FR2967364A1 - Carapace de moulage a modele perdu et procede de fabrication de cette carapace - Google Patents

Abstract

Procédé de fabrication d'une carapace de moulage à modèle perdu, dans lequel on fournit un modèle destructible, on applique successivement sur le modèle plusieurs couches réfractaires pour former une carapace autour du modèle, au moins une des couches réfractaires comprenant des fibres de lin discontinues, et on chauffe la carapace de manière à éliminer par combustion les fibres de lin et à fritter la carapace. Carapace obtenue par ce procédé.

Description

DOMAINE DE L'INVENTION Le présent exposé concerne une carapace de moulage à modèle perdu et son procédé de fabrication. Une telle carapace est plus particulièrement destinée à être utilisée en s fonderie, en tant que moule. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE La fonderie regroupe les procédés de formage des matériaux métalliques (métaux ou alliages), qui consistent à couler un matériau métallique liquide dans un moule pour réaliser, après refroidissement, une io pièce donnée en limitant autant que possible les travaux ultérieurs de finition sur cette pièce. Les procédés de moulage à modèle perdu font parties des procédés de fonderie utilisés plus particulièrement pour réaliser un moulage de précision. Un exemple connu de procédé de moulage à modèle perdu consiste à 15 réaliser en cire un modèle positif de la pièce à fabriquer, puis à appliquer successivement sur ce modèle plusieurs couches réfractaires afin de créer une carapace autour du modèle. Le nombre de couches réfractaires déposées dépend principalement de la résistance mécanique souhaitée pour la carapace. Avant le dépôt d'une nouvelle couche réfractaire, la couche 20 précédente est séchée. Après avoir déposé et séché la dernière couche, on obtient une carapace dite "verte" ou "à vert", c'est-à-dire une carapace séchée mais non-frittée. Ensuite, le modèle en cire est éliminé en utilisant un four de chauffage flash ou un autoclave permettant de chauffer et de liquéfier rapidement la cire. Cette opération consistant à éliminer la cire est 25 appelée "décirage". Après le décirage, on récupère la carapace verte et on chauffe celle-ci pour éliminer les traces de cire résiduelles et fritter les couches réfractaires. On obtient alors une carapace frittée ou "cuite". Enfin, on coule un matériau métallique fondu dans la carapace frittée et chauffée et, après formation de la pièce par solidification du matériau coulé, on sépare 30 la pièce de la carapace, généralement en cassant la carapace. Cette dernière opération est appelée le "décochage" de la pièce.

D'une manière générale, un tel procédé est assez long à mettre en oeuvre, du fait notamment du temps nécessaire pour fabriquer la carapace. En outre, il est fréquent de fissurer la carapace verte du fait de la faible résistance mécanique de celle-ci, en particulier lors de l'étape de décirage en s raison de la pression générée à l'intérieur de la carapace par la dilatation de la cire. Il existe donc un réel besoin pour une solution permettant de palier au moins un des inconvénients précités, ne serait-ce qu'en partie. PRESENTATION DE L'INVENTION io Le présent exposé concerne un procédé de fabrication d'une carapace de moulage à modèle perdu, dans lequel on fournit un modèle destructible et on applique successivement sur le modèle plusieurs couches réfractaires pour former une carapace autour du modèle, au moins une des couches réfractaires comprenant des fibres de lin discontinues. 15 Le modèle destructible est un modèle en positif de la pièce ou des pièces à mouler (dans ce dernier cas, il s'agit de plusieurs modèles de pièce assemblés). Il reproduit la forme, les dimensions et l'aspect de surface de cette pièce. Il peut être fabriqué à partir d'un matériau thermoplastique capable de fondre, de se vaporiser ou de brûler complètement afin de ne pas 20 laisser de résidu dans la carapace. Par exemple, le modèle destructible peut comprendre une cire classique, une cire chargée avec de l'eau (cire émulsifiée) ou une cire chargée avec des polymères. Le modèle destructible peut être préparé par injection d'un matériau thermoplastique dans un outillage formant une matrice négative de la pièce à mouler. Par ailleurs, il 25 peut être détruit et retiré de la carapace verte en utilisant des techniques classiques de destruction comme la fusion du modèle en four flash ou en autoclave. Dans certains modes de réalisation, on chauffe la carapace de manière à éliminer par combustion les fibres de lin. Par exemple, après avoir détruit 30 le modèle et récupéré la carapace, on chauffe la carapace (e.g. à une température comprise entre 900 et 1100°C) de manière à, simultanément, fritter la carapace et éliminer par combustion les fibres de lin et les résidus de modèle éventuels. Les fibres de lin sont des fibres de longueur relativement faible, dont l'épaisseur (ou le diamètre), comparé(e) à la longueur, est très faible. Typiquement, l'épaisseur des fibres de lin discontinues est de quelques dizaines de micromètres, tandis que la longueur des fibres utilisées est de quelques millimètres. Ces fibres de lin permettent d'obtenir une couche réfractaire qui, à vert, présente des caractéristiques mécaniques plus élevées que celles d'une io couche réfractaire sans fibres de lin. A l'échelle de la carapace, ceci se traduit par une meilleure résistance à la fissuration, en particulier lors de l'opération de décirage. En outre, pour fabriquer une carapace de résistance mécanique donnée, moins de couches réfractaires sont nécessaires, ce qui se traduit par un gain de temps et de matière lors de la fabrication. 15 Un autre avantage des fibres de lin tient au fait que ces fibres peuvent être éliminées facilement par combustion. De plus, l'élimination des fibres de lin et le frittage de la carapace peuvent être réalisés lors d'une seule et même étape de chauffage. L'élimination des fibres de lin donne naissance à un réseau de porosités 20 qui sont le modèle négatif des fibres éliminées. Ces porosités contribuent à augmenter la perméabilité à l'air de la carapace lors de la coulée (ce qui permet de réduire, là encore, le temps de mise en oeuvre du procédé), sans fragiliser outre mesure la carapace frittée. Dans certains cas, on a même pu constater, contre toute attente, que ces porosités n'affectaient pas la 25 résistance mécanique de la carapace frittée et, en particulier, son module de rupture. L'élimination des fibres de lin de la carapace permet également de recycler plus facilement la carapace après sa destruction. Dans certains modes de réalisation, la longueur des fibres de lin est 30 comprise entre environ 3 mm et environ 6 mm. Il s'agit là d'un bon compromis entre le renforcement mécanique procuré par les fibres de lin, qui augmente avec la longueur des fibres, et la répartition homogène de ces fibres dans la couche réfractaire et autour du modèle, qui diminue avec la longueur des fibres. Dans certains modes de réalisation, chaque couche réfractaire est s formée en appliquant d'abord une barbotine sur le modèle, puis en appliquant des particules réfractaires sur la barbotine encore humide. Ainsi, la couche réfractaire est formée par l'association de la barbotine et des particules réfractaires. La barbotine peut être une barbotine réfractaire, c'est-à-dire une 10 poudre de matériau réfractaire, typiquement une farine réfractaire, dans un liant liquide. Les particules réfractaires précitées sont communément appelées "stuc" et sont, par exemple, des particules de céramique. Pour appliquer la barbotine sur le modèle, on peut, par exemple, 15 plonger le modèle (nu ou déjà revêtu d'une ou de plusieurs couches réfractaires) dans la barbotine. La barbotine encore humide constitue ensuite une couche d'accroche pour les particules réfractaires. Dans certains modes de réalisation, les fibres de lin sont mélangées à la barbotine avant d'appliquer la barbotine sur le modèle. Les fibres de lin ne 20 sont ainsi plus volatiles lors de leur dépôt sur le modèle, ce qui améliore les conditions de travail et en particulier les conditions d'hygiène. Dans certains modes de réalisation, les fibres de lin sont appliquées sur la barbotine encore humide après avoir appliqué la barbotine sur le modèle. Dans ce cas, la barbotine constitue une couche d'accroche pour les fibres de 25 lin et les particules réfractaires. Les fibres de lin et les particules réfractaires peuvent être déposées ensemble sur le modèle (par exemple en étant mélangées préalablement) ou l'une après l'autre. Dans certains modes de réalisation, on applique successivement N couches réfractaires sur le modèle, numérotées de 1 à N par ordre croissant 30 à mesure que l'on s'éloigne du modèle, et les fibres de lin sont comprises dans au moins une couche parmi les couches n°2 à N-1.

Dans certains modes de réalisation, la couche n°1 et éventuellement la couche n°2 sont des couches dites "primaires" ou "de contact", et les autres couches sont des couches dites "de renfort". Les couches de contact peuvent différer des couches de renfort par la taille des particules réfractaires employées, ces particules étant alors plus fines dans les couches de contact. Par exemple, la poudre de matériau réfractaire présente dans la barbotine de contact peut être plus fine que la poudre présente dans la barbotine de renfort. De même, le stuc de contact peut être moins grossier que le stuc de renfort. Par ailleurs, la poudre de matériau réfractaire et le stuc utilisés dans io la (les) couche(s) de contact et les couches de renfort peuvent avoir des compositions identiques ou différentes. Les couches de contact forment la couche de revêtement intérieur de la carapace, destinée à être au contact du matériau métallique coulé. La composition de la ou des couches de contact est donc adaptée pour fournir 15 un bon état de surface, permettre une reproduction fidèle du modèle et éviter toute réaction négative avec ce matériau. La présence de fibres de lin dans la (les) couche(s) de contact n'est souvent pas souhaitable car la longueur des fibres empêche souvent d'épouser parfaitement les formes du modèle et car la disparition des fibres lors de l'opération de frittage 20 occasionne souvent une porosité dommageable à l'état de surface de la pièce coulée. La présence de fibres de lin dans la couche extérieure de la carapace, n°N, n'est pas souvent souhaitable non plus car il a été trouvé que l'apport de fibres dans cette dernière couche n'augmentait pas significativement la 25 résistance mécanique à vert de la carapace et que, par conséquent, il était préférable de faire l'économie du dépôt de fibres dans cette couche (économie de temps et de matière). Dans certains modes de réalisation, le nombre de couches réfractaires N est compris entre 7 et 14 et les fibres de lin discontinues sont comprises 30 dans au moins une couche parmi les couches n°3, 4, 5 et 6. Une telle configuration se révèle intéressante car elle permet d'augmenter la résistance mécanique à vert de la carapace d'une manière significative et de façon optimisée par rapport à la quantité de fibres de lin utilisées et au temps de fabrication, et d'augmenter la perméabilité des couches intermédiaires après frittage sans nuire à l'état de surface de la pièce coulée.

Le présent exposé concerne également un procédé de fabrication d'une pièce par fonderie, dans lequel on fabrique une carapace selon le procédé décrit plus haut, on coule un matériau métallique fondu dans la carapace et, après solidification du matériau coulé, on décoche la pièce. Le présent exposé concerne également une carapace de moulage à io modèle perdu, à vert, comprenant plusieurs couches réfractaires, au moins une des couches réfractaires comprenant des fibres de lin discontinues. Les avantages d'une telle carapace à vert, notamment sa bonne résistance mécanique, ont été évoqués plus haut. Le présent exposé concerne également une carapace de moulage à 15 modèle perdu, frittée, comprenant plusieurs couches réfractaires, au moins une des couches réfractaires comprenant un réseau de porosités, ces porosités étant l'empreinte négative de fibres discontinues. Les avantages d'une telle carapace frittée ont été évoqués plus haut, en particulier le fait que les porosités contribuent à augmenter la 20 perméabilité à l'air de la carapace lors de la coulée sans fragiliser outre mesure, voire pas du tout, la carapace. Dans certains modes de réalisation, la longueur des fibres ou des porosités de la carapace, à vert ou frittée, est comprise entre 3 et 6 mm environ. 25 Dans certains modes de réalisation, la carapace comprend N couches réfractaires, numérotées de 1 à N par ordre croissant de l'intérieur vers l'extérieur de la carapace, et les fibres ou les porosités sont comprises dans au moins une couche parmi les couches n°2 à N-1. L'intérieur de la carapace est la partie au contact du matériau métallique lors du moulage. 30 DESCRIPTION DETAILLEE D'EXEMPLES DE REALISATION Des exemples de réalisation sont décrits en détail ci-après. Ces exemples illustrent certaines caractéristiques et certains avantages de l'invention. Il est toutefois rappelé que l'invention ne se limite pas à ces s exemples. Dans un premier exemple, noté exemple 1, la carapace est formée en revêtant de façon répétée un modèle destructible avec une couche de barbotine réfractaire, et en enduisant la couche de barbotine avec un stuc réfractaire pour former une couche de stuc sur la couche de barbotine. io L'ensemble comprenant la couche de barbotine et la couche de stuc constitue une couche réfractaire au sens du présent exposé. Les premières couches réfractaires appliquées sur le modèle sont des couches de contact. Les couches suivantes sont des couches de renfort. Les couches de contact ne comprennent pas de fibres de lin. 15 La barbotine de contact comprend une farine de zircon de granulométrie inférieure à 0,08 mm (200 mesh) dans un liant à base de silice colloïdale comme le liant "Primcote" de la société Ransom & Randolph. La teneur en silice dans le liant est ajustée à 30%. La teneur en farine de zircon dans la barbotine est d'environ 82% en masse. 20 Le stuc de contact est un sable fin de zircon d'un indice de finesse de 110 AFS. La barbotine de renfort comprend une farine de silice éléctrofondue d'une granulométrie inférieure à 0,08 mm (200 mesh), comme la farine "Ranco Sil #4", dans un liant à base de silice colloïdale, comme le liant 25 "Bindzil" de la société Ransom & Randolph. La teneur en silice dans le liant est ajustée à environ 64 % en masse. Le stuc de renfort est un silicate d'alumine à 47 % comme le silicate d'alumine "Alumasil #47" de la société "Ransom & Randolph" avec une granulométrie entre 0,6 et 1,25 mm (16-30 mesh). 30 En outre, un stuc dit intermédiaire est utilisé pour la deuxième couche de contact (i.e. la couche n°2). Ce stuc intermédiaire est un silicate d'alumine à 47 % comme le silicate d'alumine "Alumasil #47" de la société "Ransom & Randolph" avec une granulométrie entre 0,2 et 0,6 mm (30-80 mesh). Dans ce premier exemple, noté exemple 1, comme dans l'ensemble des s exemples décrits ci-après (i.e. exemples 2 à 4 et exemples comparatifs A et B) le modèle destructible est un barreau en cire ayant une forme de parallélépipède rectangle de dimensions 6 mm x 25 mm x 170 mm. Dans l'exemple 1, le barreau est d'abord plongé dans la barbotine de contact, égoutté et recouvert de stuc de contact. Les bords de l'épaisseur du io barreau sont raclés. Le barreau revêtu de la première couche réfractaire est ensuite mis à sécher à une température comprise entre 20 et 23 °C pendant deux heures. Une fois séché, le barreau est replongé dans la barbotine de contact, égoutté et recouvert de stuc intermédiaire. Les bords de l'épaisseur du 15 barreau sont de nouveau raclés, puis le barreau est remis à sécher pendant deux heures dans les mêmes conditions que précédemment. Une fois séché, le barreau est plongé dans la barbotine de renfort, égoutté et recouvert de fibres de lin coupées à 6 mm de longueur. Les fibres de lin sont déposées par tombée en pluie sur le barreau, de manière à 20 obtenir un recouvrement homogène. Ces fibres adhérent à la couche de barbotine humide. Le barreau est ensuite immédiatement recouvert de stuc de renfort. Les bords de l'épaisseur du barreau sont raclés puis le barreau est remis à sécher pendant deux heures dans les mêmes conditions que précédemment. 25 Cette opération est réitérée jusqu'à obtention d'une carapace d'environ 7 mm d'épaisseur, formée de neuf couches réfractaires avec comme couches n°1 et n°2 les couches de contact sans fibres de lin et comme couches n°3 à 9 les couches de renfort avec fibres de lin. L'opération de retrait du modèle est ensuite effectuée, ce qui permet 30 de récupérer la carapace. Les bords de l'épaisseur du barreau ayant été raclés après le dépôt de chaque couche réfractaire, la carapace formée se présente en deux parties, ou demi-carapaces. Dans un deuxième exemple, noté exemple 2, le barreau est revêtu des deux premières couches de contact comme dans l'exemple 1, puis les s couches n°3 et 4 sont renforcées par des fibres de lin coupées à une longueur de 6 mm, comme dans l'exemple 1. En revanche, les couches suivantes de renfort ne comprennent pas de fibres de lin. Dans un troisième exemple, noté exemple 3, des fibres de lin coupées à une longueur de 6 mm sont pré-mélangées avec le stuc de renfort, à une io concentration comprise entre 0,40% à 1,500/0 en masse de fibres de lin dans le stuc de renfort. Le barreau est revêtu des deux premières couches de contact comme dans l'exemple 1 puis, pour les couches n°3 et 4, le mélange de stuc réfractaire et de fibres de lin est appliqué par tombée en pluie sur la couche 15 égouttée et encore humide de barbotine de renfort. Pour les couches de renfort suivantes le stuc de renfort est appliqué seul. Dans un quatrième exemple, noté exemple 4, des fibres de lin coupées à une longueur de 6 mm sont pré-mélangées avec la barbotine de renfort, la concentration des fibres de lin dans la barbotine étant comprise entre 0,5 et 20 1,5 % en masse. Le barreau est revêtu des deux premières couches de contact comme dans l'exemple 1 puis, pour les couches n°3 et 4, le barreau séché est plongé dans le pré-mélange comprenant la barbotine de renfort et les fibres de lin, égoutté et recouvert du stuc de renfort. Pour les couches de renfort 25 suivantes, on n'utilise plus le pré-mélange mais la barbotine de renfort seule. Les exemples précités illustrent différentes manière d'intégrer les fibres de renfort dans la carapace. Par ailleurs, deux exemples comparatifs, notés A et B ont été réalisés. Dans le premier exemple comparatif, noté exemple A, la carapace a été 30 réalisée comme dans l'exemple 1 mais sans utiliser de fibres de lins (ni d'autres fibres de renforcement).

Dans l'exemple A, le barreau est donc recouvert uniquement de barbotine de contact, de stuc de contact, de stuc intermédiaire, de barbotine de renfort et de stuc de renfort. Dans le deuxième exemple comparatif, noté exemple B, la carapace a été réalisée comme dans l'exemple 4 mais en utilisant de fibres de verre à la place des fibres de lins. Dans l'exemple B, les couches réfractaires n°3 et 4 comprennent donc des fibres de verre. Il a été constaté que les demi-carapaces fabriquées selon l'exemple 4 lo présentaient, à vert, une meilleure résistance mécanique que les demi- carapaces fabriquées selon les exemples 1 à 3. Seules les demi-carapaces de l'exemple 4 ont donc été retenues pour la suite des tests. La résistance mécanique des demi-carapaces fabriquées selon les exemples 4, A et B a été testée selon un test de mesure du module de 15 rupture à température ambiante. Ces tests ont été réalisés sur les carapaces à vert et les carapaces frittées. Le frittage des carapaces a été réalisé selon le cycle de température suivant : - montée de la température ambiante jusqu'à 1000° C pendant 6 20 heures; - palier à 1000 °C pendant 2 heures; - retour à la température ambiante. Les résultats de ces tests figurent dans le tableau ci-dessous : Exemple n° Contrainte à la rupture comparative Carapace à vert Carapace frittée 4 148 101 A Base 100 Base 100 B 114 96 Les résultats de ces tests montrent que l'ajout de fibres de lin dans une carapace a apporté un gain très net en résistance mécanique à vert, 25 comparé à une carapace dénuée de fibres. Ce gain est supérieur à celui obtenu avec un ajout de fibres de verre. En outre, les résistances mécaniques après frittage restent du même ordre de grandeur dans les trois cas de figure même si les fibres de lin, qui sont des fibres organiques, s disparaissent lors de cette étape. Dans le présent exposé, plusieurs modes ou exemples de réalisation de la carapace et du procédé proposés sont décrits. Ces modes ou exemples de réalisation sont donnés à titre illustratif et non limitatif, une personne du métier pouvant facilement, au vu du présent exposé, modifier ces modes ou io exemples de réalisation, ou en envisager d'autres, en restant dans la portée de l'invention. De plus, les différentes caractéristiques des modes ou exemples de réalisation décrits plus haut peuvent être utilisées seules ou être combinées entre elles. Lorsqu'elles sont combinées, ces caractéristiques peuvent l'être 15 comme décrit ci-dessus ou différemment, l'invention ne se limitant pas aux combinaisons spécifiques décrites dans le présent exposé. En particulier, sauf précision contraire, une caractéristique décrite en relation avec un mode ou exemple de réalisation peut être appliquée de manière analogue à un autre mode ou exemple de réalisation.

Claims (12)

1. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'une carapace de moulage à modèle perdu, dans lequel : s on fournit un modèle destructible, et on applique successivement sur le modèle plusieurs couches réfractaires pour former une carapace autour du modèle, ce procédé étant caractérisé en ce qu'au moins une des couches réfractaires comprend des fibres de lin discontinues. 10
2. 2. Procédé de fabrication selon la revendication 1, dans lequel on chauffe la carapace de manière à éliminer par combustion les fibres de lin.
3. 3. Procédé de fabrication selon la revendication 1 ou 2, dans 15 lequel la longueur des fibres de lin est comprise entre environ 3 mm et environ 6 mm.
4. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel chaque couche réfractaire est formée en appliquant d'abord une 20 barbotine sur le modèle, puis en appliquant des particules réfractaires sur la barbotine encore humide.
5. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel les fibres de lin sont mélangées à la barbotine avant d'appliquer la 25 barbotine sur le modèle.
6. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel les fibres de lin sont appliquées sur la barbotine encore humide après avoir appliqué la barbotine sur le modèle. 30
7. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel on applique successivement sur le modèle N couches réfractaires, numérotées de 1 à N par ordre croissant à mesure que l'on s'éloigne du modèle, et dans lequel les fibres de lin sont comprises dans au moins une couche parmi les couches n°2 à N-1.
8. 8. Procédé de fabrication d'une pièce par fonderie, dans lequel on fabrique une carapace selon le procédé de l'une quelconque des revendications précédentes, on coule un matériau métallique fondu dans la carapace et, après solidification du matériau coulé, on décoche la pièce.
9. 9. Carapace de moulage à modèle perdu, à vert, comprenant plusieurs couches réfractaires, au moins une des couches réfractaires comprenant des fibres de lin discontinues.
10. 10. Carapace de moulage à modèle perdu, frittée, comprenant plusieurs couches réfractaires, au moins une des couches réfractaires comprenant un réseau de porosités, ces porosités étant le modèle négatif de fibres discontinues.
11. 11. Carapace selon la revendication 9 ou 10, dans laquelle la longueur des fibres ou des porosités est comprise entre 3 et 6 mm environ.
12. 12. Carapace selon la revendication 9 ou 10, comprenant N 25 couches réfractaires, numérotées de 1 à N par ordre croissant de l'intérieur vers l'extérieur de la carapace, dans laquelle les fibres ou les porosités sont comprises dans au moins une couche parmi les couches n°2 à N-1. 20