CH618903A5 - Low-pressure casting method - Google Patents

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CH618903A5
CH618903A5 CH301278A CH301278A CH618903A5 CH 618903 A5 CH618903 A5 CH 618903A5 CH 301278 A CH301278 A CH 301278A CH 301278 A CH301278 A CH 301278A CH 618903 A5 CH618903 A5 CH 618903A5
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Jacques Francois Marie Oger
Rio Bellocci
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Pont A Mousson
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Description

La présente invention est relative au moulage sous basse pression en fonderie dans lequel on utilise une cavité de moulage dont les parois sont en sable aggloméré, et l'on alimente cette cavité par une cheminée verticale fermée à son extrémité supérieure et reliée à la cavité de moulage par une attaque de coulée.
L'invention s'applique notamment, mais non exclusivement à la coulée de fonte à graphite lamellaire ou à graphite sphéroïdal.
On sait que le moulage ou la coulée sous basse pression s'effectuent souvent dans des moules en sable, notamment pour obtenir certaines structures métalliques dans les pièces coulées. C'est, par exemple, le cas lorsque l'on veut réaliser des pièces en fonte à graphite sphéroïdal brutes de coulée, qui soient exemptes de carbures, à l'état brut de coulée, sans nécessiter de traitement thermique ultérieur.
Ce résultat est dû essentiellement au caractère réfractaire du sable formant un barrage thermique qui évite un phénomène de trempe du métal coulé.
De plus, on bénéficie ainsi de la perméabilité du sable aux gaz.
Ainsi, les moules à parois en sable évitent les défauts de fonderie et diminuent le rebut.
On connaît par ailleurs le procédé de coulée sous basse pression suivant lequel on remplit le moule sous pression, on maintient la pression jusqu'à ce que l'attaque soit solidifiée, puis on relâche la pression. L'attaque est calibrée de façon à se solidifier au bout d'un temps légèrement supérieur au temps nécessaire à une alimentation de la cavité de moulage suffisante pour obtenir une pièce saine, et la section de cette attaque est très inférieure à celle de la cheminée, de sorte que pratiquement tout le métal contenu dans cette cheminée redescend dans la poche de coulée lorsque l'on relâche la pression.
Cependant, l'utilisation dans ce procédé des moules en sable habituels, qui sont massifs, apporte des inconvénients: en raison du maintien prolongé d'une pression de remplissage, les moules doivent avoir une résistance mécanique relativement élevée. Il faut donc utiliser du sable comportant une plus forte proportion de liant et/ou des moules plus épais que dans le cas de la coulée par simple gravité. Mais cela augmente le prix de revient des pièces puisque, d'une part, les moules, qui sont perdus, sont plus coûteux à réaliser et que, d'autre part, le refroidissement des pièces devient trop lent, ce qui diminue considérablement la cadence de production, ne serait-ce qu'à cause du délai nécessaire à la solidification de l'attaque.
L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients.
A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de coulée sous basse pression de métal liquide dans lequel on alimente une cavité de moulage à l'aide d'une cheminée d'alimentation verticale fermée à sa partie supérieure et d'une attaque de coulée reliant la cheminée à la cavité de moulage, ce procédé étant caractérisé en ce que l'on alimente une cavité de moulage dont les parois sont constituées par une couche de sable aggloméré adhérant à une coquille métallique extérieure.
Grâce à ce procédé, on accélère le refroidissement de la pièce moulée tout en renforçant la résistance mécanique du moule et en assurant une structure saine à la pièce moulée.
En effet, la coquille métallique fournit au moule, sous un faible volume de matière non perdue, la résistance mécanique et la rigidité nécessaires, et la faible épaisseur du mélange sable-résine peut facilement être choisie de façon à fournir une vitesse de refroidissement déterminée, relativement rapide, du métal coulé.
On peut aussi réaliser la cheminée d'alimentation et l'attaque de coulée en une couche de sable aggloméré cuirassée par la même coquille.
En variante, l'attaque de coulée peut être à parois métalliques, de façon à augmenter le refroidissement du métal coulé à cet endroit, en supprimant le barrage thermique constitué par le sable, et à permettre ainsi de relâcher plus vite la pression à la fin de la coulée, ce qui augmente la cadence de production.
Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple et en regard du dessin annexé, sur lequel :
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la fig. 1 est une vue schématique en coupe d'une installation de coulée sous basse pression équipée d'un moule, suivant l'invention;
la fig. 2 est une vue partielle de détail en coupe d'une variante démoulé;
la fig. 3 est une vue schématique en coupe d'une autre variante de moule, comportant des noyaux pour le moulage de deux pièces à la fois;
la fig. 4 est une vue en coupe suivant la ligne 4-4 de la fig. 3.
L'installation de coulée de la fig. 1 comporte une poche de coulée sous pression 1 de type connu contenant de la fonte liquide 2 à graphite sphéroïdal ou lamellaire. Cette poche est pourvue d'un couvercle amovible 3, fixé de manière étanche. Un tube de coulée réfractaire 4, vertical, traverse le couvercle 3 et débouche à sa partie inférieure au voisinage du fond de la poche 1. Une conduite 5 d'amenée de fluide gazeux sous pression, par exemple d'air comprimé, contrôlée par un robinet 6,
débouche à travers le couvercle 3 au-dessus du niveau maximal de la fonte liquide 2 dans la poche 1.
La poche 1 est placée dans un bâti 7 à tablier supérieur 8 horizontal pouvant servir de support à une série de moules 9 successifs. Comme connu, la partie supérieure 10 du tube de coulée réfractaire 4 fait légèrement saillie au-dessus du tablier 8 du bâti 7.
Le moule 9 est en deux parties, l'une inférieure 11 et l'autre supérieure 12, séparées par un plan de joint médian horizontal 13. Il est constitué d'une coquille métallique 14 de forme extérieure parallélépipèdique et d'une couche 15 en sable aggloméré adhérant à la paroi intérieure de cette coquille.
La paroi intérieure de la coquille 14 définit, d'une part, un cylindre borgne vertical 16 ouvert vers le bas, d'autre part, une cavité 17 à peu près homothétique de la cavité de moulage ; un conduit à peu près horizontal 18, de section très inférieure à celle du cylindre 16, relie, de part et d'autre du plan 13, ce cylindre à la cavité 17.
En variante, le conduit 18 pourrait être incliné et/ou situé au-dessus ou au-dessous du plan 13.
La paroi 16-17-18 n'est pas usinée, mais est au contraire rugueuse. Une série de conduits 19 relie cette paroi aux faces extérieures respectivement inférieure et supérieure de chaque demi-coquille.
La couche 15 est constituée de sable aggloméré, par exemple par une résine polyisocyanate durcie par réaction chimique à froid avec un gaz véhiculant une amine, par le procédé dit de la boîte froide. Cette couche 15, d'épaisseur à peu près uniforme, recouvre la totalité de la paroi 16-17-18, à l'exception de l'entrée inférieure du cylindre 16. Elle définit ainsi une cheminée d'alimentation 20 reliée par une attaque 21 à l'empreinte ou cavité de moulage 22, ces trois parties ayant des parois en sable aggloméré.
Pour fabriquer le moule 9, on dispose les deux demi-coquilles elles-mêmes brutes de moulage, dans une machine à souffler ou à tirer les noyaux, de tout type connu approprié. On injecte le mélange sable-résine par les conduits 19, puis on envoie dans la masse ainsi moulée, par les mêmes conduits 19, un gaz de durcissement à froid, puis de l'air comprimé. L'utilisation d'une coquille non usinée favorise l'adhérence de la couche de sable et est très économique. On peut, par ce procédé, obtenir très rapidement une couche de faible épaisseur, de l'ordre de 10 mm. On a constaté que ce procédé permet aussi d'accélérer le décochage de la pièce moulée, et donc d'augmenter la cadence de la fabrication et de recyclage des coquilles.
De plus, comme on opère à froid, toute déformation thermique de la coquille est évitée.
Le fonctionnement de l'installation est le suivant:
On met en place un moule 9 vide sur le tablier 8 du bâti 7, de façon à relier l'entrée de la cheminée 20 à l'extrémité supérieure 10 du tube de coulée 4; l'étanchéité de la jonction peut être réalisée par tout moyen connu, par exemple au moyen d'un enduit pâteux réfractaire, comme décrit dans le brevet français N° 2295808.
On charge le moule avec une masse 23 pour empêcher la partie supérieure 12 de ce moule de se soulever lors de la coulée de la fonte. La masse 23 peut être, par exemple, un plateau lié à un piston de vérin presseur.
L'air, sous une pression donnée supérieure à la pression atmosphérique, est introduit par la conduite 5 au-dessus du niveau de la fonte liquide 2. Du fait que l'empreinte de moulage est vide, la fonte liquide monte dans le tube 4, la cheminée 20, traverse l'attaque 21 et emplit la cavité formée par l'empreinte de moulage 22. Les gaz libérés lors de cette montée de la fonte s'échappent facilement par les pores de la couche en sable 15 et par les trous de soufflage 19, qui sont alors utilisés comme évents; cela contribue à l'obtention d'une pièce saine.
La pression de l'air nécessaire à la montée de la fonte dans la cavité de moulage est maintenue dans la conduite 5 pendant le temps nécessaire au remplissage de l'empreinte 22 du moule et à la solidification de la fonte se trouvant dans l'attaque de coulée 21.
La pression d'air dans la conduite 5 est alors relâchée, de sorte que la fonte liquide contenue dans la cheminée 20 et le tube de coulée 4 retombe rapidement dans la poche en quasi-totalité, laissant tout au plus des résidus solidifiés sur les parois de la cheminée 16 et dans l'attaque 21.
On enlève ensuite la masse 23, et l'on retire le moule 9 de l'installation, car c'est en dehors de l'installation que la pièce moulée poursuivra son refroidissement et sera démoulée.
Grâce à cette installation et notamment grâce au moule 9 à couche de sable 15 renforcée par une coquille 14, le moule 9 est doué d'une grande rigidité. En effet, la coquille 14 confère au moule 9 une résistance mécanique accrue, évitant ainsi tout risque de fissures de l'empreinte en sable 22. On peut donc mouler des pièces de formes plus compliquées et faire venir de fonderie des détails de moulage de dimensions parfois réduites.
Cette grande rigidité du moule composite 9 est également avantageuse pour la précision dimensionnelle de la pièce moulée, pour la santé de la pièce et pour la diminution du rebut. En effet, l'expansion du sable par poussée de la fonte et par dilatation thermique est limitée par la coquille 14 jouant le rôle d'un corset rigide, ce qui explique la précision des dimensions de la pièce moulée. Un tel moule composite bénéficie, par ailleurs, de la porosité du sable et de son caractère réfractaire permettant d'éviter les occlusions gazeuses et l'effet de trempe superficielle, ce qui explique la santé de la pièce. En outre, la technique de moulage sous pression à laquelle cette rigidité du moule composite est particulièrement bien adaptée permet soit de couler des pièces de métaux à haut point de fusion à température plus basse que par gravité (par exemple à environ 1320°C au lieu d'environ 1420°C pour la fonte), ce qui accélère le refroidissement et, par conséquent, la cadence de production, soit de couler des pièces plus minces que par gravité, à température égale (par exemple 1420°C environ).
Par ailleurs, la consommation de sable aggloméré est beaucoup plus faible dans le cas de l'invention que dans le cas des moules entièrement en sable aggloméré de la technique antérieure, et il en résulte une sensible économie de sable et de temps, ainsi que le montre l'exemple suivant:
Exemple:
Pour mouler un regard de chaussée, on utilise, suivant l'invention, une couche de sable 15 d'une épaisseur de l'ordre de 10 mm, ce qui, pour un poids de la pièce brute de fonderie de 70 kg, limite la consommation de sable à 60 kg au lieu de 100 kg pour un moule antérieur entièrement en sable aggloméré. Pour un taux de liant de 0,6% en poids de sable de résine Ashland N° 606 + 0,6% en poids de sable de résine Ashland N° 306, les données numériques sont:
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— pression de coulée de fonte: 0,8 bar;
— temps de montée en pression: 1,8 s;
— temps de remplissage du moule composite : 2,5 s ;
— décochage de la pièce moulée: 20 à 30 mn après le début de soufflage du moule, au lieu de lh lA en moulage classique. s
Ainsi, l'invention permet, par rapport à l'utilisation de moules massifs, de diminuer tous les temps partiels intervenant dans un cycle de moulage sous basse pression:
— le temps de remplissage, car la présence de la cuirasse métallique 14 rend le moule en sable suffisamment rigide et résistant pour supporter une arrivée rapide de la fonte;
— le temps de maintien de la pression, car, grâce à la faible épaisseur de la couche de sable, le métal se refroidit relativement rapidement, et, par conséquent, l'alimentation suffisante pour compenser le retrait, ainsi que la solidification de l'attaque, qui lui est légèrement postérieure par construction, sont obtenues rapidement.
Les deux temps ci-dessus concernent la présence du moule sur le tablier 8, et leur raccourcissement permet d'accélérer la cadence 20 de coulée. Mais, de plus, les autres temps concernant l'installation globale sont également réduits :
— le temps de refroidissement avant décochage, grâce à la faible épaisseur du sable;
— le temps de réalisation d'un moule à partir de deux demi- 25 coquilles grâce au faible volume de sable mis enjeu.
Il s'ensuit qu'il est possible, pour une fabrication en série, de n'utiliser qu'un petit nombre de coquilles métalliques rapidement recyclées, l'ensemble constituant une installation modulaire relativement peu encombrante. L'avantage consiste en une grande 30 souplesse d'équipement, le nombre des modules pouvant être facilement modifié en fonction des besoins.
Suivant la variante de la fig. 2, dans le but d'augmenter encore la cadence de production, on utilise une attaque de coulée 21a métallique au lieu d'être en sable. Des inserts métalliques 24, par 35 exemple en fonte, en cuivre ou en acier, sont fixés sur la coquille 14, à l'emplacement de l'attaque de coulée, par exemple en supprimant toute une partie de la couche de sable à cet endroit. On accélère ainsi le refroidissement de l'attaque de coulée 21a par rapport à celui de la fonte contenue dans l'em- 10 preinte 22, et l'on emprisonne plus rapidement la fonte à l'intérieur de l'empreinte de moulage 15, ce qui permet de relâcher plus tôt, pour une section transversale donnée de l'attaque 21", la pression dans la conduite 5, pour faire retomber la fonte dans la cheminée 20 et le tube 4, sans risque de succion de la fonte conte- 45 nue dans l'empreinte 22. On peut ainsi rapprocher le temps de solidification de l'attaque du temps d'alimentation de l'empreinte conduisant avec certitude à une pièce saine. C'est ainsi que l'on peut réduire, par exemple, le temps de maintien de la pression de moulage, pour une même pièce, de 40 s environ dans le cas de 50 l'attaque 21 en sable à 15 s environ dans le cas de l'attaque 21a métallique.
En variante, au lieu d'utiliser des inserts 24, ce peut être le conduit 18 de la coquille qui constitue lui-même l'attaque métallique 21a. On peut également prévoir des inserts 24 en graphite. 55
Bien entendu, avec une attaque 21a métallique, la structure de la fonte moulée dans l'attaque est trempée, mais cela ne nuit pas à la qualité de la pièce moulée dans l'empreinte 22.
La variante de moule des fig. 3 et 4 permet avantageusement de mouler simultanément deux pièces sans laisser d'appendice de coulée, donc sans que ces pièces se trouvent attachées l'une à l'autre au démoulage. Dans cet exemple, on moule simultanément un cadre 25 de regard de chaussée et son tampon ou couvercle de fermeture 26.
On utilise un moule 9" en deux parties 1 la et 12a, qui est analogue pour l'essentiel à celui de la fig. 1.
Le cadre 25 est moulé dans la partie inférieure 1 la, et le tampon 26, pour l'essentiel, dans la partie supérieure 12". Une masse de sable interne 27, formant noyau, donne la forme intérieure du cadre 25 et la forme de la face inférieure du tampon 26. La forme extérieure du cadre 25, ainsi que celle des autres faces du tampon 26 sont données par l'empreinte de sable 22.
La cheminée 20 d'alimentation est munie, à son extrémité supérieure, d'une protubérance radiale 28 formant un bassin d'alimentation d'où partent deux attaques de coulée horizontales 29 et 30, l'une pour le cadre 25, l'autre pour le tampon 26. Les attaques 29 et 30 sont séparées par un noyau 31 en sable aggloméré ayant la forme d'une plaque. Le bord de cette plaque opposé à la cheminée 20 repose sur la masse de sable 27, tandis que ses bords latéraux sont reçus dans des épaulements 32 du demi-moule inférieur lla et pris en sandwich entre ces épaulements et le demi-moule supérieur 12a.
Il est à noter qu'il n'est pas obligatoire que les attaques 29 et 30 soient horizontales ni qu'elles soient parallèles : elles peuvent être légèrement inclinées, convergentes, divergentes ou en siphon.
On voit à la fig. 3 le niveau N de la fonte liquide 2 au moment où la pression d'air dans la conduite 5 vient d'être relâchée. La fonte redescend dans la cheminée 20 en ne laissant tout au plus que des traces dans le bassin de coulée 28 et dans la cheminée 20 elle-même; des petites quantités de fonte solidifiée restent dans les attaques 29 et 30 en étant séparées l'une de l'autre. Les pièces 25 (cadre) et 26 (tampon) peuvent donc être démoulées indépendamment, sans attache de coulée les réunissant.
Il en résulte avantageusement une amélioration du rendement poids de pièces/poids de métal solidifié dans le moule. Il en résulte également un gain de temps pendant la coulée, puisque l'on coule deux pièces à la fois, et après la coulée, puisqu'il n'est plus nécessaire de détacher les deux pièces l'une de l'autre, ainsi qu'un gain d'énergie dû à la présence d'une cheminée commune 20 d'alimentation.
On peut encore, à condition de conserver le noyau 31, remplacer tout ou partie des parois en sable des attaques 29 et 30 par des inserts métalliques ou par la paroi de la coquille 14a elle-même.
Il est à noter qu'en coulée statique, par simple pesanteur, il serait certes possible de mouler cadre et tampon de regard de chaussée dans un même moule, mais il ne serait pas possible d'obtenir des pièces moulées non attachées par des appendices de coulée. En effet, ceux-ci resteraient remplis de fonte puisque, contrairement à la technique de moulage sous basse pression, on ne retire pas la fonte des conduits d'alimentation après la coulée.
Bien entendu, l'invention est applicable également à la coulée de l'aluminium ou d'autres métaux.
R
1 feuille dessins

Claims (15)

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1. Procédé de coulée sous basse pression de métal liquide dans lequel on alimente une cavité de moulage à l'aide d'une cheminée d'alimentation verticale fermée à sa partie supérieure et d'une attaque de coulée reliant la cheminée à la cavité de moulage, ce procédé étant caractérisé en ce que l'on alimente une cavité de moulage dont les parois sont constituées par une couche de sable aggloméré adhérant à une coquille métallique extérieure.
2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que, au cours de la coulée, on refroidit plus vite le métal liquide au droit de l'attaque de coulée qu'au droit de la cavité de moulage en utilisant une attaque de coulée au moins en partie exempte de revêtement interne de sable aggloméré.
2
REVENDICATIONS
3. Procédé suivant l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on agglomère le sable de la cavité de moulage à l'aide d'ime résine polyisocyanate que l'on fait durcir par réaction chimique à froid, avec un gaz véhiculant une amine.
4. Installation pour la mise en œuvre du procédé selon la revendication 1, comprenant une cavité de moulage reliée par une attaque à une cheminée d'alimentation verticale fermée à son extrémité supérieure, caractérisée en ce que les parois de la cavité de moulage (22) sont constituées par une couche de sable (15) aggloméré adhérant à une coquille métallique extérieure (14, 14a).
5. Installation suivant la revendication 4, dans laquelle la cheminée d'alimentation a également des parois en sable aggloméré, caractérisée en ce que la coquille (14, 14a) entoure également les parois de cette cheminée (20).
6. Installation suivant l'une des revendications 4 ou 5, caractérisée en ce que l'attaque (21) est également constituée de sable aggloméré (15) entouré par la coquille (14).
7. Installation suivant l'une des revendications 4 ou 5, caractérisée en ce que les parois de l'attaque (21a) sont métalliques.
8. Installation suivant la revendication 7, caractérisée en ce que les parois de l'attaque sont constituées par la coquille elle-même.
9. Installation suivant la revendication 7, caractérisée en ce que les parois de l'attaque (21a) sont constituées par une ou plusieurs pièces métalliques (24) fixées dans un conduit (18) ménagé dans la coquille (14).
10. Installation suivant l'une des revendications 4 à 9, caractérisée en ce que la coquille (14,14a) est munie de conduits (19) reliant lesdites parois (20-21-22) à l'extérieur.
11. Installation suivant l'une des revendications 4 à 10, caractérisée en ce que l'épaisseur de sable aggloméré (15) est à peu près constante.
12. Installation suivant l'une des revendications 4 à 11, caractérisée en ce que le sable est aggloméré par une résine polyisocyanate.
13. Installation suivant l'une des revendications 4 à 12, caractérisée en ce que les parois internes de la coquille (14, 14a) sont rugueuses.
14. Installation suivant la revendication 4, caractérisée en ce que la cavité de moulage et l'attaque sont divisées par des noyaux (27-31) en deux empreintes et en deux attaques (29-30) s'étendant chacune de la cheminée d'alimentation (20) à l'une des deux empreintes.
15. Installation suivant la revendication 14, caractérisée en ce que la cheminée (20) présente une protubérance radiale (28) d'où partent les deux attaques (29-30).
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