Machine pour couler des métaux ferreux
Le présent brevet a pour objet une machine pour couler des métaux ferreux comprenant un moule métallique et un cylindre d'injection pour injecter sous pression le métal fondu dans le moule métallique.
Lorsqu'on utilise une machine à couler sous haute pression ou à mouler par injection destinée à couler des métaux à bas points de fusion tels que l'aluminium, le zinc ou leurs alliages, pour couler des métaux ferreux ayant des points de fusion plus élevés, il se présente un certain nombre de problèmes. En effet, les métaux à bas point de fusion tels que l'aluminium, le zinc et leurs alliages sont généralement injectés sous des pressions allant de 500 kglcm à 600 kg/cm2. Ces pressions élevées sont avantageuses pour les métaux non ferreux à bas point de fusion à cause de leur haute fluidité plastique aux températures élevées, car elles permettent d'éviter les soufflures et augmentent la densité et la résistance mécanique des produits moulés.
Toutefois, dans le cas de métaux ferreux, et plus spécialement de la fonte, la fluidité plastique est très faible, de sorte que leur coefficient de déformation mince jusqu'a la rupture n'est que de 1/2000 de celui de l'aluminium. D'autre part, les métaux ferreux sont rapidement durcis en surface pour donner des structures denses. Les métaux ferreux ont donc des caractéristiques physiques complètement différentes de celles des métaux non ferreux. Pour cette raison, il n'est pas possible d'utiliser des hautes pressions appropriées aux métaux non ferreux pour couler par injection des métaux ferreux.
Ces hautes pressions auraient plutôt tendance à endommager plus rapidement les moules métalliques et à nécessiter des machines à injecter de construction plus solide et volumineuse.
La présente invention a pour but de pallier ces inconvénients.
La machine à couler des métaux ferreux selon l'invention est caractérisée en ce que le cylindre d'injection comprend un manchon extérieur à haute conductivité thermique et un revêtement intérieur contenu dans le manchon extérieur et formé d'une pluralité de sections fractionnées dans la direction axiale du cylindre d'injection.
En outre, le cylindre d'injection peut comprendre un piston inséré dans le cylindre depuis son extrémité éloignée du moule métallique, le cylindre d'injection étant incliné d'un angle compris entre 5 et 45O par rapport à l'horizontale et muni d'une ouverture près de ladite extrémité pour y verser le métal fondu.
Ceci permet de pallier un autre inconvénient de la machine à couler sous haute pression conventionnelle utilisée pour les métaux à bas point de fusion qui comprend d'ordinaire un cylindre d'injection horizontal et un piston coulissant dans ce cylindre. Le cylindre est muni d'une ouverture destinée à recevoir le métal fondu à une extrémité du cylindre, éloignée d'un moule métallique et le piston est actionné de façon à injecter le métal fondu dans le moule sous une pression élevée. Lorsque le métal fondu versé dans le cylindre a un point de fusion élevé, la surface intérieure du cylindre immédiatement adjacente à ladite ouverture s'endommage facilement du fait du choc thermique du métal fondu versé dans le cylindre.
Comme le cylindre est horizontal, la distance dans le cylindre sur laquelle le métal fondu est pressé par le piston est relativement longue, et la surface du contact entre le métal fondu et le piston est large. Il s'ensuit qu'il y a tendance à former une couche solidifiée et par conséquent nécessité d'élever la pression d'injection.
Ceci est aussi cause de déformation du cylindre et des autres organes de coulée.
En oure, lorsqu'on utilise un cylindre horizontal pour l'injection et que le métal fondu ne remplit que partiellement le cylindre, les scories flottant sur la surface supérieure du métal fondu contenu dans le cylindre peuvent être entraînées dans le métal injecté et donner naissance à des produits moulés de structure non uniforme.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, une machine à couler les métaux ferreux selon l'invention.
La fig. 1 est une vue schématique en coupe de la machine.
La fig. 2 est une vue en perspective d'un dispositif expérimental pour mesurer l'effet d'isolation thermique du métal fondu.
La fig. 3 est une vue en coupe longitudinale d'un récipient cylindrique représenté dans la fig. 2.
La fig. 4 est un diagramme de la caractéristique d'isolation thermique du dispositif expérimental de la fig. 2, et
les fig. 5 à 8 représentent des étapes successives de coulage utilisant un cylindre d'injection incliné.
Si l'on se réfère à la fig. 1, la machine à mouler par injection comprend un cylindre d'injection 10 comportant un cylindre extérieur 11, un manchon 12 fait en un métal à haute conductivité thermique, tel que cuivre par exemple, et un revêtement intérieur consistant dans une série de manchons juxtaposés 13, 14, 15, 16 et 17 contenus dans le manchon de cuivre 12, ces manchons étant fractionnés dans la direction axiale du cylindre et maintenus les uns contre les autres bout à bout au moyen d'une bague de fixation 18 et de boulons 19. Comme représenté, le cylindre d'injection 10 est disposé suivant un angle e par rapport à l'horizontale. Une fente de chargemment 20 est aménagée à proximité de l'extrémité amont du cylindre d'injection pour verser le métal ferreux fondu 22 dans un espace délimité par les manchons fractionnés 13 à 17.
Un piston 21 est inséré dans le cylindre pour injecter sous pression le métal en fusion 22 dans un moule creux 23 relié à l'extrémité aval du cylindre d'injection; cette cavité 23 est délimitée par un élément de moule mobile 27 et un élément de moule fixe 28.
Dans le cylindre d'injection, la surface intérieure du manchon fractionné 13 est soumise à plus forte usure du fait du choc thermique du métal en fusion coulé.
Toutefois, la nouvelle construction permet un remplacement facile d'un tel manchon fortement endommagé sans qu'il soit nécessaire de remplacer le cylindre d'injection tout entier. En outre, étant donné que le manchon de cuivre 12 favorise la dispersion de la chaleur tant en direction radiale qu'en direction axiale, les différences de températures entre les manchons juxtaposés 13 à 17 sont atténuées, ce qui permet de soulager les dommages causés par le choc thermique aux manchons disposés plus loin de l'ouverture de chargement 20; il s'ensuit qu'à l'exception du premier manchon 13 dans lequel est ménagée l'ouverture 20, tous les autres manchons n'ont pas besoin d'être remplacés si fréquemment.
On a constaté que l'on peut utiliser plus de 1000 fois des manchons faits en alliage de molybdène et soumis à un traitement spécial. D'autre part on peut utiliser des matériaux ayant d'excellentes propriétés de résistance au choc thermique, mais qui à cause de leur fragilité ne pouvaient pas être utilisés jusqu'à présent, car du fait que les manchons 13 à 17 sont fractionnés et recouverts par le manchon 12, on évite efficacement la propagation des fissures. Dans les machines à mouler par injection conventionnelles, I'extrémité intérieure du piston 21 est plate. Cependant, lorsque la partie périphérique de l'extrémité intérieure du piston est soumise à des efforts thermiques extrêmement élevés dus à son contact avec le métal en fusion, elle se déforme ou crée des obstacles à la chaleur.
Par conséquent l'espace entre la paroi intérieure du cylindre d'injection et le piston tend à s'élargir et il s'ensuit qu'une partie du métal en fusion pénètre dans cet espace et empêche le mouvement régulier du piston. Toutefois, en donnant à l'extrémité intérieure du piston une forme sphérique comme représenté dans la fig. 1, I'angle de la partie périphérique de l'extrémité intérieure avec la paroi du piston devient un angle obtus, ce qui permet de diminuer les efforts thermiques anormaux.
Une autre caractéristique de cette machine réside dans la position inclinée du cylindre d'injection 10. Avec un cylindre d'injection horizontal, la distance sur laquelle le métal en fusion se déplace axialement dans le cylindre est longue de sorte que le métal en fusion forme rapidement une couche solidifiée qui endommage la paroi intérieure du cylindre d'injection et l'extrémité intérieure du piston, ce qui diminue leur durée de vie. En outre, lorsque le métal en fusion remplit partiellement le cylindre d'injection, les scories et l'air qui se trouvent à la surface du métal en fusion sont entraînés dans le moule pour former des soufflures, des fissures et une structure non uniforme. En revanche, avec le cylindre d'injection incliné, la distance du mouvement du métal fondu dans le cylindre d'injection est plus courte, ce qui permet de diminuer les inconvénients susmentionnés.
En outre le risque d'entraîner des scories et du gaz peut aussi être atténué, ce qui permet d'obtenir un produit de qualité uniforme. Théoriquement, lorsque le rapport du volume à la surface de contact du métal fondu augmente, I'isolation thermique du métal fondu augmente, ce qui améliore son habilité au moulage.
Les fig. 2 et 3 représentent un dispositif expérimental pour mesurer l'effet d'isolation thermique du métal en fusion. Ce dispositif représenté dans les fig. 2 et 3 comprend un récipient cylindrique 31 pour le métal fondu. Le récipient cylindrique 31 correspond au cylindre d'injection 10 de la fig. 1 et est supporté de façon basculante sur un socle 32. Son angle d'inclinaison e par rapport à l'horizontale peut être réglé au moyen d'une manivelle 33 fixée au récipient. Lorsque l'angle d'inclinaison e varie, la surface de contact S entre le métal fondu 34 et le récipient 31 varie aussi. Plus précisément, lorsque l'angle d'inclinaison e croît, la surface de contact S décroît.
Ainsi, après avoir choisi un angle e, on verse dans le récipient une quantité déterminée de métal fondu 34 à une température déterminée, et après un intervalle de temps déterminé l'on retire l'un des couvercles terminaux 35 pour mesurer la quantité W de métal fondu déchargé. Le résultat montre que lorsque la quantité de métal fondu augmente, le taux de chute de température du métal fondu diminue. Ainsi l'effet d'isolation thermique croît avec l'angle d'inclinaison e; la courbe représentée dans la fig. 4 montre une caractéristique d'isolation thermique du métal fondu dans le dispositif expérimental des fig. 2 et 3. Il résulte clairement de cette courbe qu'un cylindre d'injection incliné est plus avantageux qu'un cylindre horizontal.
Le résultat de l'expérience montre que l'angle d'inclinaison devrait être de préférence compris entre 50 et 450. Au-dessus de 450, avant l'actionnement du piston 21, une quantité de métal fondu 22 pénètre dans la cavité du moule, ce qui empêche la production d'objets moulés d'excellente qualité. Afin d'éviter cet inconvénient, il est nécessaire d'utiliser un mécanisme d'injection de construction plus compliquée. En outre, lorsque la surface de contact entre le métal fondu présent dans le cylindre d'injection et le piston et le cylindre 10 aug mente, le refroidissement du métal fondu est activé et la durée de vie du mécanisme d'injection diminue. D'autre part, un angle d'inclinaison excessivement grand nécessite une pression d'injection plus élevée.
Comme représenté dans la fig. 1, avec un cylindre d'injection incliné, avant de commencer l'opération de moulage, I'extrémité intérieure du piston 21 est séparée de la charge de métal fondu 22 dans le cylindre 10, de sorte que le refroidissement du métal fondu peut être diminué. En outre, comme la surface de contact entre le métal fondu et le cylindre d'injection est réduite, la dissipation de chaleur du métal fondu peut aussi être réduite.
Comme indiqué plus haut, avec un cylindre d'injection horizontal, les scories et les déchets tels que les oxydes métalliques et non métalliques ou les gaz sont entraînés dans le courant de métal fondu, d'où il résulte que la résistance mécanique et la densité du produit moulé sont altérés. Plus précisément, pendant l'injection lorsque le piston avance à grande vitesse, le métal fondu au-devant du piston est vigoureusement remué pour entraîner les impuretés dans le courant de métal fondu injecté dans la cavité du moule.
Les fig. 5 à 8 illustrent les avantages du cylindre d'injection incliné 10. Dans la position représentée dans la fig. 5, une partie du métal fondu est déjà engagée dans un passage 25, mais la plus grande partie de ce métal fondu 22 est contenue dans le cylindre d'injection et les scories 24 flottent à sa surface. Par conséquent, lorsque le piston 21 est poussé en avant à grande vitesse, les scories sont brisées en tout petits morceaux et mélangées avec le métal fondu, mais elles sont retenues dans le cylindre d'injection jusqu'à ce que la cavité 23 du moule soit entièrement remplie. De cette manière la qualité du produit moulé peut être améliorée.
Les métaux non ferreux tels que l'aluminium, le zinc et leurs alliages sont moulés sous des pressions relativement élevées de l'ordre d'environ 500 à 600kg/cm2.
Etant donné que ces métaux non ferreux ont une fluidité plastique élevée aux hautes températures, ces pressions élevées permettent d'améliorer la résistance mécanique des produits moulés du fait de la diminution des soufflures et de l'augmentation de la densité. Toutefois, comme mentionné plus haut, la fluidité plastique des métaux ferreux, plus particulièrement celle de la fonte est très faible et comme ils se refroidissent en surface très facilement il est facile d'obtenir des résistances élevées par recuit. Du fait de ces différences fondamentales, c'est un non-sens de mouler par injection des métaux ferreux sous des pressions élevées comparables à celles utilisées pour les métaux non ferreux.
On a trouvé que la pression utilisable pour le moulage par injection des métaux ferreux et particulièrement de la fonte peut être réduite à environ 25 à 100kg/cm2 qui est seulement suffisante pour remplir la cavité du moule de métal fondu et empêcher le démoulage, la pression étant déterminée suivant le volume ou la surface du moule. Ainsi la quantité de métal fondu à mouler et la vitesse d'injection de ce métal augmentent avec le volume du moule et le temps requis pour en augmenter la solidité. Pour cette raison, la pression d'injection peut être abaissée à 1/10 jusqu'à 1/20 de celle exigée pour mouler par injection des métaux non ferreux. On a trouvé que des produits ayant des formes compliquées, tels que des engrenages par exemple, coulés sous une pression d'injection de 45 kg/cm2 présentent des surfaces lisses et que tous les angles du moule étaient entièrement remplis.
En revanche, des produits moulés sous une pression inférieure à 20 kglcm2 présentaient des surfaces inégales et des angles incomplètement remplis.
Lorsqu'on injectait sous une pression supérieure à 200 kg/cm2, après plusieurs opérations de moulage le métal fondu suintait dans l'espace entre l'élément de moule fixe 28 (voir fig. 1) et le cylindre d'injection 10 et l'on obtenait alors des produits fortement déformés.
Ainsi, lors du coulage de métaux ferreux dans des moules métalliques, une pression d'injection allant de 25 à 100 kg/cm2 permet d'éviter des dommages aux interstices entre l'élément de moule mobile 27 et les chevilles d'éjection 26 (voir fig. 1), le joint entre l'élément fixe 28 et le cylindre d'injection 10 ainsi que le joint entre un noyau (non représenté) et la base d'un moule métallique, de sorte que la durée de vie de la machine à injecter et du moule métallique sera prolongée et les bavures des pièces moulées réduites; cela permettra aussi de construire des machines à mouler par injection à plus bas prix de revient.