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CA 02282673 1999-08-26
WO 99/34945
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" Procédé et installation de coulée sous basse pression dans
un moule à coquille céramique".
-invention côncerne un procédé et une
installation de coulée sous basse pression d'une
composition métallique à l'état liquide, dans un moule
comprenant une coquille en céramique dont une face
délimite un espace de coulée et une masse de sable sans
liant en contact avec l'autre face de la coquille, le
moule étant placé dans un caisson présentant à sa base un
accès raccordé à l'espace de coulée et relié par une
conduite d' amenée de métal liquide à une source de métal
liquide en contrebas, par exemple un four de coulée.
On connaît déjà des procédés et des installations
de coulée de ce type, dans lesquels la source de métal
liquide telle qu'un four de coulée est mise en
communication avec une source de gaz sous pression de
telle manière que soit appliquée au métal liquide contenu
dans la source de métal liquide, une première valeur de
pression grâce à laquelle le métal liquide est amené et
maintenu dans la région de l'accès du caisson pour ce
métal liquide.
Lorsque l'on désire couler une pièce en
introduisant du métal liquide dans. le moule, le niveau du
métal liquide est élevé au-dessus du seuil du moule où il
se trouvait, en augmentant la pression jusqu'à une
deuxième valeur légèrement supérieure à la valeur
nécessaire pour amener le métal liquide â remplir
l'espace de coulée, afin de posséder une marge de
sécurité et d'être certain que toutes lés anfractuosités
du~ moule, même les plus hautes, sont remplies de métal
liquide, et on maintient la pression à cette deuxième
valeur pendant une durée suffisante pour laisser
s'établir un régime de repos, et une pression métallo-
statique faible sur les parois de la coquille en
céramique. Puis on augmente encore la pression jusqu'à
une troisième valeur afin de combler les cavités ou
retassures éventuelles, et on maintient la pression à
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cette troisième valeur pendant une durée permettant
d'obtenir la solidification désirée du métal contenu dans
le moule, après quoi on diminue la pression de telle
sorte que le niveau du métal liquide inutilisé descende
approximativement au niveau initial, et on maintient
cette pression pendant le temps nécessaire par exemple
pour retirer le moule, démouler la pièce, et remettre un
moule permettant la fabrication d'une autre pièce.
Cependant, les coquilles en céramique de ces
moules présentent en général une épaisseur extrêmement
faible et ainsi une certaine flexibilité qui leur
confère, lorsqu'elles sont soumises à la pression du
métal liquide, une tendance à subir des déformations qui
nuisent à leur stabilité dimensionnelle.
Afin de remédier aux instabilités dimensionnelles
qui surviennent dans le cas du procédé de coulée décrit
ci-dessus, il a été proposé de maintenir en dépression la
masse de sable en contact avec la coquille, afin
d'assurer une stabilité dynamique aux grains de sable et,
ainsi la stabilité dimensionnelle de la coquille. A cette
fin, le caisson est doté d'un deuxième accès raccordé à
l'espace où se trouve la masse de sable, relié par une
conduite d'aspiration à un dispositif de mise en
dépression.
Mais cette mise en dépression de la masse de
sable a pour inconvénient de perturber la montée et la
bonne répartition du métal liquide dâns l'espace de
coulée, par l'intermédiaire de la porosité de la
céramique (remplissage « par le vide »), ce qui conduit à
un remplissage trop rapide générant des défauts dans les
pièces coulées.
L'invention a pour but de remédier à ces
inconvénients et concerne à cet effet un procédé de
coulée sous basse pression dans un moule comprenant une
coquille céramique dont une face délimite un espace de
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coulée et. un espace contenant une masse de sable sans
liant en contact avec l'autre face de la coquille, le
moule étant placé dans un caisson présentant à sa base un
accès raccordé à l'espace de coulée et relié à une source
de métal liquide en contrebas, procédé dans lequel on
applique au métal liquide de la source une première
valeur de pression adaptée pour amener du métal liquide
dans la région dudit accès, on augmente la pression
jusqu'à une deuxième valeur légèrement supérieure à une
valeur nécessaire pour remplir l'espace de coulée et on
maintient cette deuxième valeur pendant une première
durée prédéterminée, puis on augmente la pression jusqu'à
une troisième valeur et on maintient cette troisième
valeur pendant une deuxième durée prédéterminée, puis on
diminue la pression pour que le niveau du métal liquide
descende approximativement dans la région dudit accès ou
au-dessous, caractérisé en ce que, approximativement
lorsque l'espace de coulée devient entièrement rempli de
métal liquide, on diminue la pression dans l'espace de la
masse de sable au-dessous de la pression atmosphérique
jusqu'à une valeur de dépression prédéterminée, on
maintient cette valeur de dépression au moins jusqu'à ce
que soit obtenue contre la coquille une crotte
solidifiée, et on remonte approximativement à la pression
atmôsphérique la pression dans l'espace de la masse de
sable.
Le proceae selon 1 ~mv~~m~~ll r
présenter une ou plusieurs des caractéristiques
suivantes .
- la durée de la phase au cours de laquelle on
diminue la pression dans l'espace où se trouve la masse
de sable, au-dessous de la pression atmosphérique,
jusqu'à une valeur de dépression prédéterminée, est plus
courte que la première durée prédéterminée ;
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-.la phase au cours de laquelle on augmente la
pression dans l'espace où se trouve la masse de sable.
approximativement jusqu'à la pression atmosphérique, est
menée à son terme avant le terme de la phase au cours de
laquelle on diminue la pression à laquelle est soumis le
métal liquide contenu dans la source de métal liquide de
telle sorte que le niveau du métal liquide descende
approximativement dans la région dudit accès ou au-
dessous ;
- la valeur de dépression prédéterminée
correspond à une pression absolue dans la gamme
approximativement de 0,5 à 0,9 bar ;
- la première valeur de pression est d'environ
1,15 bars absolus ;
- la deuxième valeur de pression est d'environ
1,4 bars absolus ;
- la troisième valeur de pression est d'environ
1,7 bars absolus.
Grâce au fait que c'est seulement lorsque
l'espace de coulée est rempli de métal liquide que l'on
diminue la pression dans l'espace de la masse de sable,
le remplissage n'est pas perturbé par la dépression.
L'invention concerne également une installation
pour la mise en oeuvre du procédé ci-dessus, comportant
un moule comprenant une coquille céramique dont une face
délimite un espace de coulée, et un espace contenant une
masse de sable sans liant en contact avec l'autre face de
la. coquille, le moule étant placé dans un caisson
présentant à sa base un accès raccordé à l'espace de
coulée et relié à une source de métal liquide en
contrebas, installation caractérisée en ce que le caisson
comporte intérieurement une chambre à vide munie d'au
moins une région de paroi perméable à l'air et présentant
une ouverture d'accès munie d'une prise de vide pour être
reliée à un dispositif d'aspiration par l'intermédiaire
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d'une éléctrovanne commandée par un automate programmable
commandant également un dispositif de régulation de
pression de la source de métal liquide.
L'installation selon l'invention peut de plus
5 présenter pour caractéristique le fait que la chambre à
vide s'étend annulairement dans le caisson contre une
paroi de base et des parois latérales de celui-ci.
Grâce à cette installation, le procédé de moulage
peut être mis en oeuvre très rapidement et être contrôlé
avec précision avec un investissement en matériel restant
malgré tout modéré.
D'autres caractéristiques et avantages de
l'invention ressortiront de la description qui va suivre
d'un exemple de réalisation de l'invention illustré par
les dessins joints dans lesquels .
- la figure 1 est un schéma général d'une
installation pour la mise en oeuvre du procédé selon
l'invention, et
- la figure 2 est un diagramme illustrant la
succession des phases du procédé selon l'invention.
L'installation selon l'invention comporte un
caisson 1 dans lequel est constitué un moule 2 comprenant
une coquille 21 en céramique pouvant être du type
consommable » dont une face délimite un espace de
coulée 22 dont la forme correspond à la forme extérieure
de la pièce à couler, et une masse 23 de sable sans liant
dans l'espace du caisson délimité entre les parois de
celui-ci et l'autre face de la coquille et ainsi en
contact avec cet~e autre face.
Grâce à _'~:wention, l'épaisseur de la coquille
21 peut être faib:e, et par exemple une épaisseur de 2 mm
peut être atteinte.
En général, l'épaisseur est dans la gamme de 2 à
4 mm, mais le procédé convient également pour des
épaisseurs plus importantes.
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Le caisson 1 comporte une paroi de base 11 et des
parois latérales 12 présentant un bord commun avec la
paroi de base et un bord supérieur coudé vers l'extérieur
de manière à constituer une bride 13 s'étendant
parallèlement à la paroi de base.
La paroi de base présente une ouverture d'accès
14 raccordée à l'espace de coulée 22 par un joint 15
tubulaire présentant une partie emmanchée dans
l'ouverture de la paroi de base et une partie servant de
portée à la face intérieure, de forme conjuguée, de
l'embouchure (inférieure) de la coquille 21.
Le caisson 1 comporte une chambre à vide 3
annulaire s'étendant contre la région périphérique de sa
paroi de base 11 et les régions des parois latérales 12
qui aboutissent à cette paroi de base. Cette chambre à
vide a au moins une paroi 31 en contact avec la masse de
sable 23 ; cette paroi 31 comporte au moins une région
perméable à l'air mais étanche au sable. L'une des parois
latérales du caisson 1 et de la chambre à vide 3 comporte
une deuxième ouverture d'accès 16 débouchant dans la
chambre à vide, munie d'une prise de vide 17.
La masse de sable 23 emplit l'espace du caisson 1
entre les parois de celui-ci et la coquille 21, à
l'exception de la chambre à vide 3.
Le caisson est disposé sur un plateau support
(non représenté) présentant une ouverture en face de
l'ouverture d'accès de sa paroi de base.
En vue du remplissage en sable du caisson au
moyen par exemple d'une trémie dont l'orifice de base
débouche dans le caisson, le plateau support est tout
d'abord disposé sur un dispositif de vibration (également
non représenté) comportant par exemple des rouleaux
excentriques.
Ainsi, lorsque la coquille 21 est positionnée sur
le joint 15, le caisson 1 peut être rempli de sable flou,
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c'est-à-dire sans liant, tout en étant vibré pour obtenir
une densification maximale. Le niveau de sable est
ensuite égalisé à la règle pour obtenir un niveau
rëgulier à la surface supérieure du caisson.
Le caisson 1 rempli de sable est alors prêt à
être transporté à proximité d'un four de coulée 4,
disposé en contrebas du caisson. Le caisson est
positionné de telle sorte que l'ouverture d'accès 14 de
sa paroi de base garnie du joint 15 soit en vis-à-vis
d'un col de sortie 41 d'une conduite 42 d'amenée de métal
liquide du four, afin que le col puisse être solidarisé
au caisson et que la conduite d'amenée relie ainsi
l'espace de coulée du moule à l'espace intérieur du four.
Également, un plateau mobile 5 sous lequel est
fixé un joint d'étanchéité 51 est attaché sur le caisson
par exemple par bridage pour constituer le couvercle de
celui-ci, le joint 51 étant alors interposé entre le
plateau et la bride 13 formée sur les parois latérales du
caisson. Le joint, écrasé entre le plateau et la bride,
épousant la forme de ceux-ci, permet donc de faire le
vide à l'intérieur du caisson.
Approximativement simultanément à l'application
du plateau mobile 5 sur le caisson, la prise de vide 17
est raccordée de manière étanche à une conduite
d'aspiration 61 reliant cette prise à un dispositif
d'aspiration 6 comprenant une nourrice de vide 62 mise en
dépression par une pompe 63 telle qu'une pompe à
palettes.
Une électrovanne 64 commandée par un automate
programmable 7 est insérée entre la nourrice de vide 62
et l~a prise de vide 17 du caisson ; un manomètre 65
mesure la pression à l'entrée du caisson.
Le four de coulée 4 comporte, au-dessus de la
masse 43 de métal liquide, une voûte 44 reliée par une
conduite 45 de mise en pression à un dispositif de
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régulatiôn de pression 8 également commandé par
l'automate programmable 7.
Grâce à cette installation, et sous la commande
de l'automate programmable 7, on peut mettre en oeuvre le
procédé selon l'invention qui va être décrit ci-après et
qui est illustré par la figure 2.
On applique au métal liquide du four de coulée 4,
au moyen de la conduite de mise en pression 45, une
pression de valeur P1 par exemple de l'ordre de 1,15
bars absolus, qui amène le métal liquide par un mouvement
ascendant dans la région de l'ouverture d'accès 14 de la
base du caisson 1, au seuil de l'embouchure du moule 2.
Puis, on augmente la pression (phase AB), jusqu'à
une valeur P2 par exemple d'environ 1,4 bars absolus, et
plus généralement une valeur légèrement supérieure à
celle nécessaire pour emplir entièrement de manière
ascendante l'espace de coulée avec une marge de sécurité
Oh suffisante, et on maintient cette valeur pour laisser
s'établir un régime de repos (phase BC).
De plus, lorsque la pression a atteint
approximativement sa valeur permettant le remplissage du
moule, et de préférence sa valeur P2 avec la marge de
sécurité, (point B), on diminue rapidement, par
l'intermédiaire de la conduite d'aspiration, et par suite
de l'ouverture de l'électrovanne 64 commandée par
l'automate programmable 7, la pression dans la masse de
sable ; la diminution est poursuivie jusqu'à ce que l'on
atteigne une valeur de dépression par rapport à la
pression atmosphérique, correspondant à une pression
absolue prédéterminée de préférence dans la gamme
approximativement de 0,5 à 0,9 bar, et on maintient cette
valeur de dépression pendant une certaine durée comme on
le verra dans la suite.
De préférence, on effectue la diminution de la
pression dans l'espace de la masse de sable rapidement,
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car la dùxée de cette phase de diminution au-dessous de
la pression atmosphérique jusqu'à la valeur de dépression
choisie doit être plus courte que celle de la phase BC où
la masse de métal liquide est soumise à la pression de
valeur P2. Selon l'invention, on maintient donc la
pression du métal liquide à la valeur P2 ici de 1,4 bars,
non seulement tant que la cavité 22 n'est pas emplie,
mais également tant que la dépression dans la masse de
sable n'a pas atteint le niveau choisi.
Après quoi, la coquille 21 étant rigidifiée par
le compactage de la masse de sable dû à la dépression, on
augmente encore la pression appliquée au métal liquide
(phase CD) jusqu'à une valeur P3 par exemple de l'ordre
de 1,7 bars afin de combler les cavités ou retassures
éventuelles, et on maintient cette valeur P3 de
surpression pendant une durée permettant d'obtenir tout
d'abord une croûte solidifiée contre la coquille, puis la
solidification du métal contenu dans le moule (phase DE).
La dépression dans la masse de sable est
maintenue à une valeur correspondant à la pression
absolue de 0,5 à 0,9 bar ici approximativement jusqu'au
point E. et en tout cas le « vide » ne doit pas être
« cassé » avant la formation de la croûte de métal contre
la coquille 21.
Lorsque la solidification désirée du métal de
l'espace de coulée 22 est obtenue, on diminue la pression
sur le métal liquide (phase EF) de telle sorte que le
niveau de celui-ci descende approximativement au niveau
initial (valeur de pression P1 égale ici à 1,15 bars
environ), et on maintient cette pression pendant le temps
nécessaire par exemple pour retirer le moule et en
remettre un autre en vue de la fabrication d'une autre
pièce. Comme on l'a vu, on peut casser le « vide »
(augmenter la pression) dans la masse de sable à partir
du moment où la croûte solide est formée, mais
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généralement on n'effectue cette opération
qu'immédiatement avant le relâchement de la pression
appliquée au métal liquide ou au moment de ce
relâchement ; cependant, cette phase d'augmentation de la
5 pression dans l'espace où se trouve la masse de sable
approximativement jusqu'à la pression atmosphérique est
effectuée suffisamment tôt et/ou rapidement pour qu' elle
soit menée à son terme avant le terme F de la phase EF au
cours de laquelle on diminue la pression sur le métal
10 liquide pour assurer son retour à la pression P1 ou même
au-dessous. La masse de sable n'étant plus en dépression,
le métal liquide peut redescendre librement dans la
conduite d'amenée 42, son niveau revenant alors
approximativement dans la région de l'accès 14 ou au-
dessous, et on peut retirer aisément le caisson sans
craindre des retours de métal liquide.
Ainsi, grâce à l'invention, la dépression étant
appliquée à la masse de sable à l'issue du remplissage de
la coquille, elle n'intervient pas sur l'écoulement du
métal dans cette dernière. et cet écoulement reste piloté
par la pression, tandis que la dépression dans la masse
de sable assure la rigidification de la coquille dans la
phase de surpression à la pression P3, qui est la plus
critique. au moins tant que la coquille n'est pas
rigidifiée par une croûte de métal.
