EP0624413B1

EP0624413B1 - Method and apparatus for controlled low pressure casting under vacuum for aluminium- or magnesium alloys

Info

Publication number: EP0624413B1
Application number: EP94401035A
Authority: EP
Inventors: Pierre Merrien
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-05-10
Filing date: 1994-05-10
Publication date: 1999-03-03
Anticipated expiration: 2014-05-10
Also published as: EP0624413A1; DE69416715D1; FR2705044B1; DE69416715T2; US5597032A; FR2705044A1

Description

La présente invention concerne un nouveau procédé et dispositif de coulée sous basse pression dans un moule maintenu en dépression pendant le remplissage, plus spécialement destiné à la réalisation :

de pièces en alliages d'aluminium, magnésium, cuivre, fer, chrome, nickel,
de pièces en matières plastiques,
de pièces comportant des parties en fibres soumises à imprégnation, ces pièces comportant en général des parties minces.

The present invention relates to a new process and device for casting under low pressure in a mold maintained in depression during filling, more specifically intended for the production:

parts in aluminum alloys, magnesium, copper, iron, chromium, nickel,
plastic parts,
of parts comprising fiber parts subjected to impregnation, these parts generally comprising thin parts.

Le procédé conventionnel de coulée sous basse pression est connu depuis le début du siècle : le métal est dans un four étanche, le moule est relié au métal par un tube. Si on élève la pression dans le four, le métal monte dans le moule. Après solidification, on décomprime le four et on recueille dans le creuset le métal de la pièce non encore solidifié.The conventional low pressure casting process is known since the beginning of the century: the metal is in a sealed oven, the mold is connected to metal by a tube. If you raise the pressure in the oven, the metal rises in the mold. After solidification, we decompress the oven and collect the metal of the part in the crucible not yet solidified.

L'art antérieur s'est attaché essentiellement à apporter deux améliorations importantes au procédé d'origine :

1) le contrôle de l'écoulement de métal,

2) le remplissage d'un moule sous vide par du métal sous pression.

The prior art has essentially attempted to make two important improvements to the original process:

1) control of the metal flow,

2) filling a vacuum mold with pressurized metal.

Le contrôle de l'écoulement de métal consiste à donner, en chaque point du moule au front de métal qui avance, une vitesse d'écoulement :

qui soit suffisamment élevée pour éviter que ce front ne se solidifie avant que le remplissage de l'empreinte ne soit terminé,
et qui soit inférieure à la vitesse où apparaissent les turbulences sur ce front de métal, turbulences qui donneraient des oxydes et des inclusions de gaz.

The control of the metal flow consists in giving, at each point of the mold to the advancing metal front, a flow speed:

which is high enough to prevent this front from solidifying before the filling of the imprint is completed,
and which is lower than the speed at which the turbulences appear on this metal front, turbulences which would give oxides and gas inclusions.

A chaque point du moule doit donc correspondre, pour le front de métal, une vitesse optimale comprise entre les deux précédentes ; elle est fonction de la géométrie de la pièce en ce point, en particulier de l'épaisseur, de la nature du moule (métallique, en sable, en céramique), de la température du métal et du moule, de la nature du métal, etc.Each point of the mold must therefore correspond, for the metal front, an optimal speed between the two previous; it is a function of the geometry of the part at this point, in particular of the thickness, the nature of the mold (metallic, sand, ceramic), the temperature of the metal and the mold, the nature of the metal, etc.

Les innovations qui ont marqué la recherche d'une solution représentent trois étapes : The innovations that marked the search for a solution represent three stages:

Première étape : 1960/1975First stage: 1960/1975

Dans le brevet français 1 376 884, la pression dans le four est assujettie à prendre des valeurs prédéterminées en fonction du temps. Mais comme la hauteur de métal dans le creuset diminue au fur et à mesure que les coulées se succèdent, la valeur prédéterminée pour un instant donné conduit à une position différente dans le moule lors de coulées successives.In French patent 1,376,884, the pressure in the oven is subject to taking predetermined values as a function of time. But as the height of metal in the crucible decreases as and measure as the successive flows, the predetermined value for a given instant leads to a different position in the mold when successive flows.

Par ailleurs, il n'est pas tenu compte d'une correction due à la température du métal qui influe sur la viscosité du métal, donc sur sa vitesse d'écoulement.In addition, no correction due to the temperature of the metal which influences the viscosity of the metal, therefore on its flow velocity.

Dans le brevet français 1 257 708 du 22/02/1960 (Griffin), le procédé utilise un dispositif de régulation pour réaliser une vitesse d'augmentation de pression constante dans le four pendant le remplissage de la pièce. Il n'y a donc pas de variation de vitesse en cours de coulée en fonction de la géométrie des différentes zones traversées par le métal. Par ailleurs il y a comme précédemment absence de correction de la vitesse par la température.In French patent 1,257,708 dated 02/22/1960 (Griffin), the method uses a regulating device to achieve a speed constant pressure increase in the oven during filling the room. There is therefore no speed variation in casting courses according to the geometry of the different zones crossed by metal. In addition, there is as before absence correction of speed by temperature.

Dans le brevet français 2 276 125 du 27/06/1975 (Honsel - Werke), on utilise une installation de coulée basse pression associée à un calculateur qui fait respecter une vitesse d'augmentation dans le four propre à chaque pièce, mais constante jusqu'au palier de maintien pour solidification et, à chaque coulée, on augmente la pression de ce palier de solidification pour tenir compte du poids de métal utilisé dans la coulée précédente.In French patent 2,276,125 dated 06/27/1975 (Honsel - Werke), we use a low pressure casting system associated with a computer which enforces a rate of increase in the oven specific to each part, but constant up to the holding level for solidification and, with each casting, the pressure of this bearing is increased solidification to take into account the weight of metal used in the previous casting.

Dans ce procédé, comme dans les précédents, la vitesse d'écoulement n'est donc pas régulée en fonction de la géométrie de la pièce dans ses diverses zones. L'absence de correction due à la température est également à noter.In this process, as in the previous ones, the speed flow is therefore not regulated according to the geometry of the room in its various areas. The lack of correction due to the temperature should also be noted.

Deuxième étape : 1972/1975Second stage: 1972/1975

Une approche différente de la précédente avait été faite par MM. LEFEBVRE et PICHOURON (Brevet Régie RENAULT n° 2 189 150 du 22/06/1972) où le passage du métal sur des capteurs déclenche des débits d'air de différentes valeurs pour faire varier la vitesse du métal, mais cette régulation est influencée par les fuites de gaz qui existent en général dans les fours industriels dont l'étanchéité ne peut être parfaite. La maítrise des débits d'air ne permet donc pas d'établir des vitesses prédéterminées.A different approach from the previous one was made by MM. LEFEBVRE and PICHOURON (RENAULT Management Patent n ° 2 189 150 of 22/06/1972) where the passage of metal on sensors triggers air flows of different values to vary the metal speed, but this regulation is influenced by leaks from gases which generally exist in industrial ovens whose sealing does not may be perfect. Controlling air flow rates therefore does not allow to establish predetermined speeds.

Troisième étape : 1979/1981Third stage: 1979/1981

Pour résoudre ce problème de l'obtention d'une vitesse prédéterminée sur le front de métal à un endroit donné, P.L. et P.A. MERRIEN ont décrit dans le brevet français 7 917 317 du 03/07/1979 et le brevet européen 55 947 du 05/01/1981 l'utilisation d'un capteur de référence placé dans la veine de métal et qui détecte le passage du métal. La pression dans le four et le temps lors du passage du métal sur le capteur sont pris comme valeur zéro pour les évolutions ultérieures de la pression dans le four. Ceci permet de s'affranchir de la hauteur du métal dans le creuset lors du départ du cycle, le zéro de pression et le zéro de temps étant toujours obtenus au même point, celui du capteur de référence.To solve this problem of obtaining a speed predetermined on the metal front at a given location, P.L. and P.A. MERRIEN described in French patent 7,917,317 of 07/03/1979 and European patent 55 947 of 01/05/1981 the use of a reference placed in the metal vein and which detects the passage of the metal. The pressure in the furnace and the time when the metal passes over the sensor are taken as zero value for subsequent changes pressure in the oven. This frees you from the height of the metal in the crucible at the start of the cycle, the zero pressure and the time zero is always obtained at the same point, that of the reference.

Cependant, le procédé ne tient pas compte de trois facteurs importants :

1) La pression peut augmenter dans le moule pendant le remplissage en raison des gaz produits par la combustion des résines, des insuffisances de porosité du sable, les moules coulés en basse pression n'étant en général pas ouverts. Cependant, une technique avec moules ouverts existe. La contre-pression produite par les gaz réduit d'autant la pression qui provoque le mouvement du métal et diminue sa vitesse. Ce phénomène est aléatoire et la régulation de la vitesse du métal doit donc être faite par la différence de pression entre le four et le moule, et non par la seule pression du four.

2) Au cours de la coulée, la hauteur du métal dans le creuset diminue et une partie de l'augmentation de la pression dans le four est utilisée pour compenser cette perte de hauteur. La vitesse prédéterminée à obtenir en un point donné doit donc tenir compte de cette variation qui peut être considérable pour de grandes pièces et atteindre l'ordre de grandeur d'un mètre, soit l'équivalent de la pression utilisée pour remplir la pièce.

3) Le capteur de référence qui détecte le passage du métal dans les brevets cités de P.L et .P.A. MERRIEN est un capteur à détection dynamique, dont l'inertie, quoique faible, se traduit par un décalage de position pour le point du moule où doit être obtenue la vitesse de métal prédéterminée.

However, the process does not take into account three important factors:

1) The pressure can increase in the mold during filling due to the gases produced by the combustion of the resins, insufficient porosity of the sand, the molds poured at low pressure are generally not open. However, a technique with open molds exists. The back pressure produced by the gases reduces the pressure which causes the metal to move and decreases its speed. This phenomenon is random and the regulation of the speed of the metal must therefore be made by the pressure difference between the oven and the mold, and not by the only pressure of the oven.

2) During casting, the height of the metal in the crucible decreases and part of the increase in pressure in the furnace is used to compensate for this loss of height. The predetermined speed to be obtained at a given point must therefore take account of this variation which can be considerable for large rooms and reach the order of magnitude of one meter, ie the equivalent of the pressure used to fill the room.

3) The reference sensor which detects the passage of metal in the cited patents of PL and .PA MERRIEN is a dynamic detection sensor, whose inertia, although low, results in a position shift for the point of the mold where must be obtained the predetermined metal speed.

La présente invention apporte une solution à ces trois problèmes qui concernent le contrôle de l'écoulement du métal :

en régulant la vitesse du métal à partir de la différence de pression entre le four et le moule,
en tenant compte de la diminution de hauteur du métal en cours de coulée,
en remplaçant le capteur dynamique par un capteur à détection statique qui définit avec précision le point origine de l'évolution de pression dans le four, et ceci dès le départ du cycle.

The present invention provides a solution to these three problems which relate to controlling the flow of metal:

by regulating the speed of the metal from the pressure difference between the oven and the mold,
taking into account the reduction in height of the metal during casting,
by replacing the dynamic sensor with a static detection sensor which precisely defines the point of origin of the pressure evolution in the oven, and this from the start of the cycle.

Le second groupe d'améliorations au procédé de coulée basse pression d'origine, le remplissage d'un moule sous vide par du métal sous pression, a fait l'objet de plusieurs approches dont essentiellement :

Brevet E2 096 074 (Charbonnier-Goliard, Société CEGEDUR)
Les deux enceintes contenant l'une le métal, l'autre le moule, sont mises sous une même dépression, puis on établit dans l'enceinte métal un excès de pression ΔP qui permet au métal de remplir le moule et qui est maintenu constant jusqu'à la fin de la solidification.
Brevet FR A2 556 996 (Belocci, Société PONT à MOUSSON).
Dans ce brevet, l'enceinte moule et l'enceinte métal sont au départ sous une même dépression ou à la pression atmosphérique. Par établissement d'une différence de pression entre les deux enceintes, le métal est amené à l'entrée du moule. A partir de ce point, dont la précision dépend de la hauteur du métal dans le four en l'absence de capteur, on applique dans le four une surpression par rapport à l'enceinte moule pour remplir le moule. La surpression est obtenue par l'introduction de gaz dans le four à travers une conduite sous une pression déterminée, sans régulation.
Brevet US A2 997 756 (C.F. STROM, 1956) et Brevet US A1 703 739 (W. KLEPSCH, 1929)
Ils concernent le remplissage d'un lingot en moule métallique, mis dans une enceinte sous vide, par un métal mis dans une enceinte dont la pression s'élève.
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN AND JPA 61 095 760 (Toyota, 1986)
Le métal et le moule sont dans deux enceintes sous pression réduite. Le remplissage se fait en augmentant la pression dans l'enceinte métal.
Brevet US 5 042 561 (CHANDLEY, Sté HITCHINER)
Le moule sous atmosphère privée d'air et portant son tube d'injection est posé sur le four qui est également avec une atmosphère sans air. Moule et four sont au départ à la pression atmosphérique. On fait un vide supplémentaire dans la chambre du moule pour faire monter le métal. Pendant la solidification, ce vide supplémentaire est maintenu.

The second group of improvements to the original low pressure casting process, the filling of a vacuum mold with pressurized metal, has been the subject of several approaches including essentially:

Patent E2 096 074 (Charbonnier-Goliard, CEGEDUR company)
The two enclosures containing one the metal, the other the mold, are put under the same depression, then one establishes in the metal enclosure an excess of pressure ΔP which allows the metal to fill the mold and which is kept constant until 'at the end of solidification.
Patent FR A2 556 996 (Belocci, PONT à MOUSSON company).
In this patent, the mold enclosure and the metal enclosure are initially under the same vacuum or at atmospheric pressure. By establishing a pressure difference between the two enclosures, the metal is brought to the mold inlet. From this point, the precision of which depends on the height of the metal in the oven in the absence of a sensor, an overpressure is applied in the oven relative to the mold enclosure to fill the mold. The overpressure is obtained by the introduction of gas into the furnace through a pipe under a determined pressure, without regulation.
US patent A2 997 756 (CF STROM, 1956) and US patent A1 703 739 (W. KLEPSCH, 1929)
They relate to the filling of an ingot in a metal mold, placed in a vacuum enclosure, with a metal placed in an enclosure whose pressure rises.
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN AND JPA 61 095 760 (Toyota, 1986)
The metal and the mold are in two chambers under reduced pressure. The filling is done by increasing the pressure in the metal enclosure.
US Patent 5,042,561 (CHANDLEY, HITCHINER Co.)
The mold under an airless atmosphere and carrying its injection tube is placed on the oven which is also with an airless atmosphere. Mold and oven are initially at atmospheric pressure. An additional vacuum is made in the mold chamber to raise the metal. During solidification, this additional vacuum is maintained.

Dans tous ces procédés, le métal remplit le moule avec des vitesses quelconques : on exerce une pression constante sur le métal (Cegedur, Pont à Mousson) ou on crée une dépression supplémentaire dans la chambre du moule (Hitchiner, Strom, Klepsch).In all of these processes, the metal fills the mold with any speed: constant pressure is exerted on the metal (Cegedur, Pont à Mousson) or we create an additional depression in the mold chamber (Hitchiner, Strom, Klepsch).

L'objet de la présente invention est double :

a) Assurer le remplissage du moule maintenu en dépression ou sous vide tout en respectant des conditions prédéterminées de vitesse en chaque point du moule pour établir en ces points des conditions qui permettent d'obtenir les caractéristiques métallurgiques optimales et de les reproduire à partir d'un seul capteur situé hors du moule et de la veine de métal. Ce capteur donne à l'appareil de régulation la position du métal dans le creuset au départ du cycle et l'évolution de cette position en cours de cycle pour lui permettre d'effectuer les corrections.

b) Assurer une solidification sous pression afin d'éviter le dégagement de gaz occlus, qui se ferait au cours d'une solidification effectuée sous vide, même partiel. Ce passage du métal d'un état sous vide à un état sous pression se fait dans la présente invention selon une évolution prédéterminée pour atteindre le niveau de pression désiré.

1) L'enceinte moule et l'enceinte creuset qui sont au départ à la pression atmosphérique sont amenées à un même niveau de dépression qui est prédéterminé.

2) Un capteur de niveau de métal mesure ce niveau et informe un appareil de pilotage.

3) Puis on injecte dans l'enceinte creuset un gaz approprié au métal à couler (air ou azote pour les alliages d'aluminium ; CO₂ + SF₆, argon + SF₆ pour les alliages de magnésium), tandis que l'enceinte moule est maintenue au niveau de vide de la première étape ou à un niveau voisin, qui évolue en raison des dégagements de gaz qui sont produits dans le moule par la combustion des résines du sable. Un appareil de pilotage reçoit à tout instant les informations des capteurs qui lui donnent :

d'une part, le ΔP entre la pression dans le moule et celle dans l'enceinte creuset,
d'autre part, la différence entre la quantité de métal dans le creuset au départ du cycle et la quantité présente à l'instant considéré. Cette diminution de la quantité de métal dans le creuset peut être déterminée par exemple en mesurant le ΔH de hauteur de la surface libre du métal liquide entre les instants considérés ou bien la différence de masse.

Par ailleurs, à l'entrée du moule, un capteur de température à réponse rapide donne la température du métal au passage, donc le AT entre la température réelle du métal et la température de référence retenue pour cette pièce au titre des paramètres. L'appareil de pilotage assujettit le ΔP corrigé par le ΔH et le ΔT à prendre des valeurs prédéterminées.

4) Lorsque le remplissage du moule est terminé, on établit sur le métal une surpression selon une évolution prédéterminée pour assurer l'alimentation de la pièce qui va se solidifier, c'est-à-dire la montée du métal liquide depuis le creuset et le système de coulée jusqu'aux zones qui vont se contracter au cours de la solidification.

5) Cette surpression ayant été établie, l'enceinte moule est rapidement mise à la pression atmosphérique, et l'enceinte creuset est portée à une pression supérieure ou égale à la pression prédéterminée supérieure à celle de l'enceinte moule. Ce stade va durer jusqu'à la fin de la solidification de la pièce. Ces pressions dans les deux enceintes, lors de la solidification de la pièce, peuvent être :

d'un niveau faible (0 à 1 bar, d'où le nom de basse pression) pour des coulées classiques,
ou d'un niveau élevé (plusieurs dizaines de bars) pour des cas spéciaux comme des pièces comportant des éléments en matériaux composites à matrice métalliques.

6) A la fin de la solidification, les deux enceintes sont décomprimées pour revenir à la pression atmosphérique avec des vitesses prédéterminées pour éviter des turbulences dans le creuset au retour du métal.

The object of the present invention is twofold:

a) Ensure the filling of the mold maintained under vacuum or under vacuum while respecting predetermined speed conditions at each point of the mold to establish at these points conditions which make it possible to obtain the optimal metallurgical characteristics and to reproduce them from a single sensor located outside the mold and the metal vein. This sensor gives the regulator the position of the metal in the crucible at the start of the cycle and the evolution of this position during the cycle to allow it to make corrections.

b) Ensure solidification under pressure to avoid the release of occluded gas, which would occur during solidification carried out under vacuum, even partial. This passage of the metal from a vacuum state to a pressurized state takes place in the present invention according to a predetermined evolution to reach the desired pressure level.

1) The mold enclosure and the crucible enclosure which are initially at atmospheric pressure are brought to the same level of depression which is predetermined.

2) A metal level sensor measures this level and informs a steering device.

3) Then a gas suitable for the metal to be cast is injected into the crucible enclosure (air or nitrogen for aluminum alloys; CO ₂ + SF ₆ , argon + SF ₆ for magnesium alloys), while the enclosure mold is maintained at the vacuum level of the first stage or at a neighboring level, which evolves due to the release of gases which are produced in the mold by the combustion of the resins of the sand. A control device receives information from the sensors at all times which gives it:

on the one hand, the ΔP between the pressure in the mold and that in the crucible enclosure,
on the other hand, the difference between the quantity of metal in the crucible at the start of the cycle and the quantity present at the instant considered. This reduction in the quantity of metal in the crucible can be determined for example by measuring the ΔH of height of the free surface of the liquid metal between the instants considered or else the difference in mass.

Furthermore, at the entrance to the mold, a quick-response temperature sensor gives the temperature of the metal on passage, therefore the AT between the actual temperature of the metal and the reference temperature adopted for this part as parameters. The piloting device subjects the ΔP corrected by the ΔH and the ΔT to take predetermined values.

4) When the filling of the mold is finished, an overpressure is established on the metal according to a predetermined evolution to ensure the supply of the part which will solidify, that is to say the rise of the liquid metal from the crucible and the casting system to the areas that will contract during solidification.

5) This overpressure having been established, the mold enclosure is quickly brought to atmospheric pressure, and the crucible enclosure is brought to a pressure greater than or equal to the predetermined pressure greater than that of the mold enclosure. This stage will last until the solidification of the part has ended. These pressures in the two enclosures, during the solidification of the part, can be:

a low level (0 to 1 bar, hence the name low pressure) for conventional casting,
or of a high level (several tens of bars) for special cases such as parts comprising elements made of composite materials with a metal matrix.

6) At the end of solidification, the two chambers are decompressed to return to atmospheric pressure with predetermined speeds to avoid turbulence in the crucible when the metal returns.

L'enceinte creuset peut également rester sous une pression résiduelle pour conserver le métal dans la partie supérieure du tube.The crucible enclosure can also remain under pressure residual to keep the metal in the upper part of the tube.

Dans les évolutions de pression après le remplissage du moule, c'est le ΔP entre l'enceinte creuset et l'enceinte moule qui sert à la régulation de la pression dans le four par l'appareil de pilotage, car le capteur de pression dans le moule est devenu inopérant après son remplissage.In pressure changes after filling the mold, it is the ΔP between the crucible enclosure and the mold enclosure which is used to the regulation of the pressure in the oven by the piloting device, because the mold pressure sensor became inoperative after filling.

A noter par ailleurs quelques cas particuliers :

Un niveau de vide zéro correspond à la coulée conventionnelle basse pression avec moule et métal à la pression atmosphérique au départ de l'injection. Le procédé apporte alors sa régulation spéciale de la vitesse du métal et de la surpression avec correction due à la hauteur du métal dans le creuset et a la température d'entrée dans le moule (cycle représenté figure 7).
Un niveau de vide au-dessus de 500 millibars résiduels est utilisé pour les alliages de magnésium, variable selon la nature de l'alliage (cycle représenté figure 5).
A la fin du remplissage du moule, on peut ne pas établir de surpression, avoir des masselottes ouvertes à la partie supérieure et assurer la solidification sous gravité de la partie haute de la pièce et sous pression de la partie basse.
Le procédé apporte dans ce cas la régulation de la vitesse lors du remplissage et le maintien du métal au niveau supérieur lors de la solidification (cycle représenté figure 9).

Note also some special cases:

A zero vacuum level corresponds to conventional low pressure casting with mold and metal at atmospheric pressure at the start of the injection. The process then brings its special regulation of the speed of the metal and of the overpressure with correction due to the height of the metal in the crucible and the temperature of entry into the mold (cycle shown in Figure 7).
A vacuum level above 500 residual millibars is used for magnesium alloys, which varies depending on the nature of the alloy (cycle shown in Figure 5).
At the end of the filling of the mold, it is possible not to establish an overpressure, to have weights open at the upper part and to ensure solidification under gravity of the upper part of the part and under pressure of the lower part.
The process brings in this case the speed regulation during filling and the maintenance of the metal at the higher level during solidification (cycle represented figure 9).

D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va suivre d'un mode de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, donnée uniquement à titre d'exemple et en référence aux dessins annexés sur lesquels :

la figure 1 est un schéma d'une installation permettant la mise en oeuvre du procédé pour les alliages d'aluminium avec vide et pression,
la figure 2 est le schéma correspondant pour les alliages de magnésium avec vide et pression,
la figure 3 est un schéma d'installation permettant la mise en oeuvre du procédé où le moule est à la pression atmosphérique, donc sans utilisation de vide, mais avec pression sur le métal,
les figures 4, 5, 7, 8 et 9 représentent des courbes graphiques de la pression en fonction du temps,
la figure 6 représente un schéma de principe du procédé de l'invention,
la figure 10 représente une vue en coupe d'un capteur de présence.

Other characteristics and advantages will emerge from the description which follows of an embodiment of the method according to the invention, given solely by way of example and with reference to the appended drawings in which:

FIG. 1 is a diagram of an installation allowing the implementation of the process for aluminum alloys with vacuum and pressure,
FIG. 2 is the corresponding diagram for magnesium alloys with vacuum and pressure,
FIG. 3 is an installation diagram allowing the implementation of the process where the mold is at atmospheric pressure, therefore without the use of vacuum, but with pressure on the metal,
FIGS. 4, 5, 7, 8 and 9 represent graphical curves of the pressure as a function of time,
FIG. 6 represents a block diagram of the process of the invention,
Figure 10 shows a sectional view of a presence sensor.

Dans l'installation représentée figure 1, le four étanche 1 est chauffé par des résistances 2 non protégées, car fonctionnant en présence d'air pour l'aluminium. Le creuset 3 contient le métal.In the installation shown in FIG. 1, the sealed oven 1 is heated by 2 unprotected resistors, because operating in presence of air for aluminum. The crucible 3 contains the metal.

Un tube 4 relie le creuset 3 au moule 5. Il est muni à sa partie supérieure d'un ensemble chauffé électriquement et régulé -1 qui constitue avec le tube un ensemble monobloc. Cette partie supérieure, appelée buse, est dans la technique habituelle des coulées basse pression, séparée du tube pour des raisons de démontabilité. Mais dans les applications avec mise sous vide du moule 5, la surface d'appui entre la buse et le tube devrait être munie de joints toriques pour assurer l'étanchéité. Ils sont réalisés en polymère et, étant susceptibles d'être détruits à 250°C, ils doivent être refroidis par des chambres de circulation d'air dans les semelles d'appui de la buse et du tube. Tout défaut d'étanchéité à ce niveau provoque une entrée d'air dans le métal du tube et donc des inclusions d'air dans la pièce en cours de réalisation par remplissage du moule.A tube 4 connects the crucible 3 to the mold 5. It is provided at its part upper of an electrically heated and regulated set -1 which constitutes with the tube a one-piece assembly. This upper part, called nozzle, is in the usual technique of low flow pressure, separated from the tube for reasons of disassembly. But in applications with evacuation of the mold 5, the support surface between nozzle and tube should have O-rings to ensure sealing. They are made of polymer and, being likely to be destroyed at 250 ° C, they must be cooled by air circulation in the nozzle and tube support flanges. All leakage at this level causes air to enter the metal of the tube and therefore of the air inclusions in the room in progress by filling the mold.

Ces inclusions d'air forment des bulles qui sont à la pression atmosphérique à 20°, passent dans la veine de métal à 750°C et sous quelques millibars (3 à 10 mbar). Leur volume est ainsi multiplié par un facteur de 1 000.These air inclusions form bubbles which are under pressure atmospheric at 20 °, pass through the metal vein at 750 ° C and below a few millibars (3 to 10 mbar). Their volume is thus multiplied by a factor of 1,000.

Ces bulles éclatent et se dispersent dans la pièce sous forme d'un fin brouillard qui, après solidification du métal, va fragiliser fortement la structure de la pièce. L'intérêt de les supprimer apparaít donc clairement.These bubbles burst and disperse in the room as a fine mist which, after solidification of the metal, will weaken strongly the structure of the room. The interest of deleting them appears so clearly.

Les joints polymères 4₂ à la partie supérieure de la buse sont refroidis par la plaque portant le moule dont la température est comprise entre 20 et 40°C, et ce refroidissement leur assure un fonctionnement satisfaisant.The polymeric seals 4 ₂ at the upper part of the nozzle are cooled by the plate carrying the mold, the temperature of which is between 20 and 40 ° C., and this cooling ensures their satisfactory operation.

L'ensemble monobloc tube-buse est électriquement chauffé et régulé.The one-piece tube-nozzle assembly is electrically heated and regulated.

Cet ensemble repose sur le plateau mobile 7 et est appliqué sous la table de coulée 8 par la poussée verticale du four qui est monté sur un vérin.This assembly rests on the movable plate 7 and is applied under the casting table 8 by the vertical thrust of the oven which is mounted on a jack.

Le moule 5 est sur la table de coulée 8.The mold 5 is on the casting table 8.

Dans le four, les moyens de détermination en continu de la quantité de métal présent dans le creuset comprennent un capteur de mesure de hauteur constitué par un flotteur 10 à l'extrémité d'un levier 11 articulé en 12.In the oven, the means for continuously determining the amount of metal present in the crucible include a height measurement constituted by a float 10 at the end of a lever 11 articulated in 12.

Le secteur 13 est solidaire du levier 11 et entraíne une roue dentée 14 qui entraíne elle-même un capteur de mesure d'angle de type classique par exemple comme les potentiomètres rotatifs. La roue dentée 14 est également solidaire du moteur pour être amenée dans une position déterminée servant de référence.Sector 13 is integral with lever 11 and drives a wheel toothed 14 which itself drives a type angle measurement sensor classic for example like rotary potentiometers. Wheel tooth 14 is also integral with the motor to be brought into a determined position for reference.

Le flotteur 10 est en graphite pour résister à la dissolution par l'aluminium liquide et être d'une densité plus faible. Les autres éléments du dispositif sont en acier réfractaire résistant à la corrosion à haute température vis-à-vis des gaz corrosifs qui sont utilisés dans le cas du magnésium. le capteur de hauteur de métal donne ses indications à l'appareil de pilotage 15. The float 10 is made of graphite to resist dissolution by liquid aluminum and be of lower density. The other elements of the device are made of high corrosion resistant refractory steel temperature vis-à-vis the corrosive gases which are used in the case of magnesium. the metal height sensor gives its indications to the steering device 15.

Le four porte une canalisation 17 d'injection de gaz avec son électrovanne pilotée 18 à ouverture proportionnelle dirigée par l'appareil de pilotage 15 et un tube de décompression 19 avec son électrovanne pilotée 20 qui est par exemple du type tout ou rien.The oven carries a gas injection pipe 17 with its pilot operated solenoid valve 18 with proportional opening directed by the control device 15 and a decompression tube 19 with its solenoid piloted 20 which is for example of the all or nothing type.

La vanne proportionnelle de mise en pression apporte en effet une vitesse régulière de montée au métal à l'inverse d'une vanne tout ou rien qui donne des petits paliers d'arrêt dans le cas des basses vitesses, inférieures à 3 à 4 cm par seconde. Par contre, à la décompression, la pièce est solide et la vanne tout ou rien est sans inconvénient.The proportional pressurizing valve provides indeed a regular speed of rise to the metal contrary to a valve all or nothing that gives small stops in the case of low speeds, less than 3 to 4 cm per second. However, when decompressing, the part is solid and the all-or-nothing valve has no disadvantages.

Des capteurs de pression sont disposés, dans le moule 5 en 26, dans la cloche 35 en 44, dans le four 1 en 30 et à l'entrée du moule est prévu un capteur de température de métal, couple à réponse rapide 27.Pressure sensors are arranged in the mold 5 in 26, in the bell 35 at 44, in the oven 1 at 30 and at the entrance to the mold fast response torque metal temperature sensor is provided 27.

La cloche 35 est mise sous vide par la tubulure 36-38 avec son électrovanne 37 ; le four 1 est mis sous vide par le tube 40 muni d'une électrovanne. Les deux canalisations venant du four et de la cloche sont reliées à la pompe à vide 47.The bell 35 is evacuated by the tubing 36-38 with its solenoid valve 37; the oven 1 is evacuated by the tube 40 provided a solenoid valve. The two pipes coming from the oven and the bell are connected to the vacuum pump 47.

La cloche 35 porte un tube de mise à l'air libre 41 avec son électrovanne 42. Toutes les informations des capteurs arrivent dans le pupitre 28 qui contient en outre des automates programmables pour diriger les actions autres que celles du cycle de coulée (mouvements du four, du moule...).The bell 35 carries a vent tube 41 with its solenoid valve 42. All information from the sensors arrives in the console 28 which also contains programmable logic controllers for direct actions other than those of the casting cycle (movements of the oven, mold ...).

Par ailleurs, un capteur de présence, situé dans la buse, permet de détecter le passage du métal lorsqu'il se présente devant lui. Il est composé selon la figure 9 d'un tube 60 en acier réfractaire à l'extrémité duquel est une pastille 61 sur laquelle est sondée l'extrémité d'un couple 62. Dans l'intérieur, il y a une circulation d'air comprimé, avec arrivée 63 portant son électrovanne 64 et une sortie à l'air libre 65. L'électrovanne 64 est à ouverture proportionnelle.In addition, a presence sensor, located in the nozzle, can detect the passage of metal when it comes before him. he is composed according to Figure 9 of a tube 60 of refractory steel to the end of which is a patch 61 on which the end is probed of a couple 62. In the interior, there is a circulation of compressed air, with inlet 63 carrying its solenoid valve 64 and an outlet in the open air 65. The solenoid valve 64 is proportional opening.

Elle est pilotée par l'appareil de pilotage 15 pour obtenir sur la pastille 61, avant départ du cycle de coulée, une température dans un intervalle déterminé qui est nécessaire pour avoir une détection satisfaisante du choc thermique.It is controlled by the control device 15 to obtain on the pellet 61, before the start of the casting cycle, a temperature in a determined interval which is necessary to have a detection satisfactory thermal shock.

Cette circulation d'air qui refroidit la pastille 61 permet de protéger le couple contre la dissolution par l'aluminium liquide et permet d'enregistrer le choc thermique lors du passage du métal. Ce traitement est fait par le logiciel de l'appareil de pilotage 15 qui reçoit les informations du capteur. L'appareil de pilotage s'en sert non pour diriger la courbe du cycle de coulée qui est sous la dépendance du capteur de hauteur de métal, mais il s'en sert dans ses calculs dans le cas des coulées sans surpression, avec moules ouverts.This air circulation which cools the pellet 61 makes it possible to protect the couple against dissolution by liquid aluminum and allows to record the thermal shock during the passage of the metal. This processing is done by the software of the control device 15 which receives sensor information. The piloting device does not use it for direct the curve of the casting cycle which is dependent on the metal height sensor, but it uses it in its calculations in the case castings without overpressure, with open molds.

Une deuxième forme du dispositif pour mettre en oeuvre le procédé existe pour les applications aux alliages de magnésium et est représentée figure 2 avec possibilité de vide sur le moule et/ou d'atmosphère spéciale protectrice.A second form of the device for implementing the process exists for applications to magnesium alloys and is shown in Figure 2 with the possibility of vacuum on the mold and / or special protective atmosphere.

Le dispositif est le même que précédemment et, sur la figure 2, les éléments correspondant à ceux de figure sont affectés d'un indice b au lieu de a.The device is the same as before and, in the figure 2, the elements corresponding to those of figure are assigned an index b instead of a.

Les modifications pour le magnésium sont :

La buse 41 liée en un ensemble monobloc au tube 4 possède une chambre 51 au sommet de laquelle on injecte un gaz protecteur CO₂ + SF₆ ou argon + SF₆ par le tube 52 munie de l'électrovanne 53. Cette injection se fait entre deux coulées, elle permet de protéger le métal du tube 4, car la protection faite sur le creuset 3 ne l'atteint pas. Cette injection sur la buse est interrompue par l'électrovanne au départ du cycle de coulée.
Le dispositif comporte un tube 61.1 d'injection de gaz protecteur dans la cloche 35 muni d'une électrovanne 62.1. La cloche 35 portant le moule 5 est un ensemble mobile. Avant de se présenter sur le poste de coulée, la cloche est mise sous vide, puis on introduit du gaz protecteur argon SF6 et on recommence ce cycle de purge jusqu'à obtenir une atmosphère protectrice totalement satisfaisante. La cloche 35 maintenue sous une légère surpression de gaz argon - SF₆ est alors amenée sur le poste de coulée. Ces dispositions permettent de couler le magnésium en l'absence d'oxygène.
Les résistances 2 sont placées dans des tubes 50 en acier réfractaire pour être isolées des gaz corrosifs quand ils sont à haute température. Ces tubes sont d'épaisseur suffisante pour ne pas se déformer sous l'effet du vide ou de la pression du four 1.
Des isolants en matériaux alumineux et non siliceux sont disposés entre la carcasse 1b du four et les résistances 2 pour résister à la corrosion des mêmes gaz.

The modifications for magnesium are:

The nozzle 41 linked in a one-piece assembly to the tube 4 has a chamber 51 at the top of which a protective gas CO ₂ + SF ₆ or argon + SF ₆ is injected through the tube 52 provided with the solenoid valve 53. This injection takes place between two flows, it protects the metal of the tube 4, because the protection made on the crucible 3 does not reach it. This injection on the nozzle is interrupted by the solenoid valve at the start of the casting cycle.
The device comprises a tube 61.1 for injecting protective gas into the bell 35 provided with a solenoid valve 62.1. The bell 35 carrying the mold 5 is a movable assembly. Before appearing on the casting station, the bell is placed under vacuum, then protective argon gas SF6 is introduced and this purge cycle is repeated until a completely satisfactory protective atmosphere is obtained. The bell 35 maintained under a slight overpressure of argon gas - SF ₆ is then brought to the casting station. These provisions allow the magnesium to flow in the absence of oxygen.
Resistors 2 are placed in tubes 50 of refractory steel to be isolated from corrosive gases when they are at high temperature. These tubes are of sufficient thickness not to deform under the effect of the vacuum or the pressure of the furnace 1.
Insulators made of aluminous and non-siliceous materials are placed between the carcass 1b of the furnace and the resistors 2 to resist corrosion of the same gases.

Une troisième forme de réalisation du dispositif permettant de mettre en oeuvre le procédé est représentée figure 3. Dans ce cas, le moule est maintenu à la pression atmosphérique et sans gaz protecteur. Il n'y a pas de cloche.A third embodiment of the device allowing to implement the method is shown in Figure 3. In this case, the mold is maintained at atmospheric pressure and without protective gas. There is no bell.

Les autres éléments sont identiques à ceux des figures 1 ou 2. Ce mode de réalisation peut aussi s'appliquer à l'aluminium ou au magnésium à condition de prévoir les dispositions spéciales indiquées précédemment.The other elements are identical to those of FIGS. 1 or 2. This embodiment can also be applied to aluminum or magnesium provided that the special provisions indicated are provided previously.

Le fonctionnement de l'ensemble est décrit ci-après avec le mode de réalisation du dispositif représenté sur la figure 1 (aluminium sous vide et pression). Dans le cas du magnésium (figure 2), le cycle est identique moyennant certaines modifications qui sont signalées dans la description.The operation of the assembly is described below with the embodiment of the device shown in Figure 1 (aluminum under vacuum and pressure). In the case of magnesium (Figure 2), the cycle is identical with certain modifications which are indicated in the description.

Le moule 5 a été muni de capteurs de présence 31 (fils se mettant à la masse lors du passage du métal) pour effectuer des changements de vitesse dans la courbe de pression du four en fonction du temps si l'opération de coulée est destinée à une mise au point.The mold 5 was fitted with presence sensors 31 (wires earth during the passage of metal) to perform speed changes in the oven pressure curve as a function time if the casting operation is intended for development.

L'appareil de pilotage 15 a reçu tous les paramètres retenus (niveau de vide à atteindre, vitesses de pression dans le four en divers points de la courbe entraínant des vitesses différentes pour le front du métal, valeurs de surpression, temps de maintien, vitesse de décompression, température théorique du métal à l'entrée du moule, surface du creuset, poids et hauteur de la pièce, etc.). Les tableaux 1 et 2 donnent deux exemples des paramètres utilisés dans une coulée sous vide, respectivement d'un alliage d'aluminium d'une part et de magnésium d'autre part. Ces inscriptions figurent sur l'écran de l'appareil de pilotage 15 avant la coulée. Elles peuvent être modifiées selon des procédures classiques d'intervention sur les ordinateurs. La courbe correspondant au tableau 1 est illustrée sur la figure 4, celle correspondant au tableau 2 est illustrée sur la figure 5.The control device 15 has received all the parameters retained (vacuum level to be reached, various pressure speeds in the oven points of the curve resulting in different speeds for the front of the metal, overpressure values, holding time, speed of decompression, theoretical temperature of the metal entering the mold, surface of the crucible, weight and height of the part, etc.). Tables 1 and 2 give two examples of the parameters used in a sub casting vacuum, respectively of an aluminum alloy on the one hand and magnesium on the other hand. These inscriptions appear on the screen of the control device 15 before casting. They can be changed using standard computer intervention procedures. The curve corresponding to table 1 is illustrated in figure 4, that corresponding to Table 2 is illustrated in Figure 5.

Les deux enceintes, celle du métal 1 et celle du moule 35, sont à la pression atmosphérique. L'enceinte moule peut être sous atmosphère protectrice comme indiqué précédemment.The two enclosures, that of metal 1 and that of mold 35, are at atmospheric pressure. The mold enclosure can be under protective atmosphere as previously indicated.

Le module de sécurité compris dans le bloc 28 associé à l'appareil de pilotage 15 vérifie que les conditions nécessaires au bon fonctionnement de la machine sont satisfaisantes, en particulier :

que le moule 5 est verrouillé sur la table 8,
que l'étanchéité entre tube 4 et moule 5 est satisfaisante,
que l'injection de gaz dans le tube 4 (cas du magnésium) se fait bien, que le four 1 est décomprimé, etc.

The security module included in block 28 associated with the control device 15 verifies that the conditions necessary for the proper functioning of the machine are satisfactory, in particular:

that the mold 5 is locked on the table 8,
that the seal between tube 4 and mold 5 is satisfactory,
that the injection of gas into the tube 4 (case of magnesium) is done well, that the oven 1 is decompressed, etc.

Si toutes ces conditions de sécurité sont satisfaites et si la température du métal et celle de la buse sont aux valeurs théoriques à la tolérance près, la coulée peut commencer.If all these safety conditions are met and if the temperature of the metal and that of the nozzle are at theoretical values at the tolerance, casting can begin.

L'opérateur met la pompe à vide 47 en marche ; les électrovannes 37 et 40 sont ouvertes par l'appareil de pilotage 15 et les deux enceintes 1, 35 sont portées au niveau de vide désiré (phases 1 et 2 de la courbe figure 4).The operator starts the vacuum pump 47; the solenoid valves 37 and 40 are opened by the control device 15 and the two chambers 1, 35 are brought to the desired vacuum level (phases 1 and 2 of the curve in figure 4).

Pendant cette phase qui précède le départ de l'injection de métal, l'appareil de pilotage vérifie que le fonctionnement du détecteur de niveau de métal dans le creuset 3 est correct l'engrenage 14 relève alors le secteur 13, puis est ramené à la position de départ et on vérifie que l'indication du capteur de déplacement revient à la valeur de départ, que le niveau de vide désiré pour les deux enceintes est atteint. Toutes ces conditions sont affectées d'une toléranceDuring this phase which precedes the start of the injection of metal, the control device checks that the detector works level of metal in crucible 3 is correct the gear 14 raises then sector 13, then is brought back to the starting position and we check that the indication of the displacement sensor returns to the initial value, that the desired vacuum level for both speakers is reached. All these conditions are affected by a tolerance

Si toutes ces conditions sont satisfaites, l'appareil de pilotage donne l'autorisation de démarrer la coulée. Au déclenchement de l'injection par l'opérateur :

la vanne 40 de mise sous vide du four 1 se ferme,
la vanne 18 de mise en pression du four s'ouvre,
la vanne 53 d'injection de gaz dans la buse se ferme, (dans le cas du magnésium),
la vanne 42 de mise à l'air libre de la cloche 35 se ferme.

If all these conditions are satisfied, the piloting device gives the authorization to start the casting. At the start of the injection by the operator:

the oven vacuum valve 40 closes,
the oven pressure valve 18 opens,
the valve 53 for injecting gas into the nozzle closes, (in the case of magnesium),
the valve 42 for venting the bell 35 closes.

Au cours de la phase 3, l'appareil de pilotage établit dans le four une évolution de pression conforme aux paramètres qu'il a reçus pour remplir le tube. La vitesse du métal est assez rapide (20 cm/s environ pendant cette phase 3 de la courbe de la figure 4).During phase 3, the piloting device established in the furn a pressure evolution in accordance with the parameters it received to fill the tube. The metal speed is quite fast (20 cm / s approximately during this phase 3 of the curve of FIG. 4).

Pour la phase 4, lorsque le métal arrive à la partie inférieure de la buse, l'appareil de pilotage ralentit sa vitesse (3 cm/s) jusqu'à l'entrée dans le moule au passage sur le capteur de température 27 (cette phase 4 de la courbe commence à l'entrée de la buse et se termine après le passage sur le capteur de température 27). For phase 4, when the metal reaches the bottom of the nozzle, the control device slows down its speed (3 cm / s) until the entry into the mold in passing on the temperature sensor 27 (this phase 4 of the curve begins at the entrance of the nozzle and ends after the passage on the temperature sensor 27).

Au passage, le métal a été détecté par le capteur de présence 31 de la buse.On the way, the metal was detected by the presence sensor 31 of the nozzle.

A la phase 5, le métal pénètre dans le moule 5 et l'appareil de pilotage 15 établit dans le four 1 une pression qui tient compte des paramètres reçus avant la coulée et des corrections que l'appareil apporte en raison :

de la hauteur du métal qui évolue dans le creuset 3,
et de la température du métal qui a été détectée au passage sur le capteur 27.

In phase 5, the metal enters the mold 5 and the control device 15 establishes in the furnace 1 a pressure which takes account of the parameters received before casting and the corrections that the device makes due to:

of the height of the metal which evolves in the crucible 3,
and of the temperature of the metal which was detected in passing on the sensor 27.

Ces corrections peuvent atteindre le même ordre de grandeur que les paramètres à respecter ; elles sont donc indispensables pour établir en chaque point du moule des conditions appropriées et prédéterminées. Pendant cette phase 5 de remplissage, la vitesse évolue, dirigée par l'appareil de pilotage, comme indiqué, à partir de la différence de pression dans le four 1 (capteur 30) et dans le moule 5 (capteur 26). Les changements de vitesse se font à partir des capteur de présence du moule dans le cas des coulées de mise au point ou par le temps des phases si la coulée est faite dans des conditions automatiques, sans capteur de présence.These corrections can reach the same order of magnitude that the parameters to be respected; they are therefore essential for establish at each point of the mold appropriate conditions and predetermined. During this filling phase 5, the speed changes, steered by the piloting device, as shown, from the pressure difference in oven 1 (sensor 30) and in mold 5 (sensor 26). The gear changes are made from the presence of the mold in the case of development castings or by the phase time if casting is done under automatic conditions, without presence sensor.

La phase 6 correspond à la fin du remplissage du moule, l'appareil de pilotage établit une surpression sur le métal selon des paramètres prédéterminés de vitesse et de temps pour éviter la pénétration du métal entre les grains de sable (abreuvage) de la paroi du moule.Phase 6 corresponds to the end of the filling of the mold, the piloting device establishes an overpressure on the metal according to predetermined speed and time settings to avoid the penetration of the metal between the grains of sand (watering) of the wall of the mold.

La phase 7 correspond à la fin de cet établissement de surpression qui dure de l'ordre de 6 s, l'enceinte moule 5 est ramenée à la pression atmosphérique rapidement (2 à 3 s) par fermeture de la vanne 37 de vide et ouverture de la vanne 42 de mise à l'air libre et le four 1 est mis très rapidement à une pression supérieure en fonction de l'application envisagée :

pression inférieure à 1 bar pour les coulées conventionnelles,
ou plus élevée jusqu'à plusieurs dizaines de bars pour des applications spéciales, comme des pièces comportant des éléments de matériaux composites. La pression finale dans l'enceinte moule peut être différente de la pression atmosphérique.

Phase 7 corresponds to the end of this overpressure establishment which lasts on the order of 6 s, the mold enclosure 5 is brought back to atmospheric pressure quickly (2 to 3 s) by closing the vacuum valve 37 and opening of the valve 42 for venting and the furnace 1 is very quickly brought to a higher pressure depending on the application envisaged:

pressure less than 1 bar for conventional casting,
or higher up to several tens of bars for special applications, such as parts comprising elements of composite materials. The final pressure in the mold enclosure may be different from atmospheric pressure.

A la phase 8, lorsque ces pressions ont été atteintes dans les deux enceintes, l'appareil de pilotage maintient les niveaux obtenus pendant le temps de solidification de la pièce. La régulation est faite par la différence de pression entre la pression du four (capteur 30) et la pression cloche (capteur 44), car le capteur du moule 26 est devenu inopérant, l'atmosphère du moule ayant disparu.In phase 8, when these pressures have been reached in the two speakers, the control device maintains the levels obtained during the solidification time of the part. The regulation is made by the pressure difference between the oven pressure (sensor 30) and the bell pressure (sensor 44), because the mold sensor 26 has become inoperative, the mold atmosphere having disappeared.

A la phase 9, au terme de la solidification, donné par l'indication temps des paramètres de la pièce ou par l'indication d'un capteur de température du métal, le four est décomprimé. Il revient à la pression atmosphérique, selon une courbe prédéterminée par action de l'appareil de pilotage sur la vanne pilotée 20 pour éviter les turbulences provoquées par le retour du métal dans le creuset 3. Cette courbe peut traduire une dépressurisation linéaire et prendre la forme d'une droite correspondant à une vitesse de dépressurisation d₁ ou d₂. Ces vitesses sont reliées de manière proportionnelle à la vitesse de descente du métal dans le tube sous l'effet de la dépressurisation du four et sont donc exprimées dans les tableaux 1 et 2 en cm/s.In phase 9, at the end of solidification, given by the time indication of the parameters of the part or by the indication of a metal temperature sensor, the oven is decompressed. It returns to atmospheric pressure, according to a predetermined curve by action of the piloting device on the piloted valve 20 to avoid turbulence caused by the return of the metal in the crucible 3. This curve can translate a linear depressurization and take the form a straight line corresponding to a depressurization speed d ₁ or d ₂ . These speeds are proportional to the rate of descent of the metal into the tube under the effect of the depressurization of the furnace and are therefore expressed in Tables 1 and 2 in cm / s.

On peut également contrôler le refroidissement et la solidification du métal en injectant de l'azote liquide dans le moule à des endroits prédéterminés.You can also control the cooling and solidification of the metal by injecting liquid nitrogen into the mold predetermined locations.

La pression finale du four peut être différente de la pression atmosphérique, en particulier si on veut laisser le métal dans le haut du creuset.The final oven pressure may be different from the pressure atmospheric, especially if you want to leave the metal at the top of the crucible.

Différents cas particuliers se présentent, qui ont été indiqués précédemment :Different special cases arise, which have been indicated previously:

La figure 5 correspond au cycle pour alliage de magnésium avec vide de départ limité à un niveau permettant d'éviter l'émission de vapeur de magnésium.Figure 5 corresponds to the cycle for magnesium alloy with a starting vacuum limited to a level making it possible to avoid the emission of magnesium vapor.

La figure 7 correspond au cycle sans vide sur le métal et sur le moule, c'est-à-dire la coulée basse pression conventionnelle. Le procédé apporte alors le pilotage de la courbe de coulée pour obtenir les conditions prédéterminées et, dans le cas du magnésium, le moule est sous la cloche 35 de la figure 2 pour être maintenu sous atmosphère spéciale.Figure 7 corresponds to the cycle without vacuum on the metal and on the mold, that is to say conventional low pressure casting. The process then provides control of the casting curve to obtain the predetermined conditions and, in the case of magnesium, the mold is under the bell 35 of Figure 2 to be kept under atmosphere special.

Par ailleurs, dans le cas du magnésium, les résistances doivent être dans des tubes résistant à la corrosion du CO₂-SF₆ et ne sont pas sous vide. Quant aux isolants du four, ils sont à base de matériaux susceptibles de n'être pas attaqués par le CO₂-SF₆.Furthermore, in the case of magnesium, the resistors must be in tubes resistant to corrosion of CO ₂ -SF ₆ and are not under vacuum. As for the oven insulators, they are based on materials which may not be attacked by CO ₂ -SF ₆ .

La figure 8 correspond au cycle de pression avec vide, mais sans surpression sur le métal après la fin du remplissage du moule. La cloche est ramenée à la pression atmosphérique et le four est porté à une pression supérieure à la pression atmosphérique en maintenant constante la différente de pression ΔP qui existe à la fin du remplissage du moule. Ce procédé permet de couler un moule sous vide avec masselottes ouvertes pour que la partie basse de la pièce se solidifie sous pression avec alimentation venant du système de coulée et que la partie haute se solidifie sous pression atmosphérique avec alimentation par les masselottes ouvertes à la partie supérieure.Figure 8 corresponds to the vacuum pressure cycle, but without overpressure on the metal after the filling of the mold. The bell is brought to atmospheric pressure and the oven is brought to a pressure above atmospheric pressure while maintaining constant the pressure difference ΔP that exists at the end of filling of the mold. This process allows a mold to be poured under vacuum with weights open so that the lower part of the part solidifies under pressure with feed from the casting system and the upper part solidifies at atmospheric pressure with supply by the flyweights open at the top.

La figure 9 correspond à un cycle de coulée analogue mais sans vide.Figure 9 corresponds to a similar casting cycle but without vacuum.

Ces sept cycles dont le nombre n'est pas limitatif ne diffèrent donc que par la valeur des paramètres utilisés par l'appareil de pilotage.These seven cycles, the number of which is not limitative, do not differ therefore only by the value of the parameters used by the control device.

Celui-ci est constitué sous sa forme la plus simple par un micro-ordinateur servi par un logiciel qui permet de diriger ces cycles à partir de deux éléments indépendants des paramètres :

la quantité ou la hauteur du métal dans le creuset à l'origine et tout au long du cycle,
et la température du métal à l'entrée du moule.

This is made up in its simplest form by a microcomputer served by a software which makes it possible to direct these cycles starting from two independent elements of the parameters:

the quantity or the height of the metal in the crucible at the origin and throughout the cycle,
and the temperature of the metal at the entrance to the mold.

Le schéma de la figure 6 représente le principe du procédé de l'invention dans les différents cas :

A : désigne la mesure de pression prise dans le four 1 par le capteur 30.
B : désigne la mesure de pression prise dans le moule 5 par le capteur 26.
C : désigne la mesure du niveau de matériau en cours de coulée dans le creuset 3 par le capteur de mesure de hauteur 10-14.
D : désigne la température de l'alliage prise à son entrée dans le moule par le capteur 27.

The diagram in FIG. 6 represents the principle of the method of the invention in the different cases:

A: designates the pressure measurement taken in the furnace 1 by the sensor 30.
B: designates the pressure measurement taken in the mold 5 by the sensor 26.
C: designates the measurement of the level of material being poured into the crucible 3 by the height measurement sensor 10-14.
D: designates the temperature of the alloy taken at its entry into the mold by the sensor 27.

Ces différentes mesures sont transmises à un étage de comparaison E de l'appareil de pilotage 15 et comparées à des paramètres de référence préalablement déterminés et inscrits dans l'appareil 15. These various measurements are transmitted to a floor of comparison E of the steering apparatus 15 and compared to reference parameters previously determined and entered in the appliance 15.

L'appareil de pilotage 15 commande alors l'électrovanne 18 afin d'ajuster la pression dans le four 1 pour que la vitesse de coulée corresponde aux paramètres préalablement inscrits.

The control device 15 then controls the solenoid valve 18 in order to adjust the pressure in the furnace 1 so that the casting speed corresponds to the parameters previously entered.

Claims

A process of low pressure pouring into a mould under vacuum, more particularly intended for the production of parts having thin portions, from a crucible placed in a furnace, of the type comprising the steps of: communicating the mould and the furnace under one vacuum; introducing the metal into the mould by pressurising the furnace; once filling is complete, bringing the mould and the furnace down to pressure values higher than, or equal to, the atmospheric pressure, the mould pressure remaining higher than the furnace pressure; and maintaining these pressure values during the cooling and solidification of the metal; and finally depressurising the furnace to bring it back to the atmospheric pressure,
characterised in that the variations of the metal velocity and pressure at any point inside the mould are controlled from the origin to predetermined values based on the amount of metal in the crucible at the origin and throughout the cycle.
A process according to claim 1, characterised in that the amount of metal is taken as a function of the metal height in the crucible.
A process according to claim 1 or claim 2, characterised in that the variations of the metal velocity and pressure at any point inside the mould are controlled from the origin to predetermined values based on the temperature of the metal at the mould inlet.
A process according to any one of claims 1, 2 or 3, characterised in that the mould and the crucible are placed inside two separate chambers and in that both chambers are brought to the same pressure or vacuum level, wherein said level can be the atmospheric pressure level, then a pressure difference is created between the two chambers so that the metal is introduced into the mould, a pressurisation is established once filling is complete, and the two chambers are brought to final pressure values and maintained at these values during solidification, then they are depressurised.
A process according to any one of claims 1 to 4, characterised in that the cooling and solidification of the metal is controlled by injection of liquid nitrogen at predetermined locations into the mould.
A device for practising the process according to any one of claims 1 to 5, comprising a crucible (3) placed in a tight furnace (1a); a mould placed under a bell (35), the furnace and the bell being connected to a vacuum pump (47) via pipes fitted with isolating solenoid valves (37, 40); and communication means between the furnace and the mould,
characterised in that it further comprises means for continuously determining the amount of metal, said means being coupled to a pilot device (15) that applies a pressure profile inside the furnace in order to create the predetermined velocity and pressure conditions inside the mould.
A device according to claim 6, characterised in that the means for determining the amount of metal in the crucible comprise a slewable lever (11) carrying at its end a removable float (10) for positioning on the free surface of the metal and fitted with a toothed sector (13) moving in contact with a gear mechanism (14) driven by a motor, and connected to a rotation sensor associated to said pilot device (15).
A device according to claim 6 or claim 7, characterised in that the communications means between the furnace and the mould comprise a tube and a nozzle forming an integral member, said nozzle being electrically heated and controlled to have the predetermined temperature defined in the casting parameters for the part.
A device according to claim 8, characterised in that the nozzle is fitted with a sensor for detecting the passage of the metal, comprising a tube (60) closed by means of a cap (61) on which the end of a thermocouple (62) is fastened, the tube having one air inlet (63) and one air escape (65) for cooling the cap before a pouring cycle is started so that it is maintained at a predetermined temperature.
A device according to claim 8, characterised in that the nozzle is fitted with a chamber into which a protective gas is injected for protecting the metal in the tube and fitted at its upper part with sealing rings cooled by a chamber with air circulation located inside the upper flange of the nozzle.
A device according to any one of claims 6 to 9, characterised in that the pilot device (15) performs the control by operating a proportional valve fitted on the air inlet and analyses the data from the sensor in order to detect the passage of the metal by the thermal shock produced on the cap carrying the thermocouple.
A device according to any one of claims 6 to 10, characterised in that, for pouring magnesium alloys, the heating elements are placed in refractory steel tubes having an internal volume which is at the atmospheric pressure or at a pressure different from the furnace pressure and being dimensioned to withstand at 900 °C the positive or negative pressures that exist in the furnace.
A device according to any one of claims 6 to 11, characterised in that the furnace insulation is made of materials free of silica products, e.g. alumina-based products, capable of withstanding the aggression of CO₂ - SF₆.
Use of the process according to any one of claims 1 to 5 for casting parts made of metallic alloys such as Al, Mg, Cu, Fe, Cr, Ni alloys and/or parts having portions made of fibre impregnated by the metal, or parts made of organic polymers.