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Patent 1326586 Summary

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Claims and Abstract availability

Any discrepancies in the text and image of the Claims and Abstract are due to differing posting times. Text of the Claims and Abstract are posted:

  • At the time the application is open to public inspection;
  • At the time of issue of the patent (grant).
(12) Patent: (11) CA 1326586
(21) Application Number: 569266
(54) English Title: PROCESS AND MEANS FOR SAND CASTING OF LIGHT ALLOY MATRIX AND FIBROUS INSERT COMPOSITE ELEMENTS
(54) French Title: PROCEDE ET DISPOSITIF DE MOULAGE EN SABLE DE PIECES COMPOSITES A MATRICE EN ALLIAGE LEGER ET INSERT FIBREUX
Status: Deemed expired
Bibliographic Data
(52) Canadian Patent Classification (CPC):
  • 22/59
(51) International Patent Classification (IPC):
  • B22D 19/14 (2006.01)
  • B22D 18/08 (2006.01)
(72) Inventors :
  • CHARBONNIER, JEAN (France)
  • GOLIARD, FRANCOIS (France)
(73) Owners :
  • CEGEDUR SOCIETE DE TRANSFORMATION DE L'ALUMINIUM PECHINEY (France)
(71) Applicants :
(74) Agent: ROBIC
(74) Associate agent:
(45) Issued: 1994-02-01
(22) Filed Date: 1988-06-10
Availability of licence: N/A
(25) Language of filing: French

Patent Cooperation Treaty (PCT): No

(30) Application Priority Data:
Application No. Country/Territory Date
87 08 749 France 1987-06-11

Abstracts

French Abstract




ABSTRACT OF THE DISCLOSURE:

Un procédé et un dispositif du moulage en sable de
pièces composites à matrice en alliage léger et insert
fibreux. Le procédé consiste dans un moule en sable
renfermant une préforme fibreuse, isolée des parois de
l'empreinte du moule et alimenté au moyen d'un tube
plongeant dans un bain métallique liquide contenu dans un
four, à créer une dépression dans le moule et au-dessus du
bain puis à augmenter la pression au-dessus du bain de
manière à obtenir une différence de pression .DELTA. P positive
par rapport au moule et à aspirer ainsi le métal dans le
moule, ensuite à augmenter simultanément la pression au-
dessus de la pression atmosphérique dans le moule et au-
dessus du bain tout en maintenant la même différence .DELTA. P
jusqu'à solidification de la pièce. Le dispositif comprend
un moule en sable renfermant une préforme fibreuse placée de
manière à avoir toutes ses faces à l'écart du moule, ledit
moule étant enfermé dans une chambre étanche et relié à un
four d'alimentation par un tube plongeant dans le bain
métallique. L'ensemble est placé dans une enceinte étanche,
la chambre et l'enceinte étant chacune en relation avec un
réseau de canalisations permettant de les mettre en
communication avec des moyens de mise sous pression ou sous
dépression. L'invention trouve son application dans le
moulage en sable de pièces composites ayant une bonne
cohésion entre la matrice et l'insert.

Claims

Note: Claims are shown in the official language in which they were submitted.


Les réalisations de l'invention, au sujet
desquelles un droit exclusif de propriété ou de privilège
est revendiqué, sont définies comme il suit:

1. Procédé de moulage en sable de pièces
composites à matrice en alliage léger et insert fibreux dans
un moule renfermant une préforme isolée des parois de
l'empreinte dudit moule et alimenté au moyen d'un tube
plongeant dans un bain métallique liquide contenu dans un
four, procédé dans lequel:
- on crée une dépression dans le moule et au-
dessus du bain,
- puis on augmente la pression au-dessus du bain
de manière à obtenir une différence de pression .DELTA. P positive
par rapport au moule et à refouler ainsi le métal dans le
moule,
- ensuite on augmente simultanément la pression
au-dessus de la pression atmosphérique à la fois dans le
moule et au-dessus du bain tout en maintenant la même
différence .DELTA. P jusqu'à solidification de la pièce.

2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel
lorsqu'on crée la dépression, la pression résiduelle dans le
moule ou au-dessus du bain est au plus égale à 3 x 103 Pa.

3. Procédé selon la revendication 1 t dans lequel
la valeur de .DELTA. P est comprise entre 5 x 103 Pa et 1,5 x
105 Pa.

4. Procédé selon la revendication 1, dans lequel
on augmente la pression jusqu'à une valeur comprise entre 3
et 20 fois la pression atmosphérique.

5. Dispositif de moulage en sable de pièces




composites à matrice en alliage léger et insert fibreux,
comprenant:
- un moule en sable renfermant dans son empreinte
une préforme fibreuse dont toutes les faces sont situées à
l'écart des parois de l'empreinte, ledit moule étant placé
dans une chambre étanche reliée à une canalisation en
communication avec des moyens de mise sous pression ou sous
dépression,
- un four chauffé électriquement, placé au-dessous
du moule et contenant un bain du métal à mouler,
- une tuyauterie solidaire du moule, communiquant
avec l'empreinte par une de ses extrémités et plongeant dans
le bain par l'autre extrémité, cet ensemble étant contenu
dans une enceinte étanche munie d'une canalisation en
communication avec des moyens de mise sous pression ou sous
dépression, les deux canalisations étant reliées entre elles
par l'intermédiaire d'un manomètre différentiel.

6. Dispositif selon la revendication 5, dans
lequel l'empreinte est munie de logements équipés sur leurs
faces de tôles métalliques juxtaposées entre elles,
s'allongeant suivant à l'intérieur de l'empreinte et au
contact desquelles sont placées les extrémités de la
préforme.


Description

Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.


`~` ~ 1 326586
.
.. 1 -
PROCEDE ET DISPOSITIF DE ~OULAGE EN SABLE DE PIECES CO~POSITES
~ A MATRICE E~ ALLIAGE LEGER ET INSERT FIBR~U~

-;l L'invention est relative à un procédé et à un dispositif de moulage en
sable de pièces composites à matrice en alliage léger et insert fibreux.
,; ,, '.
1 L'utilisation d'alliages à base de métaux légers tels que l'aluminium
1 5 ou le magnésium, par exemple, pour la réalisation de pièces destinées ~ i
à équiper des moyens de transport terrestres ou aériens est de plus en
plus répandue parce qu'elle permet notamment de réduire la consommation
~l d'énergie nécessaire à leur propulsion.
;~ Cependant, ces alliages présentent certains défauts tels que :
! 10 - une mauvaise tenue à température élevée,
- une résistance faible à la fatigue,
- une médiocre résistance à l'usure par frottement,
- un petit module d'élasticité.
;1 ~
~;, 15 C'est pourquoi l'homme de l'art a cherché à améliorer fortement les
i prcpriétés de ces pièces en renforçant ces alliages au moyen de fibres
ou de particules céramiques de manière à former des pièces composites
à matrice métallique.
Ces pièces peuvent être obtenue à partir de plusieurs procédés dont trois
d'entre eux passent par la voie du moulage en phase liquide. Ce sont:
- le moulage-forgeage ou squeeze casting,
- le compocasting,
- l'infiltration sous pression gazeuse.

Le premier de ces procédés permet de réaliser des pièces fortement
renforcées et d'atteindre des caractéristiques élevées mais la forme
et la taille des pièces sont limitées.
l Le deuxième est destiné à la fabrication de composites à renfort de
li particules ou de fibres courtes dispersées dans toute la masse de la
pièce.
Le troisième est le seul qui permette de faire des pièces de forme
compliquée, de grandes dimensions, renforcées localement mais les pressions
; applicables sont limitées.


~ .

; 1 326586


La demanderesse s'est intéressée plus particulièrement à la fabrication
de pièces composites renforcées par des fibres longues dans un moule
traditionnel en sable et en appliquant le principe de l'infiltration
gazeuse.
Elle s'est heurtée à deux types de problèmes : .
, - le premier est d'éviter le déplacement de l'insert à l'intérieur du
! moule sous l'effet de la poussée exercée par le métal liquide lors de
;, la coulée. Ceci peut atre obtenu en réalisant une préforme rigide qui
. - est fixée en certains points de la paroi de l'empreinte du moule comme
les noyaux classiques destinés à réaliser les creux à l'intérieur des
~ pièces;
1 - le second problème est celui de la pression à exercer sur le métal
liquide pour le forcer à pénétrer dans les mèches des fibres, cette
~ pression devant être d'autant plus grande que le diamètre des fibres ;
-, est petit, que le taux de renforcement est élevé et que la tension
interfaciale métal-fibres est forte. La solution envisagée consiste alors
! à couler les pièces sous basse pression en augmentant la pression
d'injection.
;. Mais ces solutions présentent néanmoins deux inconvenients graves:
! - d'une part, l'imprégnation des fibres ne peut pas être totale car le
j métal commence par enrober complètement la préforme avant de pénetrer -;~ en son sein et de ce fait de l'air est emprisonné à l'intérieur de la :~
préforme de sorte que l'infiltration du métal cesse quand la pression
de cet-air est égale à celle qui est exercée sur le métal liquide;
- d'autre part, la pression exercée ne peut être trop élevée car le moule
¦ et les noyaux réalisés en sable étant poreux, risquent d'être imprégnés
par le métal, même en présence de certains revêtements, ce qui conduit
à un mauvais état de surface des pièces ainsi obtenues. ` :~

~our surmonter ces difficultés, la demanderesse a été amenée à inventer
un procédé et un dispositif permettant d'appliquer une forte pression
sur la préforme tout en limitant la pression exercée par le métal sur
le moule.

Ce procédé dans lequel on utilise un moule en sable renfermant une préforme
fibreuse isolée des parois de l'empreinte du moule et alimenté au moyen
d'un tube plongeant dans un bain métallique liquide contenu dans un four

.

1 3~6586

est caractérisé en ce que l'on crée une dépression dans le moule et au-
dessus du bain, puis on augmente la pression au-dessus du bain de manlère
` à obtenir une différence de pression ~ P positive par rapport au moule
et à refouler ainsi le métal dans le moule, ensuite on augmente
simultanément la pression au-dessus de la pression atmosphérique à la
fois dans le moule et au-dessus du bain tout en maintenant la même
différence ~ P jusqu'à la solidification de la pièce.

, L'invention consiste donc d'abord à amener la pression qui règne dans
; 10 le moule et au-dessus du bain à une valeur inférieure à la pression
~ atmosphérique. En raison de la perméabilité du sable, il suffit de mettre
,~ l'extérieur du moule sous dépression pour obtenir ce résultat à l'intérieur
de l'empreinte et par suite au sein de la préforme naturellement perméable
' aux gaz. De préférence, on cherche à atteindre une pression résiduelle
`~ 15 au plus égale à 3x103 Pa.

`j Puis, cette pression résiduelle est augmentée au-dessus du bain en faisant
une entrée d'air par exemple dans le four de sorte que sous la différence
de la pression ~P positive ainsi créée au-dessus du bain par rapport
au moule, le métal monte dans le tube et pénètre dans l'empreinte du
moule. La préforme n'ayant aucun contact avec les parois de l'empreinte
se trouve ainsi complètement entourée par le métal liquide qui vient
faire écran à tout passage de gaz.
De préférence, la valeur de ~ P est comprise entre 5x103 Pa et 1,5x105
Pa. Ensuite, la pression est augmentée simultanément au-dessus du bain
et autour du moule tout en maintenant la différence /~ P. De préférence,
cette augmentation se fait jusqu1à une valeur comprise entre 3 et 20
fois la pression atmosphérique. Dans ces conditions, le gaz pénètre à
travers les parois perméables du moule et la pression d'infiltration
exercée par le métal sur le moule conserve sa valeur ~ P. Par contre,
du ait que l'intérieur de la préforme est toujours sous dépression et
n'a pas de communication avec l'extérieur, la pression d'infiltration
de cette dernière a une valeur P beaucoup plus grande que ~ P. On obtient
ainsi les résultats recherchés à savoir:
- une pénétration à coeur de la préforme par le métal d'où une meilleure
cohésion entre l'insert et la matrice;

~,

~ ~ .

~--,
` 1 326586
-~ 4
; ' ".
- une faible pression d'infiltration du moule ce qui permet d'éviter
l'abreuvage du moule et des noyaux et d'obtenir un meilleur état de surface
des pièces;
- une solidification de ~a pièce SOU9 pression isostatique d'où une
homogénéité de structure plus grande.

., .
L'invention concerne également un dispositif pour la mise ell oeuvre du
procédé décrit ci-dessus.
Ce dispositif est caractérisé en ce qu'il comprend :
- un moule en sable renfermant dans son enpreinte une préforme fibreuse
dont toutes les faces sont situées à l'écart des parois de l'empreinte,
ledit moule étant placé dans une chambre étanche reliée à une canalisation
en communication avec des moyens de mise sous pression ou sous dépression,
- un four chauffé électriquement, placé au-dessous du moule et contenant
un bain du métaL à mouler;
- une tuyauterie solidaire du moule et communiquant avec l'empreinte
i,
~ par une de ses extrémités et plongeant dans le bain par l'a~tre extrémité,
.
i~ cet ensemble étant contenu dans une enceinte étanche munie d'une ~ -~
ù 20 canalisation en communication avec des moyens de mise sous pression ou ~ -
sous dépression, les deux canalisations étant reliées entre elles par
~¦ l'intermédiaire d'un manomètre différentiel. ~.

~insi, le dispositif comprend un moule en sable réalisé à partir des
matériaux usuels tels que la silice, l'alumine, le zircon, l'olivine
etc. à l'état divisé et liés entre eux au moyen soit d'une résine
organique, soit d'un liant minéral du type silicate de soude, silice
colloldale, silicate d'éthyle ou phosphate par exemple.

Dans l'empreinte de ce moule est placée une masse de fibres céramiques
longues de préférence et du ~ype graphite, carbure de silicium, alumine,
etc..., à laquelle on a donné une forme convenzble au renforcement de
.i la pièce. Cette préforme est disposée à l~intérieur de l'empreinte et
maintenue à l'écart des parois du moule par tout moyen convenable. De
cette façon, il est possible de faire un enrobage complet de ses parois
par le métal lors de la coulée de la pièca et d'assurer son étanchéité
j, vis à vis du moule, condition indispensable pour réaliser le procédé
;~' décrit ci-dessus.
.j ,
~,

1 326586
' 5

Ce moule est enfermé dans une chambre étanche munie d'une canalisation
' en communication par exemple avec une pompe à vide ou un compresseur.
~I De cette chambre débouche également une tuyauterie solidaire du moule
`' qui relie l'empreinte au bain de métal à mouler et permet l'alimentation
de l'empreinte.
i' Le moule peut être équipé de moyens de chauffage destinés à réaliser
un préchauffage avant l'introduction du métal; cela permet de ralentir
la solidification de la pièce et ainsi de faciliter l'imprégnation de
la préforme et l'obtention de parois minces.
Le dispositif selon l'invention comprend également un four chauffé
i; électriquement contenant le métal à mouler et placé au dessous du moule.
- Ce four peut être placé également dans une chambre analogue à celle dumoule. Toutefois, il est également possible de l'enfermer tel quel dans
15 une enceinte étanche avec le moule entouré de sa chambre. ' '
- De cette enceinte débouchent deux canalisations qui sont mises en
communication avec des moyens de mise sous pression ou sous dépression
par l'intermédiaire de vannes de réglage : la première canalisation est
celle de la chambre du moule, la seconde est en relation avec l'atmosphère
20 du four.
;'~ Ces deux canalisations sont reliées entre elles par l'intermédiaire d'un'
I manomètre différentiel.
;~ .
En fonctionnement, ayant mis en place la préforme dans l'empreinte, fermé
25 le moule et chauffé et rempli le four de métal, on ferme l'enceinte au
¦ moyen d'un couvercle puis met les deux canalisations en communication
9 avec des moyens de mise sous dépression. Le manomètre reste au 0. La
canalisation de l'enceinte est alors isolée des moyens de mise sous
dépression et ouverte vers l'atmosphère pendant le temps nécessaire pour
30 que le manomètre indique une pression égale à ~ P. Durant ce temps,
le métal est refoulé du four vers le moule. La mise à l'atmosphère étant
fermée et la canalisation de la chambre étant isolée des moyens de mise
sous dépression, les deux canalisations sont mises en communication avec
les moyens de mise sous pression et à l'aide des vannes de réglage, on
35 maintient le manomètre à la valeur ~ P.

Après solidification de la pièce dans le moule, les deux canalisations
sont isoiées des moyens de mise sous pression et mises à l'atmosphère.




"

: r~
1 326586
-
L'enceinte et le moule sont alors ouverts successivement et on extrait
~j la pièce.

' Un moyen particulier pour réaliser l~étanchéité entre la préforme et
3 5 le moule par l'intermédiaire du métal conslste à munir l'empreinte de
logements équipés sur leurs faces de tôles métalliques juxtaposées entre
elles et qui s'allongent à l'intérieur de l'empreinte. Les extrémites
de la préforme sont alors placées au contact de ces tôles. Ainsi, au
moment où le métal remplit le moule, il vient sceller les tôles entre
elles et les logements deviennent étanches aux gaz; la préforme n'a ainsi
l aucun contact avec les parois du moule par l'intermédiaire desquelles`, pourraient pénétrer les gaz lors de la mise sous pression.

, ... .
L'invention peut être illustrée à l'aide des dessins ci-joints qui -
15 représentent:
. figure 1, les courbes d'évolution des pressions en fonction du temps
au cours d'une opération de moulage
. figure 2, une coupe verticale d'un dispositif de moulage
,.3
20 Plus précisément ~
, . La figure 1 montre en traits pleins la courbe A de la pression absolue
, en Pa appliquée à l'empreinte et en tirets la courbe B de la pression
absolue en Pa appliquée au-dessus du bain au cours des quatre phases
,~ du procédé : I mise sous dépression du four et du moule - II aspiration
;~ 25 du métal dans le moule - III infiltration de l'insert par le métal IV
solidification de la pièce.
s Au cours de la dernière phase, la pression exercée sur la préforme, qui
est pratiquement équivalente au maximum de la courbe B, est beaucoup
~' plus élevée que celle exercée sur les parois du moule qui est égale à ;
/\ p
. La figure 2 représente l'encein~e 1 étanche dans laquelle est placée
le four 2 contenant le bain métallique 3 dans lequel plonge le tube 4
13 relié à l'empreinte 5 du moule 6 enfarmé dans la chambre étanche 7. Dela chambre 7 débouche la canalisation 8 et de l'enceinte 1 la canalisation
il 35 9 qui sont reliées entre elles par l'intermédiaire du manomètre
~ différentiel 10 et communiquent chacune séparément avec des moyens de
:l mise sous pression ou sous dépression 11 et 12 par l'intermédiaire de
~ vannes d'isolement 13 et 14 et de mise à l'atmosphère 15 et 16. ;
3 ;
,1 ;

` 1 3~6586

:: .
~, A l'intérieur de l~empreinte est disposée la préforme 17 fibreuse dont
:-, les extrémités sont placées dans des logements constitués par des tôles
, métalliques 18 qui s'allongent suivant 19 à l'intérieur de l'empreinte.

L'invention trouve son application dans l'obtention par moulage en sable
de plèces présentant une bonne cohésion entre l'insert et la matrice.

:'
'




'I .


1 ~ ~

Representative Drawing
A single figure which represents the drawing illustrating the invention.
Administrative Status

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Administrative Status

Title Date
Forecasted Issue Date 1994-02-01
(22) Filed 1988-06-10
(45) Issued 1994-02-01
Deemed Expired 2002-02-01

Abandonment History

There is no abandonment history.

Payment History

Fee Type Anniversary Year Due Date Amount Paid Paid Date
Application Fee $0.00 1988-06-10
Registration of a document - section 124 $0.00 1988-10-24
Maintenance Fee - Patent - Old Act 2 1996-02-01 $100.00 1996-01-22
Maintenance Fee - Patent - Old Act 3 1997-02-03 $100.00 1997-01-15
Maintenance Fee - Patent - Old Act 4 1998-02-02 $100.00 1998-01-26
Maintenance Fee - Patent - Old Act 5 1999-02-01 $150.00 1999-01-25
Maintenance Fee - Patent - Old Act 6 2000-02-01 $150.00 2000-01-31
Owners on Record

Note: Records showing the ownership history in alphabetical order.

Current Owners on Record
CEGEDUR SOCIETE DE TRANSFORMATION DE L'ALUMINIUM PECHINEY
Past Owners on Record
CHARBONNIER, JEAN
GOLIARD, FRANCOIS
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Document
Description 
Date
(yyyy-mm-dd) 
Number of pages   Size of Image (KB) 
Drawings 1994-09-03 2 85
Claims 1994-09-03 2 101
Abstract 1994-09-03 1 53
Cover Page 1994-09-03 1 53
Representative Drawing 2001-07-31 1 14
Description 1994-09-03 7 400
Examiner Requisition 1992-02-26 1 56
PCT Correspondence 1993-10-28 1 26
Prosecution Correspondence 1992-04-09 2 48
Fees 1996-01-22 1 49
Fees 1997-01-15 1 63