CH625439A5 - - Google Patents
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Description
La présente invention concerne une installation de coulée sous pression par le procédé en chambre chaude propre au moulage d'articles en aluminium pur ou allié, ainsi qu'en magnésium et cuivre purs ou alliés et en tous autres alliages corrodant fortement les matériaux ferreux.
Dans le procédé de moulage sous pression, on distingue un procédé à chambre froide et un procédé à chambre chaude, caractérisés, le premier, par le fait que le métal liquide est versé à la louche dans Je cylindre d'injection non chauffé avant chaque refoulement dans le moule, et le second, par le fait que la pompe est à la température du métal liquide et que le cycle de fonctionnement comprend deux temps: admission du métal liquide, puis refoulement.
Les principaux inconvénients du procédé en chambre froide sont:
— avec le transport du métal liquide depuis le four de maintien jusqu'à la pompe, le transport simultané d'une certaine quantité d'oxyde;
— la difficulté de doser exactement la quantité puisée;
— la variation de la teneur en oxyde qui influence la qualité des pièces;
— l'oxydation du métal liquide lors du remplissage du cylindre d'injection;
— la pollution par les lubrifiants du cylindre d'injection;
— pas d'évolution régulière de la température durant le déroulement de la coulée.
Les avantages du procédé à chambre chaude sont:
Du point de vue coulabilité:
— une amélioration du fait de la température plus régulière du métal à l'entrée du moule;
— un remplissage de la pompe sans contact avec l'air;
— une composition de liquide constante.
Du point de vue production:
— une productivité plus élevée due à une meilleure utilisation de la machine, des rebuts moindres tant sur la machine que sur les opérations secondaires;
— l'élimination du remplissage à la louche, manuellement ou automatiquement;
— des possibilités d'automatisation supérieures;
— un cycle de coulée reproductible, prévisible et contrôlable. Du point de vue du moule:
— possibilités multiples de positionnement;
— une moindre pression interne;
— de moindres variations thermiques du fait de cycles plus rapides et réguliers, de moindres rétrécissements de la pièce moulée sur le moule;
— un allongement de la durée de vie.
Après le succès des moulages par le procédé en chambre chaude d'alliages de plomb, d'étain et de zinc au moyen d'une pompe à piston, l'application de cette technique aux alliages d'aluminium et autres métaux et alliages corrosifs a été un échec, car les matériaux ferreux sont rapidement attaqués par le métal liquide de sorte que la durée de vie de la pompe est très limitée.
On a également utilisé pour les alliages d'aluminium une installation de moulage pneumatique, de sorte que les avantages du procédé en chambre chaude ont pu être conservés. Cependant, ces moulages demeurent insuffisants en ce qui concerne la porosité et l'augmentation de la teneur en fer, qui augmente la fragilité. Actuellement le moulage sous pression d'aluminium est en majeure partie réalisé suivant un procédé à chambre froide, limité dans son utilisation par les difficultés posées par son automatisation. Le procédé en chambre chaude avec pompe à piston est un procédé de façon simple qui rendrait l'automatisation possible, comme c'est le cas dans la coulée sous pression du zinc et, par là, permettrait une production plus économique avec une meilleure constance de qualité.
Mais les alliages d'aluminium liquides sont si corrosifs qu'il n'existe actuellement aucune pompe à piston qui soit opérationnelle.
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Union Carbide Corporation a proposé deux brevets (USP No 3319702 et USP No 3586095) relatifs à des pompes à piston dont les éléments les plus exposés à l'érosion et la corrosion (piston et douille) sont réalisés en TiB2 et ZrB2 frittés, et sont susceptibles de résister sans défaillance 50000 coups. De telles pompes sont susceptibles de conduire à une augmentation de la teneur en Fe de l'alliage inférieure à 0,05% durant 150000 coups (C. F. Fulgenzi: «Trans. Soc. of Die Casting Eng.», 1968,46). Cependant, des tests prolongés de ces pompes sur des machines de production (P.W. Marshall, «Foundry Trade Journal», nov. 26,1970, 797) ont montré que la durée de vie était peu régulière (de 600 à 57000 coups). Les principales raisons de la dégradation prématurée du cylindre et du piston sont la mauvaise résistance au choc thermique de TiB2 et ZrB2 et la trop grande différence de dilatation entre la fonte et ces matériaux qui entraîne l'apparition à la longue de jeu et de décentrages. Là encore, l'augmentation de la teneur en fer dans l'alliage est restée très faible (0,2%). Elle est cependant encore trop forte si l'on veut couler des alliages qui ne contiennent pratiquement pas de fer.
Un brevet japonais (N° 74.074523) rend compte d'une pompe propre à la coulée d'aluminium ayant fonctionné dans l'aluminium liquide 120000 coups sous 150 kg/cm2 de pression avec piston et douille en TiC pressés à chaud, 150000 coups sous 120 kg/cm2 de pression avec piston et douille en TiC (75%) + Si3N4 (25%) pressés à chaud, 160000 coups sous 120 kg/cm2 de pression avec piston et douille en TiC (52%), Si3N4 (25%), TiB2 (20%), CrB2 (3%)
pressés à chaud.
Un brevet allemand (No 2320887) revendique l'utilisation de pièces de pompe en AIN allié à 0,1 à 10% en poids de Y203, La203, Sc203, Ce203, A1203 ou silicates métalliques. Des piston et douille réalisés en ces matières pressées à chaud ont une durée de vie de 100000 à 130000 cycles de pompage d'alliage d'aluminium liquide.
Un brevet suisse (No 586581) décrit une pompe à injection, caractérisée en ce que le piston et la douille, ou un revêtement de cette dernière, sont fabriqués à partir d'un corps fritté constitué d'un mélange de carbures et borures, tels que le carbure de bore 10 à 90% en poids, de préférence 30 à 70%, de borure de titane 5 à 60%, de borure de zirconium 5 à 60%, nitrure de bore 0,5 à 30%, et éventuellement 0 à 5% de borure de tantale, de molybdène, de tungstène, de carbure de zirconium, de silicium, de tantale, de vanadium, de chrome, de tungstène, de molybdène, de nitrure d'aluminium, de silicium, de titane, de zirconium, d'oxyde d'aluminium et de béryllium.
La porosité du composé fritté est inférieure à 5%, sa résistance à la flexion supérieure à 400 kg/cm2 et sa dureté supérieure à 1400 kg/mm2.
Des essais avec piston et douille en de tels matériaux ont été effectués. Dans certains cas, le corps principal en fonte, muni d'un revêtement protecteur de graphite, s'est trouvé corrodé par le métal en fusion (Al, 1,5-3,5 Cu, 10-5-12 Si, 0,3 Mg, 1 Zn, 0,9 Fe, etc.) au bout de 110000 à 160000 opérations d'injection sous une pression de 150 à 250 kg/cm2, mais aucun signe de corrosion du cylindre et du piston n'a été détecté. Cependant, il semble que cette pompe ne soit en fait utilisable que pour la coulée des alliages de zinc et de magnésium.
Ainsi, plusieurs matériaux ont déjà été proposés pour la réalisation du piston et de la douille, mais ces matériaux n'ont pas donné entière satisfaction. La durée de vie de la pompe à piston et la qualité des pièces moulées restent limitées par la corrosion et l'usure prématurée des parties de la pompe.
Les problèmes à résoudre pour la réalisation d'une machine de pompage mue par une pompe à piston correspondent aux quatre parties de cette pompe:
— piston et douille soumis à la corrosion, à l'abrasion, à des •contraintes mécaniques telles que jeu, alignement et autres,
— fond de douille et col-de-cygne soumis à la corrosion et à l'érosion,
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— buse de coulée soumise à la corrosion, à l'érosion, à l'oxydation par l'air, aux chocs mécaniques et thermiques,
— cuve soumise à la corrosion et à l'oxydation par l'air.
Les matériaux à utiliser pour réaliser une telle pompe doivent résister à la corrosion par l'aluminium liquide, à l'abrasion et à l'érosion, être assez durs, posséder des coefficients de dilatation proches de ceux des matières ferreuses. De plus, pour certaines utilisations précitées, ils doivent résister à l'oxydation, aux chocs thermiques et mécaniques. Enfin, il est souhaitable de disposer de matériaux non mouillés par le métal liquide et aussi denses que possible.
L'invention concerne une installation de coulée sous pression par le procédé en chambre chaude propre au moulage d'articles élaborés avec un métal ou un alliage corrodant, à l'état liquide, les matériaux ferreux, munie d'une pompe d'injection comprenant une cuve, un piston et sa douille, un col-de-cygne et une buse de coulée caractérisée par le fait que le piston et sa douille ou au moins leurs faces en regard sont en nitrure de silicium ou en oxynitrure d'aluminosilicium. Dans une forme spéciale d'exécution, les autres éléments de la pompe et de l'installation ou leurs parois en contact avec le métal liquide consistent en un matériau résistant à la corrosion et à l'érosion.
L'invention est illustrée par deux formes d'exécution, représentées dans les flg. 1 à 3.
La flg. 1 est le schéma d'une installation de pompage où la pompe à piston est logée dans la cuve de stockage.
La fig. 2 est une forme d'exécution particulière d'une installation de pompage où la pompe à piston est logée dans la cuve de stockage.
La fig. 3 est le schéma d'une installation de pompage où la cuve de pompe et la cuve de stockage constituent deux éléments distincts.
L'installation se compose d'une cuve de stockage d'alliage liquide, d'une pompe à piston, d'un moule et de dispositifs annexes de chauffage et d'entraînement du piston de la pompe. La pompe telle que représentée par la fig. 1 est formée d'une cuve 1, d'un piston 2 et d'une douille 3, d'un col-de-cygne 4 et d'une buse de coulée 5.
Dans la pompe selon la fig. 2, la douille 3 est fixée au fond de la cuve à l'aide du porte-douille 8 de sorte qu'aucune pièce autre que le piston 2 n'émerge du bain. Ce montage évite en particulier que la partie du piston qui dépasse du liquide ne s'encrasse trop rapidement par l'oxyde formé à la surface du bain, oxyde qui tendrait à user et à gripper le couple piston/douille.
Le piston, guidé en deux endroits dans son mouvement de translation, par le haut à l'aide du porte-piston 11 et par le bas par la douille dont il ne sort jamais entièrement, est taillé, à son extrémité inférieure, dans un mode préféré de réalisation, en biseau ou en cannelures, de sorte que, au sommet de sa course, il puisse laisser l'alliage liquide remplir la douille.
La cuve de pompe 1 peut être reliée à la cuve de stockage 12 par un canal 13 suivant le schéma présenté à la fig. 3 ou, au contraire, y être incluse comme représenté à la fig. 2. Le canal, dans un mode préféré de réalisation, est du type submergé afin d'éviter le passage d'air ou d'oxyde de la cuve de stockage vers la cuve de pompe.
Pour éviter la formation d'oxyde à la surface du bain, un autre mode de réalisation consiste à protéger le bain du contact de l'air par une atmosphère neutre 16 telle que Ar ou N2, ou tout autre gaz ou mélange de gaz non oxydant, suivant un schéma tel que le présente la fig. 3 dans le cas de cuves de stockage et de pompe séparées, mais qui peut être appliqué au cas de cuves de stockage et de pompe confondues.
La forme du col-de-cygne 4 peut être choisie pour ne présenter que des parties rectilignes aptes à recevoir un tube enchâssé tel que le montre la fig. 2.
Les jeux dus aux différences de dilatation thermique apparaissent entre les pièces enchâssées et la structure de la machine sont compensés par un système de bagues taillées en biseau.
La cuve 1 est réalisée en fonte, de préférence d'une nuance qui
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résiste bien à la corrosion par l'aluminium telle que la fonte à l'aluminium (I.B. Serelryakova et al., «Protection of metals», 3 (1) 1967,95) ou la fonte au chrome (H.Fr. Honsel et al., «Aluminium», 39, 1963, 675).
Le piston 2 et la douille 3 sont réalisés en Si3N4 ou en composés Si/Al/O/N appelés sialones, de haute densité relative, matériaux très durs, résistant parfaitement à l'aluminium liquide et à l'oxydation, non mouillés par l'aluminium liquide, résistant à l'abrasion et à l'érosion. Ces éléments peuvent aussi être protégés par des pièces enchâssées en ces matériaux.
Le fond de douille 6 et le col-de-cygne 4 sont protégés par enchâssement de tubes en alumine, glucine ou autres oxydes simples ou mixtes, tels le titanate d'aluminium, la stumatite (alumi-nosilicate naturel), en sialones, en AIN, en Si3N4 frittés, en chrome métallique ou associé en cermet (TiB2Cr) et autres matériaux assez durs, résistant à la corrosion et à l'érosion par Al fondu, peu ou pas mouillés par celui-ci. Les joints 7 peuvent être réalisés en BN ou graphite ou Cr. Par ailleurs, le col-de-cygne peut être aussi protégé par un revêtement de AIN, chromisé ou sulfuré, réalisé par un procédé approprié. Le porte-douille 8 peut être réalisé, de même, en l'un de ces matériaux précédemment cités qui résistent à la corrosion et possèdent des qualités mécaniques suffisantes.
La buse de coulée 5 est réalisée en Si3N4 ou en sialones pressés à chaud, ou chemisée de pièces en ces matériaux. Du fait principalement du non-mouillage par l'aluminium liquide, le danger de la formation d'un bouchon d'alliage solidifé après chaque injection est beaucoup diminué.
La cuve 1 est protégée de la corrosion et de l'oxydation par un revêtement 9 de Cr, de A1203 ou autres oxydes tels que A1203-
Ti02, de TiB2, ZrB2, CrB2, ou autres borures simples ou mixtes, AIN, Si3N4, BN, sialones ou autres nitrures, réalisé par un procédé approprié, tel que slurry, métallisation au chalumeau, garnissage par des plaques même de façon non étanche (le colmatage se faisant du 5 fait de la formation de composés Fe/Al ou Fe/Al/Si, voir brevet suisse No 588320).
Les trous nécessaires au perçage du col-de-cygne et à l'usinage des autres parties de la pompe sont obstrués par des bouchons coniques 10 maintenus en place par des vis, dans un mode de réalisation. Les io bouchons sont réalisés en matériaux résistant à la corrosion et à l'érosion tels que Si3N4, AIN, Si/Al/O/N, BN, Cr, métal, TiB2, ZrB2, A1203, BeO, titanate d'aluminium, stumatite, graphite ou autres.
D'autres pièces de l'installation, à savoir les moules, en particulier en fonte et en acier à moules, sont soumises à la corrosion par les 15 alliages liquides, quoique dans une moindre mesure, du fait de la température plus faible que celle qui règne dans la pompe. Les moules sont surtout soumis à l'oxydation, à une certaine érosion de la part du liquide, au choc thermique lors du moulage, à une dégradation due à l'adhérence des pièces au moule, ainsi qu'aux 20 cycles thermiques lors du refroidissement des pièces, et aux chocs mécaniques lors du démoulage.
Le revêtement des moules par des matériaux qui, non corrodés ni mouillés par les alliages à couler, améliorent l'état de surface des pièces moulées, facilite le démoulage et augmente la durée de vie des 25 moules. A cet effet, les moules en fonte ou acier, ou en autre matière sont chemisés ou revêtus d'un revêtement dense, adhérent, de bon état de surface et suffisamment épais pour garantir une longue durée de vie, revêtement en Si3N4,AlN, Si/Al/O/N, BN ou carbone graphite ou pyrolytique purs ou alliés.
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2 feuilles dessins
Claims (15)
1. Installation de coulée sous pression par le procédé en chambre chaude propre au moulage d'articles élaborés avec un métal ou un alliage corrodant à l'état liquide les matériaux ferreux, munie d'une pompe d'injection comprenant une cuve, un piston et sa douille, un col-de-cygne et une buse de coulée, caractérisée par le fait que le piston et la douille ou au moins leurs faces en regard sont en nitrure de silicium ou en oxynitrure d'aluminosilicium.
2. Installation selon la revendication 1, caractérisée par le fait que les autres éléments de la pompe à injection ou leurs parois en contact avec le métal liquide consistent en un matériau résistant à la corrosion et à l'érosion, tel que chrome métallique, nitrure de silicium, d'aluminium, oxynitrure d'aluminosilicium, borure de titane, de zirconium, de chrome, carbure de silicium, de titane, oxyde d'aluminium, de béryllium, de titanate d'aluminium, purs ou combinés entre eux.
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REVENDICATIONS
3. Installation selon la revendication 1 ou 2, caractérisée par le fait que les parois de la cuve de la pompe sont revêtues d'un matériau résistant à la corrosion et à l'oxydation tel que ceux cités dans la revendication 2.
4. Installation selon la revendication 1 ou 2, caractérisée par le fait que le col-de-cygne est muni d'un revêtement ou chemisé de tubes en matériaux résistant à la corrosion et à l'érosion tels que ceux cités dans la revendication 2.
5. Installation selon la revendication 1 ou 2, caractérisée par le fait que la buse de coulée est réalisée ou chemisée de pièces en nitrure de silicium ou en oxynitrure d'aluminosilicium.
6. Installation selon la revendication 1 ou 2, caractérisée par le fait que les joints entre les divers éléments et les bouchons obstruant les trous nécessaires à l'usinage de la pompe et du col-de-cygne sont en matériaux résistant à la corrosion et à l'érosion tels que ceux cités dans la revendication 2, ainsi que nitrure de bore, graphite et aluminosilicate naturel.
7. Installation selon la revendication 1 ou 2, caractérisée par le fait que le porte-douille et le fond de douille sont en matériaux durs, résistant à la corrosion et à l'érosion, tels que ceux cités dans la revendication 2.
8. Installation selon la revendication 1 ou 2, caractérisée par le fait que les moules sont munis d'un revêtement résistant à la corrosion et à l'érosion et n'adhérant pas sur les pièces moulées tels qu'en nitrure de silicium, nitrure d'aluminium, oxynitrure d'aluminosilicium, nitrure de bore, carbone, purs ou en mélange.
9. Installation selon la revendication 1 ou 2, caractérisée par le fait que la douille est fixée au fond de la cuve par le porte-douille, de sorte que seul le piston émerge du bain liquide.
10. Installation selon la revendication 1 ou 2, caractérisée par le fait que le piston est taillé en biseau ou en cannelures à son extrémité inférieure, de sorte que, sans sortir complètement de la douille, il puisse laisser l'alliage liquide remplir la douille.
11. Installation selon la revendication 1 ou 2, caractérisée par le fait que la cuve de la pompe constitue également cuve de stockage.
12. Installation selon la revendication 1 ou 2, caractérisée par le fait que la cuve de pompe est reliée à une cuve de stockage à l'extérieur de la pompe d'injection de sorte que cuve de pompe et cuve de stockage sont deux éléments distincts.
13. Installation selon la revendication 12, caractérisée par le fait que la cuve de pompe est reliée à la cuve de stockage par un canal submergé qui empêche le passage d'air ou d'oxyde métallique de la cuve de stockage vers la pompe.
14. Installation selon la revendication 12, caractérisée par le fait que les parois de la cuve de stockage sont revêtues d'un matériau résistant à la corrosion et à l'oxydation tel que ceux cités dans la revendication 2.
15. Utilisation de l'installation selon la revendication 1 pour le moulage d'articles en aluminium et en alliage d'aluminium.
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