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PROCEDE DE MOULAGE A MOUSSE PERDUE ET SOUS BASSE PRESSION DE PIECES EN
ALLIAGE D'ALUMINIUM
L'invent;ion est relative à un procédé de moulage à mousse perdue et sous
basse pression de pièces métalliques en alliage d'aluminium et constitue
un perfectionnement du procédé tel que décrit dans le brevet français
No.2606688 déposé le 17 Novembre 1986.
Il 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'intermédiaire d'un orifice d'aliment;ation
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, d'où la désignation de procédé de
moulage à mousse perdue.
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 recyc~age 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 indust;riel.
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 format.ion dans
les pièces moulées obtenues de piqûres de gazage provenant de
l'hydrogène dissous dans l'alliage d'aluminium liquide
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- la relative faiblesse des gradient,s thermiques qui favorise la format,ion
de microretassures malgré la présence de masselottes.
C'est dans le but d'éviter de te]s inconvénients que la demanderesse a
proposé dans le brevet français No.2606688 une invention consistant à
appliquer 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 1,5 MPa.
Ainsi le procédé selon cette demande comprend 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 solidifier pour obtenir la pièce;
procédé que la demanderesse a amélioré en ce sens que lorsque le moule est
rempli complètement, c'est-à-dire quand le métal s'est substitué
entièrement au modèle et que la majeure partie des vapeurs a été évacuée,
elle applique une pression gazeuse sur le moule; cette opération pouvant
être réalisée en plasant le moule dans une enceinte apte à tenir à la
pression et reliée à une source de gaz sous pression.
Cette opération peut être faite immédiatement après le remplissa~e alors
que le métal est encore entièrement liquide, mais elle peut encore avoir
lieu plus tard pour autant que la fraction de dendrites solides formée au
cours de la solidification dans le moule ne dépasse pas 40%, valeur
au-delà de laquelle la pression n'a plus qu'un effet négligeable.
De préférence, la valeur de la pression appliquée dans cette demande est
au maximum comprise entre 0,5 et 1,5 MPa.
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Dans ces conditions, on constate que la santé des pièces obtenues est
améliorée et on explique ce phénomène par les mécanismes suivants :
- compaction des piqûres de gazage dont le volume est pratiquement réduit dans le rapport des pressions absolues régnant au cours de la
solidification. Ainsi, par exemple, quand on applique une pression
absolue de 1,1 MPa alors qu'antérieurement cette pression était celle de
l'atmosphère, à savoir 0,1 MPa, cette réduction a lieu dans un rapport
voisin de 11;
- meilleure alimentation du moule du fait que la pression, s'exerçant sur
les masselottes encore liquides, force ledit liquide à travers le réseau
de dendrites qui se forme au début de la solidification d'où une quasi
suppression des microretassures.
Cependant, il a été observé dans certains cas que l'application d'unepression relative supérieure à 0,5 MPa conduisait à l'apparition de
défauts particuliers appelés "retassure spongieuse" qu'on explique de la
manière suivante : si l'alliage moulé présente un intervalle de
solidification relativement grand, il se développe au sein de la pièce une
zone pâteuse; de plus, si la distance entre la masselotte et l'endroit où
se produit la retassure est grande par rapport à l'épaisseur de la pièce,
la zone pâteuse crée une perte de charge importante sur l'alimentation en
métal du moule de sorte que la masselotte même sous l'effet de la pression
extérieure n'arrive pas à jouer son rôle, c'est-à-dire à alimenter
suffisamment vite les retassures qui se forment.
Comme l'intervalle de solidification est relativement grand, la "peau" de
la pièce (partie située à l'interface métal-sable) est fragile beaucoup
plus longtemps et la pression extérieure exercée par l'application du gaz
sur le sable enfonce alors cette peau vers l'intérieur de la pièce en
laissant s'infiltrer une fraction de gaz entre les dendrites vers les
retassures et en créant ainsi une retassure dite "spongieuse" qui est
aussi nuisible que là retassure classique à l'obtention de bonnes
propriétés mécaniques.
Dès lors, quand on veut mouler des pièces en un alliage d'aluminiumprésentant un intervalle de solidification relativement grand, et quand la
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géométrie desdites pièces conduit à avoir une distance relativement; grande
entre la masselotte et la zone de retassure dite zone critique par rapport
à leur épaisseur, on est amené à cherché à éviter ces phénomènes en
supprimant l'application d'une pression par exemple.
Cependant, il serait dommage de se priver de-cette technique de moulage
sous pression qui par ailleurs conduit à une amélioration considérable de
la qualité des pièces moulées.
C'est pourquoi la demanderesse a essayé de résoudre ce problème et a
trouvé que l'application d'une pression relative inférieure à 0,5 MPa
permettait de supprimer la retassure spongieuse tout en conduisant à une
bonne compaction des piqûres.
L'invention consiste, comme dans le brevet français No.2606688, en un
procédé de moulage à mousse perdue de pièces métalliques notamment en
alliage d'aluminium dans lequel on plonge un modèle du produit à obtenir
fait d'une mousse en matière organique dans un moule constitué par un bain
de sable sec ne contenant aucun agent de liaison puis après avoir rempli
le moule avec le métal fondu et avant que la fraction solidifiée de métal
ne dépasse 40% en poids on applique une pression gazeuse isostatique sur
le moule, mais cette invention est caractérisée en ce qu'on l'utilise
essentiellement au moulage de pièces en alliage d'aluminium ayant un
intervalle de solidification supérieur à 30C et dont la géométrie est
telle que le rapport R de la longueur qui sépare la masselotte de la ou
des zone(s) critique(s) sur la moitié de l'épaisseur moyenne de la pièce
sur cette longueur est. supérieure à 10 et que la pression relative
appliquée est comprise entre 0,1 et 0,5 MPa.
Ainsi, l'invention consiste en une application du procédé de base à despièces en alliages d'aluminium ayant un intervalle de solidification
relativement grand et possédant une géométrie particulière telle que le
rapport R soit supérieur à 10 c'est-à-dire où la distance L entre la
région dans laquelle la solidification se produit au dernier moment et la
masselotte est relativement grande par rapport à l'épaisseur moyenne e de
la pièce sur cette distance.
Ce rapport est en fait celui de L sur le module M de la partie de la pièce
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située entre la masselotte et la zone critique, paramètre utilisé en
moulage et qui correspond en moyenne à la moitié de l'épaisseur soit e/2
d'où (L/M) = (L/(e/2)) = 2 L/e.
Ce rapport permet de fixer la valeur de la pression maximum qu'on peut
appliquer sans risque de retassure spongieuse : ainsi plus le rapport est
élevé, plus faible devra êt;re la valeur de la pression. On a trouvé que
pour une pression de 0,5 MPa, valeur minimum utilisée dans le brevet
français No.2606688, R était voisin de 10. Donc quand R est; plus élevé, il
faut utiliser une pression inférieure à 0,5 MPa et qui peut aller jusqu'à
0,1 MPa, valeur en-dessous de laquelle la pression n'a plus qu'un effet
négligeable et peut donc êt;re supprimée.
L'invention est applicable de préférence aux alliages à grand intervalle
de solidification tels que par exemple les Al-Cu, Al-Cu-Mg, Al-Zn-Mg,
Al-Si-Cu-Mg, ainsi qu'aux alliages Al-Si-Mg hypoeutectiques dont la teneur
en silicium est de préférence inférieure ou égale à 9% en poids.
L'invention peut être illustrée à l'aide des figures jointes qui
représentent :
- fig. 1, une micrographie d'une pièce en alliage AS5U3G (composition en
poids Silicium 5%, Cuivre 3%, Magnésium 1%, solde aluminium) dans
laquelle R est égal à 15 et où la pression appliquée au cours du moulage
a été de 1,1 MPa.
- fig. 2, une micrographie de la même pièce mais où la pression appliquée
a été seulement de 0,30 MPa.
On constate la présence sur la figure 1 de zones noires correspondant àl'infiltration des dendrites par le gaz et à la formation de retassure
spongieuse alors que sur la figure 2 ces zones sont prat;iquement
inexist;antes.
L'invention sera mieux comprise à l'aide des exemples d'application
suivants :
On a fabriqué des culasses de moteurs à combustion interne à partir d'un
même alliage d'aluminium (AS5U3G). Ces culasses possédaient deux types de
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géométrie représentées par les figures 3 et 4 et se composaient
respectivement d'une toile 1 ou 4~, d'un pontet 2 ou 5 correspondant à la
zone critique et; d'une masselott;e 3 ou 6.
Sur chacun de ces types, on a mesuré les dimensions de la zone critique :
l'épaisseur e' et la largeur l'; les dimensions de la toile : l'épaisseur
e, la largeur L et déterminé le rapport L/e et la valeur de R = L/M.
Les culasses de chaque type ont été partagées en 2 lots et chaque lot a
été soumis lors du moulage soit à une pression relative de 0,3 MPa, soit à
une pression relative de 1,1 MPa.
Après démoulage, on a vérifié la sant;é des culasses en ce qui concerne la
retassure spongieuse.
Les résultats figurent dans le tableau 1.
On constate que pour une valeur de R=7,6, et quelle que soit la pression
appliquée, il n'apparaît aucune retassure spongieuse.
Pour les culasses de la figure 3, on pourra donc appliquer le procédé
classique.
Par contre, pour les culasses de la figure 4 où le rapport L/M est égal à
15,4, la retassure spongieuse apparalt sous 1,1 MPa mais pas sous 0,3 MPa.
Ces culasses devront donc être moulées suivant le procédé de l'invention
pour qu'elles soient utilisables.
L'invention trouve son application notamment dans la fabric,ation de
culasses de moteurs d'automobiles et de toutes pièces nécessitant de
hautes caractéristiques mécaniques.
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