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PROCEDE DE MOULAGE A MOUSSE PERDUE
ET SOUS PRESSION DE PIECES M~TAr.T.IQUES
La présente invention est relative à un procédé de moulage à mousse
perdue et sous pression de pièces métalliques notamment en aluminium
et en ses alliages.
I1 est connu de l'homme de l'art, par exemple par l'enseignement de
l'USP N 3 157 924, d'utiliser pour le moulage des métaux des modèles
en mousse de matière organique telle que le polystyrène que l'on plonge
dans un moule constitué par du sable sec ne contenant aucun agent
de liaison. Industriellement, ces modèles sont généralement revêtus
d'un film de matériau réfractaire destiné à améliorer la qualité des
pièces moulées. Dans un tel procédé, le métal à mouler, qui a été
préalablement fondu, est amené au contact du modèle par l'intermé-
diaire d'un orifice d'alimentation et de canaux traversant le sable,
et se substitue progressivement audit modèle en le brûlant et en le
transformant principalement en vapeurs qui s'échappent entre les grains
de sable.
Par rapport au moulage classique en moule non permanent, cette technique
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 et permet une récupération
facile des pièces moulées ainsi qu'un recyclage aisé des matériaux
de moulage.
Elle est donc plus simple et plus économique que la technique classique.
Par ailleurs, elle offre aux concepteurs de pièces moulées une plus
grande liberté en ce qui concerne la forme desdites pièces. C'est
pourquoi cette technique s'avère de plus en plus séduisante du point
de vue industriel.
Cependant, elle est handicapée par plusieurs inconvénients dont deux
d'entre eux résultent de mécanismes métallurgiques classiques, à savoir:
- la relative lenteur de la solidification qui favorise la formation
de piqûres de gazage provenant de l'hydrogène dissous dans l'alliage
d'aluminium liquide.
- la relative faiblesse des gradients thermiques qui favorise la forma-
tion de microretassures.
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C'est dans le but d'éviter de tels inconvénients que la demanderesse
a proposé dans la demande de brevet français publiée sous le
n 2 606 688 une invention consistant à appl;quer sur le moule après
remplissage et avant que la fraction solidifiée du métal ne dépasse
40% en poids une pression gazeuse isostatique de valeur maximale comprise
entre 0,5 et l,5 MPa.
Ainsi le procédé selon ladite invention comprenait les étapes classiques
du moulage à mousse perdue, à savoir:
- mettre en oeuvre un modèle de la pièce à mouler formé d'une mousse
en matière organique revêtue d'un film de matériau réfractaire;
- immerger ledit modèle dans un moule formé de sable sec sans liant;
- remplir le moule- avec le métal à l'état fondu pour brûler ledit
modèle, ce remplissage s'effectuant par l'intermédiaire d'un orifice
d'alimentation mettant en relation le modèle avec l'extérieur du
moule.
- évacuer les vapeurs et résidus liquides émis par ledit modèle pendant
sa combustion;
- permettre au métal fondu de se solifier pour obtenir la pièce.
Mais la demanderesse l'avait amélioré en ce sens que lorsque le moule
avait été rempli complètement, c'est-à-dire quand le métal s'était
substitué entièrement au modèle et que la majeure partie des vapeurs
avait été évacuée, elle appliquait une pression gazeuse sur le moule;
cette opération pouvant être réalisée en plaçant le moule dans une
enceinte apte à tenir à la pression et reliée à une source de gaz
sous pression.
Cette opération pouvait être faite immédiatement après le remplissage
alors que le métal était encore entièrement liquide, mais elle pouvait
encore avoir lieu plus tard pour autant que la fraction solidifiée
de métal dans le moule ne dépassat pas 40%, valeur au-delà de laquelle
la pression aurait eu un effet négligeable.
De préférence, la valeur de la pression appliquée était au maximum
comprise entre 0,5 et l,S MPa: une valeur inférieure à 0,5 MPa étant
d'un effet insuffisant et une valeur supérieure à l,5 MPa entraînant
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des coûts d'exploitation élevés.
On constatait alors qu'on augmentait considérablement la compacité
des pièces en éliminant ou tout au moins en réduisant les piqûres
de gazage et les microretassures et améliorait ainsi leurs caractéristi-
ques mécaniques. ~outefois, cela provoquait l'apparition d'un nouvelinconvénient appelé "l'abreuvage".
En effet, quand on établit une pression sur un moule de moulage à
mousse perdue sans plus de précautions, ladite pression s'exerce d'une
part directement sur l'orifice d~alimentation en métal où elle est
transmise pratiquement instantanément à toute la masse de métal liquide,
d'autre part à la surface du sable où elle est transmise avec une
intensité progressivement atténuée par l'effet de perte de charge
à travers les grains de sable. Il s'établit donc un déséquilibre de
pression entraînant une surpression ~ P du métal par rapport au sable
au niveau de leur interface c~est-à-dire à l'endroit où le modèle
était en contact avec- le sable. Ce déséquilibre est temporaire et
se produit peu après l'application de la pression pour se résorber
ensuite.
Si cette surpression est trop grande, elle provoque une pénétration
du métal entre les grains de sable et entraîne une déformation de
la surface de la pièce. C'est en cela que consiste le phénomène dit
d "abreuvage". Pour y parer, il fallait donc chercher à diminuer le
plus possible cette surpression et la demanderesse y était parvenue
dans la demande principale en procédant à l'application d'une pression
qui croît progressivement dans le temps de la valeur O jusqu'à la
valeur maximum souhaitée après quoi on maintenait cette pression jusqu'à
solidification complète du métal. En effet, plus la pression est faible
au début de son application, plus le déséquilibre est faible. On est
ainsi amené à définir une vitesse d~accroissement de la pression suffisam-
ment faible pour avoir une surpression réduite.
Mais outre ce phénomène d~abreuvage et les inconvénients résultant
des mécanismes métallurgiques classiques évoqués ci-dessus auxquels
une solution avait été apportée, la demanderesse s'est aperçue de
deux autres inconvénients résultant ceux-là de mécanismes absolument
spécifiques au procédé à mousse perdue et qui sont:
- la formation de soufflures due à des résidus gazéfiés de la mousse
- la formation d'inclusions de carbone associées à des oxydes et consé-
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~ .
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cutive au contact de l'alliage d'aluminium liquide avec des résidus
carbonés de la mousse.
D'où des recherches complémentaires qui ont abouti aux conclusions
suivantes.
Comme on l'a vu plus haut, la pratique industrielle du moulage à modèle
perdu consiste à revêtir les modèles d'un film de matériau réfractaire
généralement formé de particules de céramique agglomérées par un liant.
Ce film agit comme suit: au moment de la coulée du métal liquide,
la mousse fabriquée le plus souvent à partir de polystyrène est éliminée
à la fois sous la forme gazeuse et liquide. La couche réfractaire
est chargée de réguler l'élimination de la forme gazeuse par sa perméa-
bilité et d'absorber la forme liquide. D'une façon générale, la perméa-
bilité doit être adaptée à la pièce afin d'assurer le maintien d'un
matelas de gaz entre métal liquide et mousse et le pouvoir absorbant
lS doit être maximum pour éliminer les résidus liquides.
Ainsi à la fin du remplissage du moule, la couche réfractaire se trouve
saturée en résidus, l'excès par rapport à la saturation s'étant échappé
dans le sable. On a donc dans le moule le métal ayant une température
de 600 à 800C en contact avec cette couche saturée en matière organique
d'où peut résulter une gazéification du liquide qui génère alors une
pression telle que du gaz pénètre dans le métal et y forme des soufflures
tout en provoquant l'apparition d'inclusions de carbone provenant
d'une combustion incomplète des résidus de mousse.
Pour éviter cet inconvénient, il faut donc créer une surpression suffi-
sante dans le métal liquide par rapport à l'espace situé dans le sable
derrière le film afin de provoquer l'évacuation des résidus gazeux
et liquides vers le sable et d~empêcher ainsi leur entrée dans le
métal.
Mais, cela va à l'encontre de la solution adoptée pour éviter l'abreuvage
qui consistait à réduire le plus possible la vitesse d'accroissement
de la pression pour diminuer le plus possible cette surpression.
La demanderesse a ainsi trouvé qu'il était impératif pour éviter l'abreu-
vage et la pénétration des résidus dans le métal de se situer dans
une fourchette de surpression d'où le perfectionnement selon l'invention
qui consiste à utiliser une vitesse d~accroissement de la pression.
telle qu'en fonction de la granulométrie du sable et de la profondeur
d'immersion du modèle elle génère rapidement et temporairement par
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perte de charge à travers le sable une surpression du métal fondu
par rapport au sable au niveau de leur interface, cette surpression
atteignant une valeur comprise entre deux limites et décroissant ensuite
à mesure que ladite pression augmente puis à maintenir ladite pression
constante jusqu'à solidification complète.
De préférence, la valeur de cette vitesse se situe entre 0,003 et 0,3
MPa par seconde et est d~autant plus petite que ~'épaisseur de la
pièce est grande, des valeurs de vitesse extérieures à cette fourchette
faisant prédominer l'un ou l'autre des deux inconvénients.
Cette vitesse doit évidemment tenir compte de la perte de charge à
travers le moule c'est-à-dire de la granulométrie du sable et aussi
de la profondeur d'immersion du modèle dans le sable.
C'est pourquoi, on la choisit en fonction de ces paramètres et demanière à obtenir des valeurs de surpression comprises entre 0,001
et 0,030 MPa et de préférence entre 0,002 et 0,010 MPa.
Cette surpression est nécessaire seulement pendant une période critique
qui suit immédiatement le remplissage de pièce et où le film est encore
saturé de produits non totalement vaporisés. De préférence, cette
surpression est atteinte en moins de 2 secondes après application
de la pression, moment où le phénomène d~abreuvage est le plus important.
L'invention peut etre illustrée à l'aide des exemples d'application
suivants qui portent sur le moulage de collecteur et de culasse de
moteur à combustion interne dans des conditions qui tiennent compte
de la granulométrie du sable et de la profondeur d~immersion du modèle
afin de se situer dans les fourchettes de surpression revendiquées.
Ces conditions et les paramètres des moules utilisés figurent dans
le tableau 1 suivant:
~` -
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TABLEAU 1
N 1 2 3
Application Dès la fin Dès la fin Quand le taux
de la pression du remplissage du remplissage de solidification
atteint 35
Type de la pièce Collecteur Culasse Culasse
Granulométrie48 48 100
du sable en AFS
*
Durée de soli-60 240 240
dification en sec
Epaisseur de la 4 8 8
pièce en mm
Durée de la mon- 12 46 80
tée en pression
entre 0 et 0,8
MPa en sec
Vitesse d'accrois- 0,066 0,017 0,01
sement de la pres-
sion en MPa/sec
P maximale en 0,0097 0,0046 0,0030
MPa
Profondeur 250 450 450
d'immersion du
modèle en mm
Temps pour0,9 0,6 0,4
atteindre la
surpression maxi-
male en sec
* AFS norme de granulométrie américaine internationnalement reconnue
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Les pièces ainsi moulées présentaient très peu de soufflures et aucune
incrustation de carbone, ce qui montre l~efficacité du perfectionnement
selon l'invention.
