple, lors d'une coulée de blocs moteurs, on devrait maintenir la température du sable pour chaque coulée dans un intervalle de -12,2 C (10F), alors que pour d'autres articles, on devrait maintenir le sable pour

chaque coulée dans un intervalle de + -6,7 C (20 F).

Pendant une coulée on va habituellement augmenter la température du sable à une valeur de 93,3 C (200 F) environ, et on va ensuite envoyer le sable à un refroidisseur, et on commande le flux du sable à travers le refroidisseur pour maintenir le sable dans l'intervalle spécifié cidessus pour la

prochaine opération de coulée.

L'invention est basée sur la découverte qu'on peut produire des coulées plus précises dans un procédé de coulée à modèle consommable en utilisant du sable ayant des propriétés physiques et thermiques spécifiques et en commandant la température du sable ou en corrélant la température du sable avec la dimension

d'un modèle.

On envisage divers modes de réalisation de

l'invention tombant dans la portée des revendications

suivantes montrant particulièrement et revendiquant distinctement le sujet qui est considéré comme

l'invention.

Claims (10)

REVENDICATIONS

1. Procédé de production de coulées de métal dimensionnellement prédictibles, comprenant les étapes de formation d'un modèle d'un matériau de mousse polymère consommable ayant une configuration correspondant à un article à couler, de positionnement du modèle dans une relation d'espacement avec un châssis externe, de disposition d'une première quantité de sable non lié dans le châssis entourant le modèle, ledit sable ayant une diffusivité thermique supérieure à 1500 J/m2/ K/s, et une dilatation linéaire de 0oC à 1600'C inférieure à 1%, une valeur de finesse de grain AFS de 25 à 33, et une valeur de perméabilité de base AFS de 450 à 500, de contact du modèle avec un métal fondu pour décomposer le matériau polymère avec les produits de décomposition inclus dans les interstices du sable, de solidification du métal fondu pour produire un article coulé, et d'enlèvement de l'article

coulé du moule.

2. Procédé selon la revendication 1, et comprenant les étapes de formation d'un second modèle ayant une configuration correspondant audit article et de positionnement dudit second modèle dans un second châssis, de disposition d'une seconde quantité de sable dans le second châssis et entourant ledit second modèle, de maintient de la température de ladite

seconde quantité de sable dans un intervalle de + -

6,7 C (20 F) par rapport à la température de la première quantité dudit sable, et de contact du second modèle avec du métal fondu et de solidification dudit

métal fondu pour produire un second article coulé.

3. Procédé selon la revendication 2, et comprenant l'étape de maintien de la température à la fois de la première quantité et de la seconde quantité de sable dans l'intervalle de 37,8 C (100 F) à 48,9 C

(120-F).

4. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on sélectionne le matériau de polymère à partir du groupe se composant de polystyrène et de polyméthylméthacrylate.

5. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on sélectionne le sable à partir du groupe se composant de sable de chromite, de sable de carbure de silicium, de sable d'olivine, de sable de carbone et de

mélange de ceux-ci.

6. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'étape de contact du modèle avec un métal fondu comprend un contact du modèle avec un alliage d'aluminium-silicium hyper-eutectique contenant plus de

12% de silicium.

7. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'étape de contact du modèle avec un métal fondu

comprend un contact du modèle avec un métal ferreux.

8. Procédé selon la revendication 1, dans lequel ledit sable a une dilatation linéaire de 0 C à

700 C inférieure à 0,75%.

9. Procédé de production de blocs moteurs dimensionnellement prédictibles pour un moteur à combustion interne, comprenant les étapes de formation d'un modèle d'un matériau de mousse polymère consommable ayant une configuration correspondant à un bloc moteur à couler et comprenant au moins un trou cylindrique, de positionnement du modèle dans une relation d'espacement avec un châssis externe, de disposition du sable non lié dans le châssis entourant le modèle et dans le trou, ledit sable ayant une diffusivité thermique supérieure à 1500 J/m2/ K/s, une dilatation linéaire de 0OC à 1600 C inférieure à 1%, une valeur de finesse de grain AFS de 25 à 33, et une valeur de perméabilité de base AFS de 450 à 500, de contact du modèle avec un métal fondu pour décomposer le matériau polymère avec les produits de décomposition inclus dans les interstices du sable, de solidification du métal fondu pour produire un bloc moteur coulé, contenant au moins un trou de cylindre, d'enlèvement du bloc moteur coulé du moule, et par la suite d'usinage

du trou de cylindre.

10. Procédé selon la revendication 9, dans

lequel le métal fondu est un alliage d'aluminium.