EP1372887B1 - Procede de traitement de moules en materiau refractaire ou carapaces destines au moulage a modeles perdus de pieces de fonderie en particulier en alliages d'aluminium - Google Patents

Procede de traitement de moules en materiau refractaire ou carapaces destines au moulage a modeles perdus de pieces de fonderie en particulier en alliages d'aluminium Download PDF

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EP1372887B1
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shell
refractory material
treating
metal material
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/12—Treating moulds or cores, e.g. drying, hardening
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/02—Sand moulds or like moulds for shaped castings
    • B22C9/04—Use of lost patterns

Definitions

  • the present invention relates to a method of treating molds of refractory material or shells for the casting of lost parts of castings, in particular aluminum alloys in order to increase the solidification rate of these castings.
  • lost models which has the advantage of allowing to produce parts of high accuracy.
  • the casting step of the metal is carried out in refractory material molds called shells made of alumina silicate, sand, zircon, silica, ceramics or plaster which are manufactured in a preliminary step.
  • the refractory material in the form of a refractory liquid slip is applied in layers around a model immersed in a tank mechanically agitated thanks to a dusting machine or a fluidized bed.
  • the foundry casing molds generally comprise between 6 and 9 successive layers of refractory material.
  • the model leaves in its place in the carapace an impression, in which one can cast the alloy by gravity, by low-pressure casting or by suction, this in the open air, under vacuum or under a controlled atmosphere.
  • the casting part thus molded is unchecked, that is to say out of the shell in which it has been cast. then subjected to conventional finishing and heat treatment operations.
  • the lost-model molding process has the advantage of making it possible to obtain very thin castings having a complex geometry.
  • This alteration of the mechanical properties of an alloy as its cooling rate decreases is mainly due to an increase in grain size and dimensions of the solidification dendrites.
  • the metal particles intimately come into contact with the refractory material constituting the shell so as to form a composite shells refractory material / metal much more conductive heat than the base shell and thus removing the calories much faster.
  • lost-shell foundry molds generally comprise several successive layers of refractory material.
  • the invention therefore consists in replacing the last layer or the two, three or four last layers of refractory material of the shell with one or more layers based on metal particles.
  • metal particles may be cast iron, steel, or copper or copper alloy, without departing from the scope of the invention; however, for reasons of weight, it is preferably used particles of light alloys including aluminum alloys.

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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Mold Materials And Core Materials (AREA)
  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
  • Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)

Description

  • La présente invention concerne un procédé de traitement de moules en matériau réfractaire ou carapaces destinés au moulage à modèles perdus de pièces de fonderie en particulier en alliages d'aluminium dans le but d'augmenter la vitesse de solidification de ces pièces de fonderie.
  • Les industries mécaniques, aéronautiques, électroniques..., sont constamment à la recherche de pièces de fonderie toujours plus minces, plus complexes géométriquement et plus résistantes.
  • A cet effet, et en particulier dans le cas de pièces de fonderie en alliage d'aluminium, on dispose du procédé de moulage bien connu des spécialistes dit à modèles perdus qui présente l'avantage de permettre de réaliser des pièces de grande précision.
  • Conformément à ce procédé, l'étape de coulée du métal est mise en oeuvre dans des moules en matériau réfractaire nommés carapaces à base de silicate d'alumine, de sable, de zircon, de silice, de céramique ou encore de plâtre qui sont fabriqués dans une étape préliminaire.
  • Lors de cette étape de fabrication, le matériau réfractaire se présentant sous la forme d'une barbotine liquide réfractaire est appliqué par couches autour d'un modèle immergé dans une cuve agitée mécaniquement ce grâce à une machine de saupoudrage ou en lit fluidisé.
  • Les moules de fonderie à modèles perdus en carapaces comportent en règle générale entre 6 et 9 couches successives de matériau réfractaire dans le cas de la fonderie d'alliages légers.
  • Le modèle qui est classiquement réalisé en cire ou en polystyrène et est obtenu dans une étape notamment d'injection préalable disparaît au cours d'une étape de cuisson de la carapace à une température, suffisante pour le faire fondre ou brûler, en règle générale d'environ 600 à 1 100°C.
  • Le modèle laisse ainsi à sa place dans la carapace une empreinte, dans laquelle on peut couler l'alliage par gravité, par coulée basse pression ou encore par aspiration, ceci à l'air libre, sous vide ou encore sous atmosphère contrôlée.
  • Afin d'améliorer le refroidissement du métal lors de sa coulée, il est connu, par exemple de US-3 474 851 A de plonger le moule dans un lit de particules de charbon actif ou de grenaille métallique.
  • Après refroidissement la pièce de fonderie ainsi moulée est décochée c'est-à-dire sortie de la carapace dans laquelle elle a été coulée puis soumise à des opérations de finition et de traitement thermique classiques.
  • Le procédé de moulage à modèles perdus présente l'avantage de permettre d'obtenir des pièces de fonderie très minces et ayant une géométrie complexe.
  • En revanche, les caractéristiques mécaniques de ces pièces (résistance à la traction, limite élastique, allongement ou encore tenue à la fatigue) sont médiocres, et en particulier nettement inférieures à celles des pièces coulées en moules métalliques (coquilles).
  • Cet inconvénient est lié au fait que, comme il est bien connu des spécialistes dans le domaine de la métallurgie et en particulier de la fonderie d'aluminium, il existe une relation universelle et incontestée entre la vitesse de solidification d'un alliage métallique et ses caractéristiques mécaniques ; en effet ces dernières sont d'autant plus élevées que la solidification est rapide.
  • Cette altération des propriétés mécaniques d'une alliage lorsque sa vitesse de refroidissement décroît est principalement consécutive à une augmentation de la taille des grains et des dimensions des dendrites de solidification.
  • Or, dans le procédé de moulage à modèles perdus, la coulée est effectuée dans des carapaces en matériau réfractaire qui par définition ont tendance à conserver les calories qu'elles reçoivent et à ne les évacuer que très lentement ; ceci entraîne une forte grosseur de grains et nuit par suite au caractéristiques mécaniques des pièces de fonderie ainsi obtenues.
  • La présente invention a pour objet de remédier à ces inconvénients en proposant un procédé de traitement de carapaces destinées au moulage à modèles perdus de pièces de fonderie en particulier en alliage d'aluminium permettant d'augmenter la vitesse de refroidissement de ces pièces après l'étape de coulée. Ce procédé est défini à la revendication 1.
  • Les particules métalliques viennent intimement en contact avec le matériau réfractaire constitutif de la carapace de façon à former une carapace composite matériau réfractaire/métal beaucoup plus conductrice de la chaleur que la carapace de base et évacuant donc les calories beaucoup plus rapidement.
  • Il est bien entendu nécessaire que l'application des particules métalliques soit effectuée de façon à permettre à celles-ci d'exercer de manière optimum, ce au moment même de la coulée, leur fonction consistant à refroidir la carapace en « pompant » et évacuant les calories provenant du métal coulé, en particulier de l'alliage d'aluminium.
  • En effet, plus rapidement l'alliage coulé pourra être refroidi, meilleures seront les caractéristiques mécaniques finales de la pièce de fonderie.
  • Dans ce but, selon l'invention :
    • lors de l'étape de fabrication de la carapace, on applique sur la couche externe de matériau réfractaire alors qu'elle n'est pas encore solidifiée, au moins une couche à base d'un matériau métallique sous forme de particules notamment de billes ayant un diamètre de l'ordre de 0,1 à 3 mm,
    • on soumet la carapace composite matériau réfractaire/métal ainsi obtenue à une étape de cuisson à une température maximale de 600 à 800°C, et
    • on coule dans cette carapace le métal, en particulier l'alliage d'aluminium constitutif de la pièce de fonderie à mouler.
  • Comme il a déjà été indiqué, les moules de fonderie à modèles perdus en carapaces comportent en règle générale plusieurs couches successives de matériau réfractaire.
  • L'invention consiste par suite à remplacer la dernière couche ou les deux, trois ou quatre dernières couches en matériau réfractaire de la carapace par une ou plusieurs couches à base de particules métalliques.
  • Ces couches peuvent avantageusement être appliquées par un procédé similaire au procédé classique d'application de la barbotine réfractaire liquide en mettant en oeuvre une machine de saupoudrage ou dans un bac à lit fluidisé, de sorte que les particules métalliques viennent se coller sur la couche de barbotine liquide externe venant d'être posée.
  • Ces particules métalliques peuvent être en fonte, en acier, ou encore en cuivre ou alliage cuivreux, sans pour cela sortir du cadre de l'invention ; cependant, pour des raisons de poids, on met de préférence en oeuvre des particules en alliages léger notamment en alliages d'aluminium.
  • Les pièces de fonderie en alliages de la famille aluminium-silicium (A357 T6 ; AS7GO6 T6; AMS 4215...) obtenues par le procédé classique de moulage à modèles perdus présentent en moyenne les caractéristiques mécaniques suivantes :
    • Rt : 270 Mpa
    • Re : 200 Mpa
    • A:1%
  • Ces valeurs sont obtenues sur un état trempé et revenu selon les normes en vigueur (T6) : mise en solution à 540°C (pendant 10 à 12 heures), trempe à l'eau puis revenu à 160°C (pendant 4 heures).
  • Or, on a pu constater que l'utilisation de carapaces traitées par le procédé conforme à l'invention, permet d'améliorer considérablement ces caractéristiques mécaniques et d'obtenir les valeurs moyennes suivantes :
    • Rt : 320 à 340 Mpa
    • Re : 240 à 260 Mpa
    • A:3à5%
  • Ces valeurs peuvent être obtenues après le traitement thermique susmentionné correspondant aux normes en vigueur (T6) ou encore après un traitement thermique dit de globulisation du silicium dans lequel on augmente la durée de la phase de mise en solution avant trempe à l'eau (24 heures) le revenu à 160°C restant quant à lui identique.

Claims (4)

  1. Procédé de traitement de moules en matériau réfractaire ou carapaces destinés au moulage à modèles perdus de pièces de fonderie en particulier en alliages d'aluminium dans le but d'augmenter leur vitesse de solidification,
    caractérisé en ce que
    - lors de l'étape de fabrication de la carapace, on applique sur la couche externe de matériau réfractaire alors qu'elle n'est pas encore solidifiée au moins une couche à base d'un matériau métallique de préférence sous forme de particules notamment de billes ayant un diamètre de l'ordre de 0,1 à 3 mm,
    - on soumet la carapace composite matériau réfractaire/métal ainsi obtenue à une étape de cuisson à une température maximale de 600 à 800°C, et
    - on coule dans cette carapace le métal en particulier l'alliage d'aluminium constitutif de la pièce de fonderie à mouler.
  2. Procédé selon la revendication 1,
    caractérisé en ce que
    le matériau métallique est un alliage léger notamment un alliage d'aluminium.
  3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2,
    caractérisé en ce que
    l'on applique le matériau métallique en mettant en oeuvre une machine de saupoudrage.
  4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2,
    caractérisé en ce que
    l'on applique le matériau métallique dans un bac à lit fluidisé.
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