FR3143393A1 - Procede de fabrication par moulage, sans noyau, de pieces metalliques creuses - Google Patents

Abstract

TITRE : PROCEDE DE FABRICATION PAR MOULAGE, SANS NOYAU, DE PIECES METALLIQUES CREUSES DOMAINE DE L’INVENTION La présente invention concerne un procédé de fabrication par moulage, sans noyau, de pièces métalliques creuses. L’invention concerne également des pièces métalliques obtenues selon le procédé de l’invention. (Figure 1) .

Description

PROCEDE DE FABRICATION PAR MOULAGE, SANS NOYAU, DE PIECES METALLIQUES CREUSES DOMAINE DE L’INVENTION

La présente invention concerne un procédé de fabrication par moulage, sans noyau, de pièces métalliques creuses. L’invention concerne également des pièces métalliques obtenues selon le procédé de l’invention.

ART ANTERIEUR

La fonderie regroupe les procédés de formage des métaux, en état pur ou sous forme d’alliage, impliquant un moule dans lequel un métal fondu est coulé pour donner, après solidification, une pièce métallique. Une multitude de procédés ont été développés au cours des derniers siècles, capables de produire des pièces métalliques très diverses.

Des pièces métalliques creuses ayant une coque de faible épaisseur, par exemple inférieure à 2 mm, sont particulièrement demandées. Ces pièces ont un poids inférieur à une pièce pleine à dimensions extérieure et à métal identiques, ou à une pièce creuse ayant une coque plus épaisse. Il existe en particulier un réel besoin de pouvoir disposer de pièces dont la faible épaisseur est homogène, variable et évolutive.

Le brevet FR 2 646 824 B1, par exemple, divulgue la fabrication d’un châssis de motocyclette creuse en une pièce. Le procédé utilise un noyau pour réaliser le caractère évidé de la pièce. Cependant, l’utilisation d’un noyau, qui doit être conçu est fabriqué au préalable, est contraignant.

Une méthode de fabrication de pièces métalliques creuses sans utilisation d’un noyau consiste à verser un métal fondu dans un moule. Une peau de métal solidifié se forme en quelques secondes sur la surface du moule, puis le moule est basculé afin d’éliminer le métal liquide en excès.

Dans ce procédé, dit «coulée au renversé», le fait d’évider le moule par basculement a pour résultat que le métal reste plus longtemps en contact avec une partie du moule, à savoir la partie sur laquelle le métal coule après basculement, ce qui conduit à une coque asymétrique, plus épaisse d’un côté par rapport à un autre côté.

Des procédés existants ne satisfont pas le besoin de fournir des procédés de fabrication par moulage, sans noyaux, de pièces métalliques creuses ayant une coque de faible épaisseur contrôlée, (< 2 mm) en particulier comprise entre 0,2 mm et 2 mm, , et fait d’un métal ou alliage ayant point de fusion supérieur à 180°C.

Il existe donc un besoin de fournir des nouveaux procédés permettant la fabrication par moulage de pièces ne pouvant pas être obtenues par des procédés existants de moulage.

BREF APERÇU

Dans ce contexte, un premier but de l’invention est la mise à disposition d’un procédé de fabrication par moulage, sans noyaux, de pièces métalliques creuses ayant une coque de faible épaisseur,i.e.inférieure à 2 mm et supérieure à 0,2 mm. Un deuxième but de l’invention est la mise à disposition d’un procédé de fabrication par moulage de pièces métalliques, permettant de maitriser l’épaisseur de coque de la pièce à former. Un autre but de l’invention est de pouvoir mettre en œuvre le procédé avec des métaux ou des alliages métalliques de point de fusion supérieur à 180°C, notamment supérieur à 320°C. Un autre but de l’invention est la mise à disposition de nouvelles pièces métalliques creuses.

DESCRIPTION DETAILLEE

Unpremier objetde la présente invention est un procédé de fabrication d’une pièce métallique creuse, ledit procédé comprenant au moins les étapes suivantes :

• uneétape 1d’injection d’une masse liquide initiale de métal fondu dans un moule, depuis un contenant comprenant ledit métal fondu, pour obtenir un moule comprenant du métal fondu ;
• uneétape 2de solidification partielle dudit métal fondu au sein du moule pendant un temps suffisant pour former une coque métallique solidifiée en contact avec les parois du moule présentant une température inférieure à la température dusolidusdudit métal fondu, et maintenir en phase liquide la partie restante de la masse liquide initiale dudit métal fondu contenue à l’intérieur de la coque métallique solidifiée, pour obtenir une partie solide constituée de la coque métallique solidifiée, et une phase liquide constituée de la partie restante de la masse liquide initiale dudit métal fondu ;
• uneétape 3de soustraction de la susdite phase liquide, ladite étape de soustraction étant effectuée sans basculement du moule ; et
• uneétape 4de récupération de la pièce métallique creuse sous forme de coque métallique solidifiée,

dans lequel le métal a un point de fusion supérieur à 180°C, en particulier supérieur à 320°C, et dans lequel la pièce métallique creuse est formée en absence de noyau,

ledit procédé ayant une mise au mille de 1 :1 à 1,2 :1, de préférence d’environ 1:1, en particulier de 1:1.

Lors de la mise en œuvre du procédé de l’invention, un métal fondu, à l’état liquide, est injecté dans un moule. Lors du séjour dans le moule, une partie du métal initialement fondu se solidifie contre la paroi intérieure du moule, ou l’empreinte, pour former une coque de métal solidifiée. Cette coque solidifiée est délimitée à l’extérieur par le moule, et à l’intérieur par du métal liquide, non encore solidifié.

Le moule est ensuite vidangé du métal encore liquide,i.e.non encore solidifié, qui se trouve à l’intérieur de la coque, formant ainsi une pièce métallique creuse.

Les Inventeurs ont trouvé que le procédé selon l’invention permet la fabrication d’une grande variété de pièces creuses, dont par exemple des pièces ayant une coque de faible épaisseur,i.e.inférieure à 2 mm et supérieure à 0,2 mm. Grâce à une vidange sans basculement du moule, le procédé n’est pas tributaire d’une solidification non voulue du métal, ladite solidification étant complètement maitrisée.

Par «pièce métallique creuse» on entend donc une pièce métallique sous la forme d’une coque qui entoure, ou qui partiellement entoure, une partie vide. A titre d’exemple, parmi les pièces sous forme d’une coque qui partiellement entoure une partie vide, on peut citer des pièces telles que des gobelets, des coupelles, des bols et des bouteilles.

Par «solidification partielle du métal fondu» on entend que la solidification est suffisante pour former la coque solide, tout en laissant une partie du métal en état liquide pour permettre d’obtenir la partie creuse de la pièce après soustraction, ou vidange, dudit métal en état liquide.

Par« partie solide »on entend une phase solide au sens métallurgique ou thermodynamique. Ainsi la partie solide peut être composée de plusieurs phases solides, ce qui est le cas par exemples des alliages Al-Si.

Par «sans basculement du moule» il faut entendre que la soustraction du métal encore liquide se fait sans basculement (i.e.sans rotation autour d’un axe) du moule, ce qui est habituel dans un procédé de «coulée au renversé». Pour ce faire, le moule est vidangé par des techniques exposées ci-après. Cela étant, il est entendu que l’absence de basculement du moule, n’empêche pas de pourvoir translater l’intégralité du moule au-dessus d’un four ou d’une poche afin de réceptionner la vidange.

Par «métal» on entend, au sens de la présente invention, soit un métal unique, soit un alliage métallique comprenant ledit métal. Parmi ces alliages métalliques, on peut citer un alliage eutectique ou proche de l’eutectique, sinon un alliage à faible intervalle de solidification (i.e.avec des températures de liquidus et de solidus très proches).

On entend par «métal unique» un métal qui n’est pas en mélange avec un autre élément, comme un autre métal. Il s’agit d’un métal dit «pur», ayant une pureté supérieure à 98%, en particulier supérieure à 99%.

Parmi les métaux (purs) utilisables dans la pièce et le procédé de l’invention on peut citer, à titre d’exemple : l’aluminium (Al), le plomb (Pb), l’étain (Sn), le cuivre (Cu), le zinc (Zn), le fer (Fe), le nickel (Ni) et le magnésium (Mg).

Parmi les alliages eutectiques utilisables dans la pièce et le procédé de l’invention on peut citer, à titre d’exemple : AlSi12, ZnAl5, AlCu33, AlMg32, MgZn37, CuMn37, CuSi16, SnPb38, de la fonte eutectique.

Parmi les alliages à faible intervalle de solidification utilisables dans la pièce et le procédé de l’invention on peut citer, à titre d’exemple : AlSi10, AlSi2, de la fonte relativement proche de l’eutectique Fe-C, ou de l’acier à très faible intervalle de solidification.

Par «un point de fusion supérieur à 180°C» on entend en particulier un point de fusion supérieur à 200°C, supérieur à 320°C, supérieur à 500°C et notamment supérieur à 660°C. Le point de fusion est en particulier compris de 180°C à 1750°C. Par «de 180°C à 1750°C» on entend également les gammes suivantes : de 200°C à 1750°C, de 320°C à 1750°C, de 400°C à 1750°C, de 500°C à 1750°C, de 600°C à 1750°C, de 660°C à 1750°C, de 700°C à 1750°C, de 800°C à 1750°C, de 900°C à 1750°C, de 1000°C à 1750°C, de 1100°C à 1750°C, de 1200°C à 1750°C, de 1300°C à 1750°C, de 1400°C à 1750°C, de 1500°C à 1750°C, de 180°C à 1600°C, de 180°C à 1400°C, de 180°C à 1200°C, de 180°C à 1000°C, de 180°C à 800°C, de 200°C à 1600°C, de 200°C à 1400°C, de 200°C à 1200°C, de 200°C à 1000°C, de 200°C à 800°C, de 320°C à 1600°C, de 320°C à 1400°C, de 320°C à 1200°C, de 320°C à 1000°C, de 320°C à 800°C, de 500°C à 1400°C, de 500°C à 1200°C, de 500°C à 1000°C, de 500°C à 800°C, de 660°C à 1400°C, de 660°C à 1200°C, de 660°C à 1000°C, de 660°C à 800°C.

Il est entendu que le point de fusion peut correspondre au point de fusion d’un métal pur, ou au liquidus d’un alliage. Dans ce qui précède et ce qui suit, l’expression «point de fusion» se rapporte à la fois aux métaux purs et aux alliages ; auquel cas il faut entendre «le liquidus».

En général en fonderie, la «mise au mille» désigne le rapport de la masse de la grappe de coulée sur la masse de la pièce brute parachevée. La grappe de coulée correspond à la pièce sortie du moule avec l’ensemble de ses artifices de coulée adhérents (système de remplissage, de masselottage, d’évents, bavures). La mise au mille est donc souvent supérieure à 1, et rarement égale à 1.

Dans le cas du présent procédé, le ratio qui est obtenu est de 1:1, ou proche de 1:1, ce qui est exceptionnelvis-à-visdes procédés conventionnels de fonderie. Effectivement, le procédé permet d’obtenir une pièce brute en sortie du moule sans ou quasiment sans artifice de coulée adhérent, supprimant ou limitant fortement ainsi le parachèvement. Cela est rendu possible car le volume de métal liquide initialement injecté dans le moule n’est pas totalement solidifié.

Par «proche de 1:1» on entend de 1:1 à 1,2:1. Par «1:1 à 1,2:1» on entend également les gammes suivantes : « 1:1 à 1,01:1 », « 1:1 à 1,02 :1 », « 1:1 à 1,03:1 », « 1:1 à 1,04:1 », « 1:1 à 1,05:1 », « 1:1 à 1,06:1 », « 1:1 à 1,07:1 », « 1:1 à 1,08:1 », « 1:1 à 1,09:1 », « 1:1 à 1,10:1 », « 1:1 à 1,11 :1 », « 1:1 à 1,12 :1 », « 1:1 à 1,13:1 », « 1:1 à 1,14:1 », « 1:1 à 1,15:1 », « 1:1 à 1,16:1 », « 1:1 à 1,17:1 », « 1:1 à 1,18:1 », « 1:1 à 1,19:1 ».

L’étape 1d’injection d’une masse liquide de métal fondu dans un moule peut être effectuée par plusieurs techniques. L’injection peut être réalisé par gravité, au moyen d’un godet manuel ou automatique, voire d’une goulotte de transvasement. L’injection du métal fondu dans l’empreinte peut aussi être réalisée via une buse d’injection ou une chemise avec piston d’injection ; le procédé est alors adapté à un moulage avec machine de basse pression ou presse à injecter sous pression notamment à chambre chaude.

L’étape 2de solidification permet de former une coque, ou peau, de métal, solidifiée contre la paroi intérieure du moule. Le temps de maintien du métal en fusion dans le moule dépend de plusieurs paramètres, dont par exemple la différence de matériaux et de températures initiales entre le moule et le métal en fusion. Le temps de maintien dépend également de l’épaisseur de la coque à fabriquer. En général, un temps de quelques secondes à quelques minutes est suffisant pour obtenir une coque de faible épaisseur, i.e.inférieure à 2 mm et supérieure à 0,2 mm.

L’étape 3de soustraction peut s’effectuer par la gravité ; le métal liquide sort par une ouverture dans le bas du moule, initialement obstruée par une quenouille, un bouchon, une trappe, ou autre dispositif chauffant ou isolant thermiquement, ou autre dispositif (e.g.système à induction). Elle peut également être facilitée par la poussée d’un gaz sous pression en partie supérieure du moule.

L’étape 4de récupération de la pièce métallique creuse peut être effectuée par des méthodes connues de démoulage. Le démoulage peut par exemple être effectué par retournement du moule. En préalable, une grille peut être placée sur le dessus du moule pour éviter que la pièce chute du moule, se casse ou se déforme. Après retournement du moule, la pièce éjectée se trouve alors sur ladite grille.

Selon un mode de réalisation particulier, l’invention concerne un procédé de fabrication tel que défini ci-dessus pour la production d’une pièce métallique creuse ayant une épaisseur de 0,2 mm à 2 mm.

Selon un mode de réalisation particulier, l’invention concerne un procédé de fabrication tel que défini ci-dessus pour la production d’une pièce métallique creuse constituée d’une coque métallique qui entoure, partiellement ou totalement une partie vide,

dans laquelle la dite coque métallique a :

• une surface extérieure lisse,
• une surface intérieure cristallographique.

Ainsi, le procédé selon l’invention peut être mis en œuvre de différentes façons :

1- Procédé de moulage par gravité

Dans le cas de la verse du métal liquide par gravité, un moule fixe doit posséder au minimum une entrée supérieure pour recevoir le métal et une sortie inférieure pour évacuer l’alliage en surplus encore liquide après formation d’une peau solidifiée. Il est donc ouvert sur la partie haute du moule pour assurer son remplissage, et il possède au minimum un orifice dans la partie basse du moule, bouché par un bouchon, une quenouille ou autre système d’obturation qui pourra être ouvert lors de la vidange du moule.

En général, le dispositif d’obturation de l’orifice de vidange est préchauffé et/ou constitué de matériaux isolants thermiques. En dessous du moule, une poche de coulée ou un four permet de recueillir le surplus d’alliage en fusion.

Le procédé de moulage par gravité est illustré par la . A cet égard, il convient de noter que les trois schémas présentent différentes solutions techniques de la coulée vidangée ici effectuée uniquement par gravité. Les graphismes illustrent chacun un principe général. Toutefois dans la majorité des cas, la pièce moulée n’est pas forcément de révolution ou symétrique.

Pendant les courtes phases de remplissage et de vidange, l’alliage liquide présent dans l’empreinte se solidifie contre les parois du moule. Cela peut conduire à des variations d’épaisseur de la coque solidifiée par endroits ; notamment souvent l’épaisseur solidifiée est plus fine en haut du moule et plus épaisse en partie basse du moule. Pour gérer au mieux l’épaisseur de la coque solidifiée, plusieurs paramètres du procédé peuvent être utilisés : l’épaisseur du moule (surtout avec un moule métallique), l’introduction de refroidisseurs (en acier ou fonte, ou carbure de silicium, ou graphite par exemple) dans un moule en sable ou d’artifices de refroidissement dans un moule métallique, la préchauffe ou chauffe non homogène du moule métallique (en général température du moule plus chaude en partie basse), l’utilisation de poteyages différents sur l’empreinte du moule métallique (poteyages isolants et conducteurs), l’emploi de différents sables (plus ou moins conducteurs thermiques) et/ou adjuvants dans la composition du moule en sable.

Dans la majorité des cas, la position du trou de vidange correspond à la partie la plus basse de la pièce dans le moule. Généralement, ce trou est situé sous le moule ; mais dans certains cas il peut être localisé sur un côté bas du moule. Pour certaines géométries particulières de pièces, il peut être possible d’associer une légère inclinaison du moule lors de la vidange pour faciliter au mieux l’évacuation totale du bain métallique résiduel liquide encore présent dans l’empreinte.

2- Procédé de moulage basse pression

La basse pression est un dispositif technique consistant à apporter un gaz inerte pour le métal du type azote, argon ou autre, dans la chambre hermétique du four contenant le métal en fusion. La pression du gaz sur la surface du bain permet de faire monter le métal en fusion dans une buse d’injection qui alimente l’empreinte du moule. En général, le moule est placé au-dessus du four de basse pression et le métal rentre dans l’empreinte par sa partie inférieure ou par un côté.

Dans le cas d’une coulée basse pression, le moule est équipé d’une entrée dans le bas du moule servant à l’injection du métal. Cette entrée fait également office de vidange du surplus de métal qui retourne directement dans le four via la buse d’injection. Un dispositif d’appel d’air, ou autre gaz, peut être aménagé afin de faciliter l’évacuation du métal en fusion. Une fois que les températures du moule et de du métal sont opérationnelles, la matière en fusion est injectée par le bas du moule, puis mise sous pression pendant la solidification, cela sous atmosphère contrôlée (azote, argon ou autre).

Cette technique permet de maitriser la vitesse de remplissage et de vidange du moule, et grâce au gaz neutre limite la formation de peaux d’oxyde avec les métaux oxydables, dont par exemple l’alumine avec les alliages d’aluminium.

Ce mode de réalisation du procédé de l’invention est illustré par les Figures 2 et 3.

3- Procédé de moulage par injection sous pression

Dans le cas d’une coulée sous pression, le moule possède une entrée, qui peut également faire office de sortie. Un dispositif d’appel d’air ou de gaz neutre pour faciliter l’évacuation de du métal liquide peut également être mis en place. D’autre part, le conduit d’entrée du métal dans l’empreinte peut être distinct de celui de vidange. Une fois que les températures du moule et du métal sont opérationnelles, le métal en fusion est injecté par un piston ou un gaz dans le moule, sous pression (de 5 à 5 000 bars). L’injection peut aussi se faire sous atmosphère contrôlée de gaz neutre (azote, argon ou autre). Le procédé de moulage par injection sous pression est très compatible avec des systèmes d’injection sous pression dits à chambre chaude, où le métal liquide vidangé peut revenir directement dans la chambre d’injection, utilisant un piston d’injection piloté par vérin hydraulique ou réalisant l’injection par pression de gaz dans la chambre. Moins facile de mise en œuvre, le procédé sous pression à chambre froide peut être aussi utilisé, notamment dans le cas où la vidange du surplus de métal liquide s’effectue par un conduit différent de celui d’injection.

Ce mode de réalisation du procédé de l’invention est illustré par les Figures 8 à 14.

Selon un mode de réalisation particulier, la présente invention concerne le procédé de fabrication tel que défini ci-dessus, dans lequel l’étape 1 d’injection est effectuée par gravité, ladite étape 1 d’injection étant effectuée par versement du métal liquide par une ouverture dans la partie haute du moule.

Par «partie haute du moule», on entend la partie apicale du moule, à savoir la partie qui est la plus éloignée du sol.

Selon un autre mode de réalisation particulier, la présente invention concerne le procédé de fabrication tel que défini ci-dessus, dans lequel l’étape 1 d’injection est effectuée par injection avec un procédé de basse pression, ladite étape 1 d’injection étant effectuée par application d’une pression de gaz dans le contenant comprenant le métal liquide, permettant de pousser ledit métal liquide dans le moule, à travers un orifice situé dans le bas dudit moule.

Parmi les gaz utilisables dans l’étape 1 d’injection on peut citer, à titre d’exemple : l’air, l’azote, l’argon. Il est entendu que dans le cas de l’utilisation d’un métal oxydable, tel que les alliages d’aluminium, un gaz inerte comme l’azote ou l’argon est préféré afin d’éviter la formation de peaux d’alumine.

Par «le bas du moule», on entend la partie basale du moule, à savoir la partie qui est la plus proche du sol.

Selon un autre mode de réalisation particulier, la présente invention concerne le procédé de fabrication tel que défini ci-dessus, dans lequel l’étape 1 d’injection est effectuée par injection sous pression, ladite étape 1 d’injection étant effectuée par injection du métal liquide à l’aide d’un piston ou d’un gaz.

Selon un autre mode de réalisation particulier, la présente invention concerne le procédé de fabrication tel que défini ci-dessus, dans lequel l’étape 1 d’injection est effectuée par injection sous pression à chambre chaude, ladite étape 1 d’injection étant effectuée par injection du métal liquide à l’aide d’un piston ou d’un gaz.

Selon un autre mode de réalisation particulier, la présente invention concerne le procédé de fabrication tel que défini ci-dessus, dans lequel l’étape 1 d’injection est effectuée par injection sous pression à chambre froide, ladite étape 1 d’injection étant effectuée par injection du métal liquide à l’aide d’un piston ou d’un gaz.

A noter qu’au regard de ces deux modes de réalisation particuliers. Les valeurs des pressions d’injection sont nettement différentes (sous pression à chambre chaude : par gaz 5 à 110 bars et par piston hydraulique 100 à 400 bars ; sous pression à chambre froide : par piston 250 à 5000 bars ; basse pression : 1,5 bars). En général, le plan de joint principal du moule est horizontal en basse pression et vertical en moulage sous pression. En basse pression, le moule peut être en sable ou en métal ; en sous pression le moule est uniquement en métal. La sous pression permet des temps de cycle beaucoup plus courts et une plus grande précision géométrique que la basse pression. L’architecture du dispositif d’injection est aussi assez différente entre ces procédés.

Selon un autre mode de réalisation particulier, la présente invention concerne le procédé de fabrication tel que défini ci-dessus, dans lequel l’étape 4 de démoulage est effectuée par retournement du moule. Le retournement du moule permet à la coque de sortir du moule par gravité. Un exemple de ce mode de réalisation est schématisé dans la Figure 4C.

Selon un autre mode de réalisation particulier, la présente invention concerne le procédé de fabrication tel que défini ci-dessus, dans lequel le moule présente une ouverture dans le bas du moule, laquelle ouverture est obstruée, lors de l’étape 1 d’injection et lors de l’étape 2 de solidification, par un dispositif de fermeture, notamment un bouchon, une quenouille ou une trappe, l’étape 3 de soustraction étant initiée par une libération de ladite ouverture, par enlèvement dudit dispositif de fermeture.

Ce mode de réalisation est illustré par les Figures 1A et 1B. A noter que dans un mode de réalisation particulier, ledit dispositif de fermeture (bouchon, une quenouille ou trappe) est soit préchauffé, soit chauffant, soit isolant thermique.

Selon un autre mode de réalisation particulier, la présente invention concerne le procédé de fabrication tel que défini ci-dessus,

dans lequel le moule présente des moyens d’appel d’air ou de gaz dans le haut du moule, lesdits moyens d’appel d’air ou de gaz étant fermés lors de l’étape 1 d’injection et lors de l’étape 2 de solidification,

dans lequel l’étape 3 de soustraction est favorisée ou rendue possible par l’ouverture desdits moyens d’appel d’air ou de gaz entrainant un appel d’air ou de gaz, notamment d’azote ou d’argon, sous pression, en particulier à une pression égale ou supérieure à la pression atmosphérique.

Avantageusement lesdits moyens d’appel d’air ou de gaz sont une trappe ou bouchon en matériau très isolant thermique, ou en matériau chauffé ou préchauffé, évitant localement la solidification ; ou filtre(s) à air métallique(s) ou réfractaire(s) chauffé(s) ; voire élément de perçage de la fine peau solidifiée à cet endroit.

Lesdits moyens d’appel d’air ou de gaz sont dits fermés lorsque l’air ou le gaz ne peut pas pénétrer à l’intérieur du moule.

Lesdits moyens d’appel d’air ou de gaz sont dits ouverts lorsque l’air ou le gaz peut pénétrer à l’intérieur du moule.

Dans ce mode de réalisation, les moyens d’appel ou de gaz, notamment un bouchon ou une trappe, sont constitués d’un matériau isolant, et/ou en matériau chauffé ou préchauffé, afin d’éviter la solidification du métal contre la partie dudit dispositif en contact avec ledit métal.

De cette façon, lorsque les moyens sont ôtés, une ouverture est présente dans la coque formée à l’issue de l’étape 2 de solidification. Cette solution n’est toutefois utilisée en général que pour la basse pression et la sous pression.

Selon un autre mode de réalisation particulier, la présente invention concerne le procédé de fabrication tel que défini ci-dessus, dans lequel le point de fusion du métal est supérieur à 180°C, et est notamment compris de 180°C à 1750°C.

Selon un autre mode de réalisation particulier, la présente invention concerne le procédé de fabrication tel que défini ci-dessus, dans lequel le point de fusion du métal est supérieur à 320°C, et est notamment compris de 320°C à 1750°C.

Selon un autre mode de réalisation particulier, la présente invention concerne le procédé de fabrication tel que défini ci-dessus, dans lequel le point de fusion du métal est supérieur à 500°C, et est notamment compris de 500°C à 1750°C.

Selon un autre mode de réalisation particulier, la présente invention concerne le procédé de fabrication tel que défini ci-dessus, dans lequel le point de fusion du métal est supérieur à 660°C, et est notamment compris de 660 à 1750°C.

Selon un autre mode de réalisation particulier, la présente invention concerne le procédé tel que défini ci-dessus, dans lequel le métal est l’aluminium pur ou allié. En particulier, la présente invention concerne le procédé tel que défini ci-dessus, dans lequel le métal est l’aluminium pur. En particulier, la présente invention concerne également le procédé tel que défini ci-dessus, dans lequel le métal est l’aluminium allié.

Selon un autre mode de réalisation particulier, la présente invention concerne le procédé tel que défini ci-dessus, dans lequel le métal est l’alliage eutectique AlSi12.

Selon un autre mode de réalisation particulier, la présente invention concerne le procédé tel que défini ci-dessus, dans lequel le moule est constitué de fonte, d’aluminium, d’acier, d’alliage métallique, et est notamment constitué d’alliage d’aluminium, ou d’alliage de cuivre.

Il est également possible d’utiliser d’autres matériaux constituant le moule, comme par exemple : du sable, du plâtre réfractaire, de la céramique, ou du graphite. Le matériau qui constitue le moule doit être compatible avec le métal utilisé dans la préparation des pièces creuses. Ainsi, si le procédé sert à préparer une pièce en aluminium, dont le point de fusion se situe vers 660°C, il est préférable de choisir un moule constitué d’un matériau ayant un point de fusion supérieur à 660°C, comme, par exemple, un moule en acier ou en sable, afin de limiter la dégradation du moule. Pour la fabrication d’une pièce en acier de haut point de fusion (température de coulée comprise entre 1550°C et 1750°C), un moule en sable ou en alliage ferreux est préférablement utilisé.

Le procédé selon l’invention permet la fabrication de pièces comprenant une coque de faible épaisseur. Le procédé permet également de contrôler localement l’épaisseur de la coque solidifiée. Pour ce faire, il est possible d’utiliser un moule d’épaisseur variable. La coque solidifiée sera plus épaisse aux endroits où la paroi du moule est plus épaisse.

L’épaisseur de la coque solidifiée peut également être contrôlée par la chauffe locale du moule et/ou les poteyages déposés dans le moule. Ainsi, la coque solidifiée sera moins épaisse aux endroits en contact avec les parties surchauffées du moule, ou en contact avec les parties de l’empreinte revêtues de poteyage isolant thermique.

Selon un autre mode de réalisation particulier, la présente invention concerne le procédé tel que défini ci-dessus, dans lequel le moule est un moule d’épaisseur variable. Ce mode de réalisation permet en particulier de mieux contrôler la cartographie thermique du moule et donc de mieux maitriser les épaisseurs des pièces métalliques moulées.

Selon un autre mode de réalisation particulier, la présente invention concerne le procédé tel que défini ci-dessus, dans lequel le moule est localement chauffé ou refroidi à une température différente de celle du reste du moule. Cette température est dépendante de la géométrie de la pièce et du moule, ainsi que de la nature des matériaux utilisés (moule et métal coulé).

Dans certains cas, ce mode de réalisation permet une meilleure maîtrise de l’épaisseur (variable ou uniforme) des pièces métalliques. De même, l’utilisation de différents poteyages et/ou une variation d’épaisseur du moule et/ou l’intégration d’un joint thermique dans le moule (lames d’air ou matériau isolant incrusté) et/ou un dispositif de refroidissement (circulation d’un fluide ou incrustation d’un matériau conducteur thermique) peuvent permettre également de mieux gérer l’épaisseur de la coque solidifiée.

Selon un autre mode de réalisation particulier, la présente invention concerne le procédé tel que défini ci-dessus, dans lequel le moule est revêtu d’un revêtement de poteyage.

Le «revêtement de poteyage» est un revêtement apposé sur, ou contre, la face intérieure du moule (empreinte), c’est-à-dire la face qui sera en contact avec le métal fondu. Le revêtement de poteyage permet de faciliter le démoulage, de limiter les interactions chimiques moule-alliage et les chocs thermiques, ainsi que de participer au contrôle de la solidification. Un revêtement de poteyage est utilisé dans le cas de l’utilisation d’un moule métallique, et est constitué d’un matériau isolant- ou conducteur thermique. Le revêtement de poteyage a notamment une épaisseur comprise de 0,2 à 0,5 mm. Par « de 0,2 à 0,5 mm » on entend également les gammes suivantes : de 0,3 à 0,5 mm, de 0,4 à 0,5 mm, de 0,2 à 0,4 mm, de 0,2 à 0,3 mm, de 0,3 à 0,4 mm.

Sur ce point, il convient de noter qu’un revêtement, souvent appelé « couche », peut également être appliqué sur l’empreinte d’un moule en sable. En général, son rôle consiste à améliorer l’état de surface de la pièce moulée (atténuation de la granulométrie du sable), voire parfois à accélérer localement et en surface la solidification du métal coulé. La composition courante correspond à une farine réfractaire (zircon, graphite, …) en suspension dans un liquide (eau, alcool) qui est évaporé après l’application (au pistolet, pinceau ou au trempé). Lorsqu’une grande conductivité thermique est recherchée pour ce dépôt de surface, la couche peut contenir de la poudre d’aluminium.

Selon un autre mode de réalisation particulier, la présente invention concerne le procédé tel que défini ci-dessus, dans lequel le matériau de poteyage est un matériau isolant thermique, en particulier choisi parmi le talc, le kaolin, le blanc d’Espagne et le blanc de Meudon. A noter que l’épaisseur de ce type de matériau poteyage sur l’empreinte du moule est souvent comprise de 0,3 mm à 0,5 mm.

Selon un autre mode de réalisation particulier, la présente invention concerne le procédé tel que défini ci-dessus, dans lequel le matériau de poteyage est un matériau conducteur thermique, en particulier le graphite colloïdal. A noter que l’épaisseur de ce type de matériau de poteyage sur l’empreinte du moule est souvent de l’ordre de 0,2 à 0,3 mm.

Selon un autre mode de réalisation particulier, la présente invention concerne le procédé tel que défini ci-dessus, dans lequel, au début de l’étape 1 d’injection, le moule est à une température supérieure à la température ambiante. Le moule est notamment chauffé lorsqu’un moule constitué d’un matériau métallique est utilisé. Il n’est cependant pas nécessaire de chauffer le moule si ledit moule est un moule en sable.

Par «température ambiante» on entend une température comprise de 15°C à 30°C, en particulier comprise de 20 à 25°C.

Le chauffage du moule permet de recevoir le métal en fusion, tout en limitant les risques de dégradation du moule métallique,e.g.rupture par choc thermique, fissuration due à la fatigue thermique. De plus, le préchauffage du moule évite une solidification prématurée du métal versé conduisant à un remplissage incomplet du moule, appelé «malvenue».

Les températures de l’alliage et du moule peuvent être mesurées par thermocouples ou capteurs optiques.

Selon un autre mode de réalisation particulier, la présente invention concerne le procédé tel que défini ci-dessus, dans lequel, lors de l’étape 1 d’injection, le moule est à une température telle que la différence entre la température du moule et la température de la masse de métal fondu est comprise de 50°C à 1750°C.

Selon ce mode de réalisation, il faut entendre que la température du moule est inférieure de 50°C à 1750°C à la température de la masse de métal fondu (appelée couramment « température de coulée »). Sur ce point, il faut bien différencier la température de coulée (température de verse du métal fondu dans le moule) du point de fusion dudit métal (température de liquidus). L’écart entre ces deux températures ( température de coulée et température de liquidus) est appelé «la surchauffe» dans le vocabulaire métier des fondeurs.

Aux fins d’information :

• en moulage au sable où le moule est à température ambiante, la surchauffe est couramment comprise de 50°C à 200°C pour une coulée par gravité, et est très souvent comprise de 100°C à 150°C ;
• en moulage avec une coquille métallique et coulée par gravité, la surchauffe pour un alliage coulé d’aluminium est souvent comprise de 50°C à 100°C et la température du moule est de l’ordre de 350°C ; et
• en moulage sous pression, il est parfois possible d’avoir une surchauffe nulle (température d’injection du métal fondu dans le moule métallique égale à la température de liquidus du métal fondu), ou comprise entre 0°C et 150°C, ou plus rarement négative (c’est-à-dire avec une température d’injection du métal fondu comprise entre la température de liquidus et celle de solidus du métal fondu).

Suite aux expérimentations, les inventeurs ont de façon inattendue constaté que la surchauffe avec le procédé innovant selon l’invention peut être plus faible que celle utilisée couramment dans les procédés conventionnels de fonderie, alors qu’en général il est attendu qu’une pièce fine nécessite une surchauffe élevée. Cela permet des économies d’énergie et d’améliorer la durée de vie du moule métallique.

Par « de 50°C à 1750°C » on entend également les gammes suivantes : de 50 à 75°C, de 75 à 100°C, de 100 à 200°C, de 200 à 300°C, de 300 à 400°C, de 400 à 500°C, de 500 à 600°C, de 600 à 700°C, de 700 à 800°C, de 800 à 900°C, de 900 à 1000°C, de 1000 à 1100°C, de 1100 à 1200°C, de 1200 à 1300°C, de 1300 à 1400 °C, de 1400 à 1500°C, de 1500 à 1600°C, de 1600 à 1700°C, de 1700 à 1750°C.

A titre d’exemple pour les valeurs théoriques en moulage coquille classique : dans le cas où le métal à couler par gravité est l’aluminium pur, le moule métallique est préférablement chauffé à une température d’environ 350°C, le point de fusion de l’aluminium pur étant d’environ 660°C et la surchauffe souvent choisie d’environ 75°C, la température du moule est dans ce cas inférieure d’environ 385°C à la température de coulée du métal fondu. Ces valeurs correspondent aux températures couramment utilisées en moulage dit « en coquille » (càd en moule métallique avec coulée par gravité).

A titre d’exemple pratique non limitatif, correspondant à la réalisation illustrée en : lorsque le métal à couler est l’alliage AlSi12, le moule métallique (ici en alliage AlSi7Mg) est préférablement chauffé à une température d’environ 169,5°C, la température de coulée de l’alliage étant de 719°C. La température du moule est dans ce cas inférieure d’environ 549,5°C à la température de coulée de l’alliage AlSi12, et inférieure de 407,5°C à la température de liquidus (nommée dans ce texte « point de fusion », égale à 577°C sans traitement métallurgique de modification de l’eutectique) de l’alliage AlSi12.

Au regard de cette et du mode de réalisation du procédé de l’invention mis en œuvre, on comprend qu’en terme de températures, plusieurs facteurs peuvent intervenir tels que : la cartographie thermique initiale du moule, la température de liquidus du métal coulé (valeur fixée par la nature du matériau) et la surchauffe employée (fixant la température de verse dudit métal fondu). Également, trois autres paramètres interviennent pour la qualité de la pièce moulée obtenue : le temps de verse du métal fondu dans le moule, le temps suivant d’attente avant vidange et le temps de durée de la vidange, en particulier le temps d’attente avant vidange..

Ces cinq paramètres permettent d’influer sur les étapes du procédé selon l’invention afin d’assurer la qualité de la pièce moulée, notamment dans le cas présenté en .

Selon un mode de réalisation particulier, la présente invention concerne le procédé tel que défini ci-dessus, dans lequel ledit métal est aluminium ou un alliage d’aluminium, en particulier AlSi12,

dans lequel l’étape 1 d’injection est effectuée par gravité, ladite étape 1 d’injection étant effectuée par versement du métal liquide par une ouverture dans la partie haute du moule,

dans lequel le moule présente une ouverture dans lebasdu moule, laquelle ouverture est obstruée, lors de l’étape 1 d’injection et lors de l’étape 2 de solidification, par un dispositif de fermeture, notamment un bouchon, une quenouille ou une trappe, l’étape 3 de soustraction étant initié par une libération de ladite ouverture, par enlèvement dudit dispositif de fermeture.

Avantageusement dans ce mode de réalisation( )le temps de verse du métal fondu (masse de 19 à 24 kg environ) dans le moule est de 10 à 17 secondes.

Avantageusement dans ce mode de réalisation le temps d’attente avant vidange dans le moule est de 10 secondes à une minute.

Avantageusement dans ce mode de réalisation le temps de durée de vidange est de 11 à 18 secondes.

Selon un autre mode de réalisation particulier, la présente invention concerne le procédé tel que défini ci-dessus, dans lequel ladite température du moule supérieure à la température ambiante est :

• soit atteinte par une étape 0 de préchauffage du moule, avant l’étape 1 de versement,
• soit le résultat d’une production précédente.

Le préchauffage du moule peut être effectué, à titre d’exemple par utilisation de brûleurs à gaz, ou de dispositifs électriques de chauffe.

Après une première production, il est possible que le moule ait déjà la température souhaitée. Dans ce cas, le moule peut être utilisé sans chauffage supplémentaire. Cette caractéristique est particulièrement intéressante et recherchée dans le cas d’une production de multiples pièces en série.

Selon un autre mode de réalisation particulier, la présente invention concerne le procédé tel que défini ci-dessus, dans lequel le métal fondu, injecté lors de l’étape 1 d’injection, est à une température égale ou supérieure au point de fusion dudit métal,

ladite température, nommée «température de coulée/d’injection», étant égale ou supérieure de 0°C à 200°C par rapport audit point de fusion.

La surchauffe au-dessus du point de fusion est dépendante de la géométrie de la pièce à mouler, la nature de l’alliage et celle du moule. Le choix de la température à laquelle le métal est chauffé relève du savoir-faire de l’homme de l’art.

Par «de 0°C à 200°C» on entend également les gammes suivantes : de 0°C à 150°C, de 0°C à 100°C, de 0°C à 50°C, de 50°C à 100°C, de 50°C à 150°C, de 50°C à 200°C, de 100°C à 200°C, de 150°C à 200°C, de 100°C à 150°C.

A titre d’exemple en moulage coquille classique, pour un alliage AlSi12 coulé par gravité dans le moule métallique, la différence entre la température de coulée et le liquidus (appelée « surchauffe ») est souvent comprise de 50°C à 100°C.

Le liquidus dudit alliage étant de 580°C (solidus 575°C) ( cf NFA 57.703), l’alliage est donc chauffé à une température comprise de 630 à 680°C,e.g.souvent à une température d’environ 650°C.

Pour la mise en œuvre de la présente invention, notamment l’obtention d’épaisseur faible de coque solidifiée et le temps nécessaire pour effectuer la vidange, des surchauffes supérieures peuvent être employées,e.g.comprise de 100 à 200°C.

La présente invention concerne également un procédé de fabrication en série d’au moins deux pièces métalliques, ledit procédé comprenant au moins :

• la fabrication d’une première pièce métallique selon le procédé de fabrication tel que défini ci-dessus, et
• la fabrication d’une deuxième pièce métallique, selon le procédé de fabrication tel que défini ci-dessus, dans lequel le métal utilisé versé dans l’étape 1 de versement est le métal soustrait lors de l’étape 3 de soustraction de la fabrication de la première pièce.

Dans ce mode de réalisation, après la première production, il n’est plus nécessaire de chauffer le moule. Les coulées successives dans le moule métallique entretiennent le moule chaud. Le procédé de production en série est un procédé relativement économique (limitation des consommations énergétiques). L’épaisseur du moule et la température de préchauffage permettent donc de dissiper suffisamment la chaleur pour solidifier la peau d’alliage, mais assurent aussi de conserver le moule métallique suffisamment chaud pour couler les pièces suivantes sans avoir à réchauffer le moule, par une autorégulation thermique du moule : la chaleur apportée au moule par chaque pièce produite correspond alors substantiellement à la chaleur échangée par le moule avec son milieu extérieur pendant le temps de cycle.

Une autre solution consiste à vidanger le moule directement au-dessus du four de fusion-maintien, permettant ainsi de limiter le refroidissement du métal récupéré encore liquide pour son réemploi, et donc limitant les dépenses énergétiques des moyens de fusion, ces solutions étant non exhaustives.

Toutefois, dans certains cas particuliers de pièces, un dispositif de refroidissement ou de chauffe locale peut aussi être installé sur le moule.

A titre d’exemple, pour la coulée, d’un alliage d’aluminium, un ordre de grandeur de l’épaisseur du moule est donné par la formule de Jander :

Pour dimensionner l’épaisseur de la coque solidifiée de façon plus optimale, un logiciel de simulation numérique de fonderie peut être utilisé (jumeau numérique du procédé de moulage). Garder une empreinte pleine d’alliage en fusion avant la vidange du moule facilite le maintien à une température élevée du moule en service.

Ce procédé permet également une production en continu avec une cadence élevée. La cadence dépend de plusieurs paramètres dont la géométrie de la pièce et ses dimensions, ainsi que de la nature de l’alliage coulé et du matériau du moule.

A titre indicatif, pour des pièces de petite à moyenne taille avec alliage d’aluminium coulé et moule métallique le temps de cycle peut être de quelques secondes à 5 minutes.

Le procédé selon la présente invention est moins onéreux, moins énergivore et moins polluant que les procédés conventionnels. Cela est le résultat de l’absence de noyau dans le procédé de l’invention et de la mise au mille très faible,e.g.proche de 1 :1.

Undeuxième objetde la présente invention concerne une pièce métallique creuse susceptible d’être obtenue par le procédé tel que défini ci-dessus.

Le présent procédé permet d’obtenir des pièces métalliques creuses très variées. Selon la pièce à produire, l’homme de l’art est en mesure de choisir parmi les différentes options de procédé exposées dans la présente demande.

Les caractéristiques du procédé, à savoir l’absence d’un noyau et la formation d’une coque solidifiée de métal contre la paroi intérieure du moule, confèrent aux pièces métalliques moulées des surfaces extérieures et surtout intérieures de structure spécifique par rapport aux pièces produites par les techniques conventionnelles.

Effectivement, les pièces produites ont une surface extérieure lisse et une surface intérieure cristallographique.

Par «surface extérieure lisse» on entend une surface correspondant à la forme complémentaire de la géométrie de la surface intérieure du moule (empreinte). La surface extérieure de la pièce produite est cependant légèrement diminuée par le retrait linéaire, i.e. la contraction du métal solidifié entre la température du solidus et la température ambiante.

La surface lisse est donc dépourvue d’artifices cristallographiques, n’est pas rugueuse et ne possède pas une topologie accidentée (pas de relief prononcé dû aux cristaux de solidification).

Par «surface intérieure cristallographique» on entend une surface non lisse, rugueuse et présentant un relief chaotique. La topologie de la surface cristallographique présente des reliefs correspondant aux cristaux formés lors de la solidification, e.g. cristaux dendritiques, cristaux polyédriques, cellules eutectiques.

Ainsi, une coque métallique obtenue par le procédé de la présente invention, présente donc en relief sur sa surface intérieure des structures dendritiques, colonnaires et/ou équiaxes, et des facettes eutectiques pour les alliages hypoeutectiques.

Par exemple, une pièce produite avec l’alliage eutectique AlSi12, présentera sur la surface intérieure des cristaux dendritiques riche en aluminium, des cristaux polyédriques riches en silicium, et majoritairement des cellules eutectiques.

La taille de ces différents cristaux est liée à la vitesse de solidification du métal ; plus la vitesse élevée plus les grains de cristaux sont fins.

Les pièces produites selon le procédé de l’invention peuvent également avoir une épaisseur très faible, homogène et contrôlable par rapport aux pièces produits par des techniques existantes.

Par exemple lors de la mise en œuvre d’un procédé dit «de coulée au renversé», pendant le basculement du moule pour la vidange, une partie de l’empreinte du moule est plus longtemps en contact avec le métal versé que le reste de l’empreinte. Le résultat est une pièce non-symétrique et d’épaisseur non-homogène.

Pour certaines typologies de pièces produites, une épaisseur de coque solidifiée inférieure à 2 mm peut être obtenue sur la totalité de la pièce ; cela même avec une coulée, une solidification et une vidange effectuées par gravité.

Dans la mesure où la coque est d’épaisseur variable, ladite coque n’est manifestement pas fine sur toute sa surface. La phrase ci-haut correspond donc à un mode de réalisation préférée de l’invention qui portein finesur des pièces fines.

Les inventeurs ont mis au point un procédé innovant permettant la mise en œuvre d’un procédé de «coulée vidangée» avec des métaux detempératurede fusion supérieure à 180°C (en particulier supérieure à 320°C), sans basculement du moule lors de la vidange.

La mise en œuvre de ce procédé a donc permis de disposer de pièces métalliques creuses ayant une surface intérieure cristallographique ainsi qu’une très faible épaisseur, impossibles à obtenir avec les procédés conventionnels de fabrication connus de l’art antérieur tels que le moulage, l’usinage, la déformation plastique. La présence de cette surface intérieure cristallographique est intéressante pour certaines applications, notamment dans le transfert de chaleur (échangeurs thermiques), la réflexion lumineuse (décoration, luminaires), la rugosité (pièces anti-dérapantes),etc.

Unautre objetde la présente invention concerne une pièce métallique creuse comprenant:

- une surface extérieur lisse

- une surface intérieure cristallographique et

- une épaisseur moyenne homogène,

Selon un mode de réalisation particulier, l’invention concerne une pièce métallique creuse telle que défini ci-dessus dans laquelle le métal de ladite pièce métallique a un point de fusion supérieur à 180°C, en particulier supérieur à 320°C

Selon un mode de réalisation particulier, l’invention concerne une pièce métallique creuse telle que défini ci-dessus dans laquelle l’épaisseur moyenne homogène est de 0,2 mm à 2 mm.

Selon un mode de réalisation particulier, l’invention concerne une pièce métallique creuse telle que défini ci-dessus, dans laquelle la topologie de ladite surface intérieure cristallographique comprend des reliefs correspondant aux cristaux formés lors de la solidification, en particulier des reliefs correspondant aux cristaux dendritiques ou aux cristaux polyédriques ou aux cellules eutectiques.

Selon un mode de réalisation particulier, l’invention concerne une pièce métallique creuse

comprenant:

- une surface extérieur lisse comprenant des grains métallurgiques,

- une surface intérieure cristallographique et

- une épaisseur moyenne homogène, en particulier de 0,2 mm à 2 mm,

ladite pièce métallique est constituée d’un métal ayant un point de fusion supérieur à 180°C, en particulier supérieur à 320°C,

dans laquelle la topologie de ladite surface intérieure cristallographique comprend des reliefs correspondant aux cristaux métallurgiques, en particulier des reliefs correspondant aux cristaux dendritiques ou aux cristaux polyédriques ou aux cellules eutectiques.

Les cristaux métallurgiques sont les cristaux formés librement lors de la solidification du métal fondu à partir duquel la pièce est fabriquée, par exemple sans contrainte d’une surface appliquée.

Les grains métallurgiques sont des cristaux de solidification formés en contact d’une surface lors de la solidification.

Selon un mode de réalisation particulier, l’invention concerne une pièce métallique creuse telle que défini ci-dessus, dans laquelle ladite pièce métallique creuse comprend en relief sur sa surface intérieure cristallographique des structures choisies parmi des structures dendritiques, des structures colonnaires, des structures équiaxes et des structures de facettes eutectiques ou un mélange ou une association de ces structures.

Par « association de ces structures » on entend par exemple des cristaux dendritiques constitués de colonnes.

Etats de surface du produit :

Selon le procédé innovant de fabrication de l’invention, la pièce moulée présente deux types d’état de surface.

Les surfaces du produit en contact direct avec les éléments moulants (empreinte du moule, broches) sont « lisses ». Ces surfaces « lisses » sont principalement extérieures ; leur rugosité est relativement faible car représentative de l’état de surface de l’intérieur du moule.

Les surfaces du produit qui ne sont pas directement en contact avec les éléments moulants, généralement les surfaces intérieures du produit, sont appelées « cristallographiques ». Ces surfaces « cristallographiques » sont chaotiques, c’est-à-dire de rugosité importante, car représentatives de la morphologie des phases solides développées pendant la solidification et de l’écoulement du métal fondu lors de la vidange.

Visuellement, il est possible d’identifier ces différentes surfaces sur le produità l’œil nu,à l’aide d’images comparatives de référence de microscopie optique ou de microscopie électronique à balayage.

Le profil de ces surfaces est mesurable via un rugosimètre ou des clichés métallographiques :

Dans un mode de réalisation particulier, l’invention concerne une pièce métallique creuse telle que défini ci-dessus dans laquelle la taille des grains métallurgiques de la surface extérieure lisse est inférieure à celle des cristaux sur la surface intérieure cristallographique.

Avantageusement la pièce métallurgique creuse comprend une augmentation de la taille des cristaux dans l’épaisseur de la surface extérieure lisse à la surface intérieure cristallographique.

Taille des grains métallurgiques :

Le refroidissement rapide du métal fondu en contact direct avec le moule génère une faible taille des cristaux primaires de solidification (cristaux dendritiques, polyédriques, … selon la nature du métal fondu). A l’inverse, au voisinage des surfaces « cristallographiques », où le temps de solidification est plus long, la taille de ces cristaux primaires de solidification est plus grossière.

Par observation métallographique, sur échantillon coupé et poli, il est possible de percevoir cette évolution de taille de grain et d’en effectuer la mesure (mesure de DAS, analyse d’image).

Selon un mode de réalisation particulier, la présente invention concerne une pièce métallique creuse constitué d’une coque métallique qui entoure, ou qui partiellement entoure une partie vide,

dans laquelle la dite coque métallique a :

• une surface extérieure lisse,
• une surface intérieure cristallographique,

dans laquelle le métal de la dite coque métallique a un point de fusion supérieur à 180°C, en particulier supérieur à 320°C.

Selon un mode de réalisation particulier, la présente invention concerne la pièce métallique, telle que définie ci-dessus, ayant une épaisseur inférieure ou égale à 2 mm, en particulier de 0,2 mm à 2 mm, sur au moins une partie de la pièce ou la totalité de la pièce.

Selon un mode de réalisation particulier, la présente invention concerne la pièce métallique telle que définie ci-dessus, dans laquelle le métal est un métal pur ou un alliage dudit métal, alliage type eutectique préférable.

Selon un autre mode de réalisation particulier, la présente invention concerne la pièce métallique telle que définie ci-dessus, dans laquelle le métal est l’aluminium.

Selon un autre mode de réalisation particulier, la présente invention concerne la pièce métallique telle que définie ci-dessus, dans laquelle le métal est l’alliage eutectique AlSi12.

Unautre objetde la présente invention concerne un assemblage comprenant un, deux ou plusieurs pièces métalliques creuses telles qu’obtenues selon le procédé ci-dessus ou selon l’invention telle que défini ci-dessus.

A titre d’exemple, un cadre de vélo a été conçu comme exemplifié dans la .

Les Exemples et Figures suivants illustrent l’invention, sans en limiter la portée.

LISTE DES FIGURES

représente des systèmes de coulée vidangée par gravité

LaFigure 1A représente un moule ouvert vidangé par ouverture de trappe/bouchon ou autre dispositif.101représente le moule (métallique, ou en sable, ou en plâtre réfractaire, ou en céramique, ou en graphite),102représente le remplissage du moule avec le métal/alliage métallique en fusion,103représente un dispositif de trappe/bouchon (matériau isolant thermique ou métallique, chauffé ou préchauffé selon besoin) ou autre dispositif placé sous le moule ou sur le côté le moule dans certaines applications,104représente la vidange du bain métallique en fusion,107représente une coque métallique solidifiée,108représente la surface intérieure de la coque de métal/alliage solidifié, laquelle surface intérieure est sous la forme d’une surface cristallographique dont l’état de surface dépend du type d’alliage métallique coulé,109représente la surface extérieure de la coque de métal/alliage solidifié, laquelle surface extérieure est complémentaire à la géométrie de l’empreinte du moule.

LaFigure 1B représente un moule ouvert vidangé par une quenouille supérieure.101représente le moule (métallique, ou en sable, ou en plâtre réfractaire, ou en céramique, ou en graphite),102représente le remplissage du moule avec le métal/alliage métallique en fusion,105représente une quenouille supérieure (matériau réfractaire ou tube métallique avec poteyage isolant, chauffé ou préchauffé si besoin),106représente le retrait de la quenouille vers le haut pour permettre la vidange du bain,104représente le vidange du bain métallique encore en fusion,107une coque métallique solidifiée,108représente la surface intérieure de la coque de métal/alliage solidifié, laquelle surface intérieure est sous la forme d’une surface cristallographique dont l’état de surface dépend du type d’alliage métallique coulé,109représente la surface extérieure de la coque de métal/alliage solidifié, laquelle surface extérieure est complémentaire à la géométrie de l’empreinte du moule.

LaFigure 1C représente un moule permettant la préparation d’une coque solidifiée substantiellement fermée.101représente le moule (métallique conseillé),102représente le remplissage du moule avec le métal/alliage métallique en fusion,103représente un dispositif de trappe/bouchon (matériau isolant thermique ou métallique, chauffé ou préchauffé selon besoin) ou autre dispositif placé sous le moule ou sur le côté le moule dans certaines applications,104représente la vidange du bain de métal en fusion,111représente une partie du moule isolée thermiquement ou chauffée (pas ou très peu d’alliage solidifié),110représente le plafond supérieur de l’empreinte,112représente une colonne de métal liquide permettant de compenser le retrait volumique de l’alliage liquide lors de son refroidissement et d’assurer un minimum de pression métallostatique en partie supérieure de l’empreinte pour la bonne venue de la géométrie de la pièce moulée,107représente une coque métallique solidifiée,108représente la surface intérieure de la coque de métal/alliage solidifié, laquelle surface intérieure est sous la forme d’une surface cristallographique dont l’état de surface dépend du type d’alliage métallique coulé,109représente la surface extérieure de la coque de métal/alliage solidifié, laquelle surface extérieure est complémentaire à la géométrie de l’empreinte du moule.

A noter que les dimensions de la colonne (112) de métal liquide sont fonction de la densité à l’état liquide du métal ou de l’alliage métallique, du retrait volumique du métal ou alliage liquide lors de son refroidissement et de la géométrie de la pièce (volume notamment, module thermique).

représente un système de coulée basse pression avec une arrivée d’air ou de gaz située localement dans le moule pour assurer la vidange.

LaFigure 2A représente le remplissage du moule.

LaFigure 2B représente le moule rempli.

LaFigure 2C représente la vidange du moule.

LaFigure 2D représente le moule vidangé de métal/alliage en fusion, comprenant une coque de métal/alliage solidifié contre la paroi intérieure du moule.

Légende :201représente le moule/empreinte,202représente le four ou creuset étanche aux gaz et contenant le métal ou l’alliage métallique en fusion,203représente le métal/alliage fondu,204représente l’arrivée d’air ou de gaz (azote, argon, ou autre) dont la pression peut augmenter pour permettre de remplir l’empreinte de manière contrôlée,205représente le métal/alliage métallique solidifié,206représente la trappe ou le bouchon en matériau très isolant thermique, ou en matériau chauffé ou préchauffé, évitant la solidification (voire le perçage de la fine peau solidifiée à cet endroit) ; ou filtre(s) métallique(s) ou réfractaire(s) à air chauffé(s) pour réaliser l’appel d’air ou de gaz,207représente l’arrivée d’air ou de gaz (pression atmosphérique ou supérieure) pour favoriser/permettre la vidange de l’alliage encore liquide.

représente un système de coulée basse pression avec une arrivée d’air ou de gaz par la buse d’injection pour assurer la vidange.

LaFigure 3A représente le remplissage du moule.

LaFigure 3B représente le moule rempli.

LaFigure 3C représente la vidange du moule.

LaFigure 3D représente le moule vidangé de métal/alliage en fusion, comprenant une coque de métal/alliage solidifié contre la paroi intérieure du moule.

Légende :301représente le moule / l’empreinte,302représente le four ou le creuset étanche aux gaz et contenant le métal ou l’alliage métallique en fusion,303représente le métal/alliage fondu,304représente l’arrivée d’air ou de gaz (azote, argon, ou autre) dont la pression peut augmenter pour permettre de remplir l’empreinte de manière contrôlée,305représente le métal/alliage métallique solidifié contre la paroi intérieure du moule,308représente la vanne de gaz située sur la buse d’injection,309représente l’arrivée de gaz ou d’air sous pression (atmosphérique ou supérieure) afin de favoriser / rendre possible la vidange.

représente le principe d’un dispositif de production en série pour un exemple de pièce.

LaFigure 4A représente le remplissage du moule.

LaFigure 4B représente la vidange du moule.

LaFigure 4C représente le démoulage de la coque solidifiée et le remplissage du godet de coulée.

Légende :400représente le four de maintien,401représente le bain du four de maintien de grande capacité,402représente le moule/empreinte,403représente le système d’obstruction (bouchon, trappe, quenouille, autre),404représente une liaison pivot,405représente un godet,406représente une goulotte de transvasement,407représente le transfert du métal en fusion du godet vers l’empreinte,408représente l’inclinaison progressive pour permettre le bon remplissage de l’empreinte,409représente la vidange du surplus de liquide en fusion contenu dans l’empreinte, récupérée dans le bain du four de maintien,410représente une liaison pivot du moule pour permettre le retournement de l’empreinte,411représente la rotation du moule lors du démoulage de la pièce,412représente le démoulage de la pièce sur un support,413représente un support du type grille métallique,414représente la coque de métal/alliage solidifié et démoulé,415représente la rotation du système de louche/godet pour le puisage du métal en fusion dans le four en parallèle de l’opération de démoulage de la pièce.

représente des photographies d’un procédé de moulage au sable selon l’exemple 5.

LaFigure 5A représente une photographie d’un gabarit en bois.

LaFigure 5B représente une photographie de la réalisation d’un moule en sable/extraction du gabarit en bois.

LaFigure 5C représente une photographie du remplissage du moule en sable avec un alliage d’aluminium en fusion.

LaFigure 5D représente une photographie du maintien du métal liquide dans le moule pour solidification.

LaFigure 5E représente une photographie de la vidange du métal liquide par le bas du moule.

LaFigure 5F représente une photographie de la coque obtenue selon le procédé de moulage en sable.

représente des photographies d’un procédé de moulage avec une coquille en alliage d’aluminium.

LaFigure 6A représente une photographie d’un banc d’essai de coulée vidangée.601représente un moule (coquille) en alliage d’aluminium.602représente un orifice permettant la vidange du bain de métal en fusion, qui sera obstrué par une quenouille, une trappe ou autre système,603représente un support de moule pivotant, permettant de démouler la coque solidifiée,604représente le pivot pour la rotation du support de moule,605représente un bras de levier permettant de pivoter le moule lors du démoulage,606représente un châssis fixe (structure mécano-soudée),607représente un lit de sable,608représente une poche de coulée, recueillant le métal en fusion lors de la vidange du moule,609représente un brancard permettant de transporter la poche avec le métal en fusion, pour retransvaser celui-ci dans le four.

LaFigure 6B représente une photographie de la surface extérieure d’une coque en métal solidifié.

LaFigure 6C représente une photographie de la surface intérieure cristallographique d’une coque en métal solidifié.

représente un assemblage comprenant une pièce (cadre de vélo) pouvant être fabriquée par le procédé de l’invention.

représente un système de moulage sous pression à chambre chaude avec piston d’injection commandé par un vérin hydraulique (ou pneumatique).

LaFigure 8A représente l’injection du métal en fusion dans le moule et son maintien sous pression pendant la formation de la coque solidifiée.

LaFigure 8B représente la vidange du moule, l’alimentation de la chemise en métal fondu et la coque solidifiée obtenue.

Légende :801représente la partie mobile du moule,802représente la partie fixe du moule,803représente la trappe ou le bouchon en matériau très isolant thermique, ou en matériau chauffé ou préchauffé, évitant localement la solidification (voire le perçage de la fine peau solidifiée à cet endroit) ; ou le(s) filtre(s) à air métallique(s) ou réfractaire(s) chauffé(s) pour réaliser l’appel d’air ou de gaz (azote, argon, ou autre) sous pression (atmosphérique ou supérieure) afin de favoriser / rendre possible la vidange,804représente le creuset du four de maintien,805représente le métal/alliage fondu maintenu à la température de coulée,806représente la chambre d’injection appelée usuellement « le gooseneck »,807représente le piston d’injection,808représente la tige du vérin hydraulique ou pneumatique qui pilote l’injection,809représente la lumière obturable permettant le remplissage de la chemise d’injection avec le métal/alliage fondu,810représente le nez du col de cygne (extrémité du gooseneck) souvent appelé « buse d’injection »,811représente le manchon isolant ou chauffant évitant la solidification du métal/alliage dans la buse d’injection (en général température égale ou supérieure au liquidus),812représente l’alimentation de la chemise d’injection en métal/alliage fondu depuis le bain du four,813représente la surface extérieure de la coque de métal/alliage solidifié, laquelle surface extérieure est complémentaire à la géométrie de l’empreinte du moule,814représente la surface intérieure de la coque de métal/alliage solidifié, laquelle surface intérieure est sous la forme d’une surface cristallographique dont l’état de surface dépend du type d’alliage métallique coulé,815représente la coque métallique solidifiée contre la paroi intérieure du moule,816représente le déplacement de la tige du vérin permettant de remplir l’empreinte de manière contrôlée,817représente le retour de la tige du vérin permettant de vidanger le moule du métal encore liquide et de recharger la chemise d’injection en métal fondu,818représente le plan de joint principal du moule (ici vertical).

représente un système de moulage sous pression à chambre chaude avec injection du métal fondu par air ou gaz (azote, argon, ou autre) sous pression.

Légende:906représente la chambre d’injection appelée usuellement « le gooseneck »,919représente la poche d’air ou de gaz, dont la mise en pression permet le remplissage contrôlé de l’empreinte du moule,920représente la vanne pilotant l’arrivée d’air ou du gaz sous pression,921représente la lumière obturable permettant l’alimentation de la chemise d’injection avec du métal fondu et contenu dans le four de maintien.

A noter qu’en moulage sous pression avec injection par air ou gaz, il existe des systèmes où le gooseneck est monté sur un pivot horizontal, permettant par sa rotation le remplissage de la chemise par le nez du col de cygne. Dans ce cas particulier, l’orifice mentionné921correspond alors à la buse d’injection notée810dans la .

représente un système de moulage sous pression à chambre froide avec une chemise horizontale d’injection classique par piston commandé grâce à un vérin hydraulique (ou pneumatique), et avec un plan de joint principal vertical du moule.

LaFigure 10A représente l’alimentation de la chemise d’injection en métal fondu avec le moule préalablement refermé.

LaFigure 10B représente l’injection du métal en fusion dans le moule et son maintien sous pression pendant la formation de la coque solidifiée.

LaFigure 10C représente la vidange du moule et la coque solidifiée obtenue.

Légende:1000représente le retour de la tige du vérin afin de recharger la chemise d’injection en métal fondu,1001représente la partie mobile du moule,1002représente la partie fixe du moule,1003représente la trappe ou le bouchon en matériau très isolant thermique, ou en matériau chauffé ou préchauffé, évitant localement la solidification (voire le perçage de la fine peau solidifiée à cet endroit) ; ou le(s) filtre(s) à air métallique(s) ou réfractaire(s) chauffé(s) pour réaliser l’appel d’air ou de gaz (azote, argon, ou autre) sous pression (atmosphérique ou supérieure) afin de favoriser / rendre possible la vidange,1004représente le remplissage de la chemise d’injection avec du métal fondu, grâce à une louche manuelle, un godet automatique ou autre dispositif depuis le four de maintien,1005représente le métal/alliage fondu dans la chemise avant l’injection,1006représente la chambre d’injection,1007représente le piston d’injection,1008représente la tige du vérin hydraulique ou pneumatique qui pilote l’injection,1009représente la lumière obturable permettant le remplissage de la chemise d’injection avec le métal/alliage fondu,1010représente le système d’obturation (bouchon, trappe, quenouille, autre) isolant thermique, qui peut être chauffant ou préchauffé,1011représente l’attaque de coulée,1012représente le déplacement de la tige du vérin permettant de remplir l’empreinte de manière contrôlée,1013représente la surface extérieure de la coque de métal/alliage solidifié, laquelle surface extérieure est complémentaire à la géométrie de l’empreinte du moule,1014représente la surface intérieure de la coque de métal/alliage solidifié, laquelle surface intérieure est sous la forme d’une surface cristallographique dont l’état de surface dépend du type d’alliage métallique coulé,1015représente la coque métallique solidifiée contre la paroi intérieure du moule,1016représente l’arrivée d’air ou de gaz (pression atmosphérique ou supérieure) pour favoriser/permettre la vidange du métal/alliage encore liquide,1017représente la vidange par gravité du métal encore liquide dans le moule,1018représente le plan de joint principal du moule (ici vertical),1019représente le déplacement de la partie mobile du moule afin d’extraire la coque solidifiée.

représente un système de moulage sous pression avec une chemise horizontale chauffante/thermo-régulée, un piston d’injection commandé grâce à un vérin hydraulique (ou pneumatique), et un plan de joint principal horizontal du moule.

LaFigure 11A représente l’alimentation de la chemise chauffée/thermo-régulée d’injection en métal fondu avec le moule préalablement refermé.

LaFigure 11B représente l’injection du métal en fusion dans le moule et son maintien sous pression pendant la formation de la coque solidifiée.

LaFigure 11C représente la vidange du moule et la coque solidifiée obtenue.

Légende:1100représente le retour de la tige du vérin afin de vidanger le moule et de recharger la chemise d’injection en métal fondu,1101représente la partie mobile du moule,1102représente la partie fixe du moule,1103représente la trappe ou le bouchon en matériau très isolant thermique, ou en matériau chauffé ou préchauffé, évitant localement la solidification (voire le perçage de la fine peau solidifiée à cet endroit) ; ou le(s) filtre(s) à air métallique(s) ou réfractaire(s) chauffé(s) pour réaliser l’appel d’air ou de gaz (azote, argon, ou autre) sous pression (atmosphérique ou supérieure) afin de favoriser / rendre possible la vidange,1104représente le remplissage de la chemise d’injection avec du métal fondu, grâce à une louche manuelle, un godet automatique ou autre dispositif depuis le four de maintien,1105représente le métal/alliage fondu dans la chemise avant l’injection,1106représente la chambre chauffée/thermo-régulée d’injection,1107représente le piston d’injection,1108représente la tige du vérin hydraulique ou pneumatique qui pilote l’injection,1109représente la lumière obturable permettant le remplissage de la chemise d’injection avec le métal/alliage fondu,1111représente l’attaque de coulée,1112représente le déplacement de la tige du vérin permettant de remplir l’empreinte de manière contrôlée,1113représente la surface extérieure de la coque de métal/alliage solidifié, laquelle surface extérieure est complémentaire à la géométrie de l’empreinte du moule,1114représente la surface intérieure de la coque de métal/alliage solidifié, laquelle surface intérieure est sous la forme d’une surface cristallographique dont l’état de surface dépend du type d’alliage métallique coulé,1115représente la coque métallique solidifiée contre la paroi intérieure du moule,1116représente l’arrivée d’air ou de gaz (pression atmosphérique ou supérieure) pour favoriser/permettre la vidange du métal/alliage encore liquide,1117représente le retour par gravité du métal encore liquide dans la chemise chauffée/thermo-régulée suite à la vidange,1118représente le plan de joint principal du moule (ici horizontal),1119représente l’ouverture du moule permettant d’éjecter la coque solidifiée.

représente un système de moulage sous pression à chambre froide avec une chemise verticale d’injection, piston commandé par un vérin hydraulique (ou pneumatique) et plan de joint principal horizontal du moule. La chemise peut être intégrée à l’outillage de moulage et ce dispositif présente une évacuation extérieure du métal non solidifié.

LaFigure 12A représente l’alimentation de la chemise d’injection en métal fondu, juste avant la fermeture du moule.

LaFigure 12B représente l’injection du métal en fusion dans le moule et son maintien sous pression pendant la formation de la coque solidifiée.

LaFigure 12C représente la vidange du moule et la partie solidifiée obtenue (pièce + pastille résiduelle d’injection).

Légende :1200représente le retour de la tige du vérin afin d’alimenter la chemise d’injection en métal fondu avant la fermeture du moule,1201représente la partie supérieure mobile du moule,1202représente la partie inférieure fixe du moule,1203représente la trappe ou le bouchon en matériau très isolant thermique, ou en matériau chauffé ou préchauffé, évitant localement la solidification (voire le perçage de la fine peau solidifiée à cet endroit) ; ou le(s) filtre(s) à air métallique(s) ou réfractaire(s) chauffé(s) pour réaliser l’appel d’air ou de gaz (azote, argon, ou autre) sous pression (atmosphérique ou supérieure) afin de favoriser / rendre possible la vidange,1204représente le remplissage de la chemise d’injection avec du métal fondu, grâce à une louche manuelle, un godet automatique ou autre dispositif depuis le four de maintien,1205représente le métal/alliage fondu dans la chemise avant l’injection,1206représente la chambre d’injection ici intégrée au moule,1207représente le piston d’injection,1208représente la tige du vérin hydraulique ou pneumatique qui pilote l’injection,1209représente le système d’obturation (bouchon, trappe, quenouille, autre) isolant thermique, qui peut être chauffant ou préchauffé,1210représente la pastille d’injection, résiduelle solidifiée, adhérente à la pièce moulée lors de son éjection,1211représente la carotte de vidange,1212représente le déplacement de la tige du vérin permettant le remplissage contrôlé de l’empreinte,1213représente la surface extérieure de la coque de métal/alliage solidifié, laquelle surface extérieure est complémentaire à la géométrie de l’empreinte du moule,1214représente la surface intérieure de la coque de métal/alliage solidifié, laquelle surface intérieure est sous la forme d’une surface cristallographique dont l’état de surface dépend du type d’alliage métallique coulé,1215représente la coque métallique solidifiée contre la paroi intérieure du moule,1216représente l’arrivée d’air ou de gaz (pression atmosphérique ou supérieure) pour favoriser/permettre la vidange du métal/alliage encore liquide,1217représente le plan de joint principal du moule (ici horizontal),1218représente l’ouverture du moule permettant d’éjecter la coque solidifiée suite à la vidange,1219représente la vidange par gravité du métal encore liquide.

représente un premier système de moulage sous pression avec une chemise verticale chauffante/thermo-régulée, un piston d’injection commandé grâce à un vérin hydraulique (ou pneumatique), et un plan de joint principal horizontal du moule. La chemise d’injection est intégrée à l’outillage de moulage et ce dispositif assure un retour par gravité du métal non solidifié dans la chemise lors de la vidange, ce retour étant facilité par la pression de gaz/air.

LaFigure 13A représente l’alimentation de la chemise d’injection en métal fondu, juste avant la fermeture du moule.

LaFigure 13B représente l’injection du métal en fusion dans le moule et son maintien sous pression pendant la formation de la coque solidifiée.

LaFigure 13C représente la vidange du moule et la coque solidifiée obtenue.

Légende :1300représente le retour de la tige du vérin afin d’alimenter la chemise d’injection en métal fondu avant la fermeture du moule et de vidanger la coque solidifiée avant l’ouverture du moule,1301représente la partie supérieure mobile du moule,1302représente la partie inférieure fixe du moule,1303représente la trappe ou le bouchon en matériau très isolant thermique, ou en matériau chauffé ou préchauffé, évitant localement la solidification (voire le perçage de la fine peau solidifiée à cet endroit) ; ou le(s) filtre(s) à air métallique(s) ou réfractaire(s) chauffé(s) pour réaliser l’appel d’air ou de gaz (azote, argon, ou autre) sous pression (atmosphérique ou supérieure) afin de favoriser / rendre possible la vidange,1304représente le remplissage de la chemise d’injection avec du métal fondu, grâce à une louche manuelle, un godet automatique ou autre dispositif depuis le four de maintien,1305représente le métal/alliage fondu dans la chemise avant l’injection,1306représente la chambre chauffée/thermo-régulée d’injection ici intégrée au moule,1307représente le piston d’injection,1308représente la tige du vérin hydraulique ou pneumatique qui pilote l’injection,1309représente l’attaque de coulée,1312représente le déplacement de la tige du vérin permettant le remplissage contrôlé de l’empreinte,1313représente la surface extérieure de la coque de métal/alliage solidifié, laquelle surface extérieure est complémentaire à la géométrie de l’empreinte du moule,1314représente la surface intérieure de la coque de métal/alliage solidifié, laquelle surface intérieure est sous la forme d’une surface cristallographique dont l’état de surface dépend du type d’alliage métallique coulé,1315représente la coque métallique solidifiée contre la paroi intérieure du moule,1316représente l’arrivée d’air ou de gaz (pression atmosphérique ou supérieure) pour favoriser/permettre la vidange du métal/alliage encore liquide,1317représente le plan de joint principal du moule (ici horizontal),1318représente l’ouverture du moule permettant d’éjecter la coque solidifiée suite à la vidange et d’alimenter en métal fondu la chemise d’injection.

représente un deuxième système de moulage sous pression avec une chemise verticale chauffante/thermo-régulée, un piston d’injection commandé grâce à un vérin hydraulique (ou pneumatique), et un plan de joint principal horizontal du moule. La chemise d’injection est intégrée à l’outillage de moulage et ce dispositif assure un retour par gravité du métal non solidifié dans la chemise lors de la vidange, ce retour étant facilité par la pression de gaz/air.

LaFigure 14A représente l’alimentation de la chemise d’injection en métal fondu, juste avant la fermeture du moule.

LaFigure 14B représente l’injection du métal en fusion dans le moule et son maintien sous pression pendant la formation de la coque solidifiée.

LaFigure 14C représente la vidange du moule et la coque solidifiée obtenue.

Légende :1400représente le retour de la tige du vérin afin d’alimenter la chemise d’injection en métal fondu avant la fermeture du moule et de vidanger la coque solidifiée avant l’ouverture du moule,1401représente la partie supérieure mobile du moule,1402représente la partie inférieure fixe du moule,1403représente la trappe ou le bouchon en matériau très isolant thermique, ou en matériau chauffé ou préchauffé, évitant localement la solidification (voire le perçage de la fine peau solidifiée à cet endroit) ; ou le(s) filtre(s) à air métallique(s) ou réfractaire(s) chauffé(s) pour réaliser l’appel d’air ou de gaz (azote, argon, ou autre) sous pression (atmosphérique ou supérieure) afin de favoriser / rendre possible la vidange,1404représente le remplissage de la chemise d’injection avec du métal fondu, grâce à une louche manuelle, un godet automatique ou autre dispositif depuis le four de maintien,1405représente le métal/alliage fondu dans la chemise avant l’injection,1406représente la chambre chauffée/thermo-régulée d’injection ici intégrée au moule,1407représente le piston d’injection,1408représente la tige du vérin hydraulique ou pneumatique qui pilote l’injection,1412représente le déplacement de la tige du vérin permettant le remplissage contrôlé de l’empreinte,1413représente la surface extérieure de la coque de métal/alliage solidifié, laquelle surface extérieure est complémentaire à la géométrie de l’empreinte du moule,1414représente la surface intérieure de la coque de métal/alliage solidifié, laquelle surface intérieure est sous la forme d’une surface cristallographique dont l’état de surface dépend du type d’alliage métallique coulé,1415représente la coque métallique solidifiée contre la paroi intérieure du moule,1416représente l’arrivée d’air ou de gaz (pression atmosphérique ou supérieure) pour favoriser/permettre la vidange du métal/alliage encore liquide,1417représente le plan de joint principal du moule (ici horizontal),1418représente l’ouverture du moule permettant d’éjecter la coque solidifiée suite à la vidange et d’alimenter en métal fondu la chemise d’injection.

EXEMPLES

Exemple 1 . Procédure générale de la fusion de la matière métallique

La charge (lingots et/ou pièces recyclées) a été fondue dans un four de fusion électrique ou à combustible. Le four utilisé correspond à un four classique de fonderie. Le bain fondu a été porté puis maintenu à une température supérieure au liquidus de l’alliage d’une valeur dite de surchauffe plus une valeur estimée de perte de température liée au transvasement dans la louche/poche de coulée. La surchauffe au-dessus du liquidus retenue a été comprise entre 0 et 200°C.

Pour de la production en série, la capacité du four de maintien et de puisage doit être assez grande vis-à-vis de l’empreinte du moule afin de ne pas trop refroidir le bain dans le four lors du transvasement des vidanges du moule.

Exemple 2. Préparation du moule

En parallèle de la fusion de l’alliage selon l’exemple 1, le moule a été préparé.

Le moule métallique a été préchauffé avant la première coulée, à une température approximative de 350°C pour la coulée des alliages d’aluminium. Pour mettre le moule à température, des bruleurs à gaz ou des dispositifs électriques de chauffe ont été utilisés.

Les empreintes des moules métalliques ont été revêtues d’une fine couche de poteyage, d’une épaisseur de 0,2 à 0,5 mm.

Dans le cas d’un moule en sable, aucun préchauffage n’a été mis en œuvre.

Exemple 3. Remplissage du moule

Le moule a été rempli de métal en fusion lorsque la température du métal ou de l’alliage métallique a été stabilisée dans le four de fusion-maintien (exemple 1), et lorsque la température initiale du moule préchauffé pour le début de cycle a été atteinte (exemple 2).

Exemple 4. Vidange du moule

Le moule a été vidangé du métal en fusion résiduel lorsque la coque solidifiée a été formée contre la paroi intérieure du moule. La durée du séjour du métal en fusion dans le moule dépend de l’épaisseur de la coque souhaitée.

Exemple 5. Fabrication d’une pièce creuse par un procédé de moulage en sable

Un modèle en bois a été réalisé, afin de confectionner un moule en sable (Figure 5A). Après la fabrication du moule en sable, l’alliage d’aluminium AlSi12 a été fondu et porté à une température d’environ 700°C, soit 40°C environ au-dessus de la température souhaitée de coulée. Le métal en fusion a été transvasé dans une poche de coulée à l’aide d’une grosse louche, afin de pouvoir apporter le métal jusqu’au moule grâce à un brancard. La température de l’aluminium était d’environ 660°C lors de la coulée dans le moule en sable (moule non chauffé, à température ambiante, environ 20°C). Le temps de remplissage était de moins de 10 secondes, suivi par un temps de maintien du métal en fusion dans le moule d’environ 2 minutes.

Pendant le temps de maintien du métal en fusion dans le moule, la surface supérieure du bain métallique en contact avec l’air a été écrémée, ceci afin de retirer les peaux d’oxyde épaisses (flottantes et issues du remplissage). Une poche de coulée était installée sous le moule, afin de pouvoir recueillir le métal encore en fusion lors de la vidange. Une fois le temps de 2 minutes environ écoulé, la trappe isolante située sous le moule a été ouverte, permettant ainsi la vidange du bain de métal encore liquide dans la poche. Malgré la matière isolante de la trappe, une peau de métal solidifiée a pu se former contre, nécessitant éventuellement une intervention (e.g. avec une pointe métallique) pour percer cette peau. Après un temps de vidange de moins de 10 secondes, l’alliage d’aluminium en fusion recueilli dans la poche sous le moule a été transporté puis reversé dans le creuset du four. Après refroidissement de la coque solidifiée, le moule en sable a été décoché afin de récupérer la pièce. Celle-ci comporte une surface extérieure complémentaire à l’empreinte du moule (Figure 6B) et une surface intérieure cristallographique, résultant du mode naturel de solidification du métal/alliage utilisé (Figure 6C).

Exemple 6. Fabrication en série de multiples pièces

Une fabrication en série de plusieurs pièces a été réalisée comme schématisée dans la .

Un moule métallique en alliage d’aluminium AlSi7Mg a été réalisé par moulage au sable et par usinage. Cette coquille a été installée sur un banc d’essai, châssis mécano-soudé en partie articulé pour permettre la rotation du moule afin de démouler la pièce produite. Ce banc dispose de brûleurs, situés sous le moule, afin de chauffer (voire de maintenir) l’empreinte à la température souhaitée avant la coulée du métal. Le moule a été surélevé pour accueillir une poche de coulée, située en dessous du moule, le tout reposant sur un lit de sable pour des questions de sécurité.

Avant la première coulée, l’alliage d’aluminium (AlSi12) a été fondu dans le creuset du four et porté à une température comprise de 750°C à 790°C, soit environ 50°C au-dessus de la température souhaitée de coulée. Pendant ce temps, la coquille métallique moulante a été sablée, installée sur le banc d’essai, chauffée par des brûleurs à gaz, et poteyée. Pour la coulée, le moule a été porté à une température comprise de 164°C à 243°C. De la même manière, la quenouille (tube d’acier revêtu de poteyage isolant) a été chauffée à une température nettement supérieure à la température du liquidus de l’alliage, afin que le métal en fusion ne puisse pas se solidifier à son contact. Une fois la température souhaitée du métal en fusion atteinte dans le four, la poche de coulée a été remplie, puis apportée proche du moule grâce à un brancard. La température du métal en fusion dans la poche était alors d’environ 720°C juste avant la coulée. Cette poche fut rapidement déversée dans le moule, environ 17 secondes. Puis le temps de maintien du métal/alliage en fusion dans le moule métallique a été d’environ 14 secondes(selon différents essais, ce temps peut varier de 14 secondes à 1 minute). Ensuite la quenouille qui obstruait l’orifice du moule a été retirée, permettant de vidanger le métal encore en fusion dans le moule, afin de déverser celui-ci dans la poche de coulée située en dessous (Figure 1B). Cette poche a alors été retirée et transportée avec un brancard jusqu’au creuset du four. La température de l’alliage d’aluminium juste avant son transvasement dans le four était comprise de 577°C à 588°C. Enfin, pour démouler la pièce, une grille métallique a été installée au-dessus du moule ; puis le moule et son support ont été pivotés à 180°C afin de permettre le démoulage de la pièce chaude produite sans la déformer (Figures 4C, 6B et 6C). La pièce déposée sur la grille a été déplacée ailleurs dans l’atelier pour son refroidissement. La coque en métal solidifiée, ainsi produite, présente une surface extérieure complémentaire à l’empreinte du moule (Figure 6B) et une surface intérieure cristallographique, résultant du mode naturel de solidification du métal/alliage utilisé (Figure 6C).

Le procédé peut être répété pour produire des pièces successives. Les coulées successives aident ainsi à entretenir la température du moule.

Claims (14)

1. Pièce métallique creuse comprenant :
   - une surface extérieure lisse comprenant des grains métallurgiques,
   - une surface intérieure cristallographique, et
   - une épaisseur moyenne homogène, en particulier de 0,2 mm à 2 mm,
   ladite pièce métallique étant constituée d’un métal ayant un point de fusion supérieur à 180°C, en particulier supérieur à 320°C,
   dans laquelle la topologie de ladite surface intérieure cristallographique comprend des reliefs correspondant aux cristaux métallurgiques, en particulier des reliefs correspondant aux cristaux dendritiques ou aux cristaux polyédriques ou aux cellules eutectiques.
2. Pièce métallique creuse selon la revendication 1, dans laquelle ladite pièce métallique creuse comprend en relief sur sa surface intérieure cristallographique des structures choisies parmi des structures dendritiques, des structures colonnaires, des structures équiaxes et des structures de facettes eutectiques ou un mélange ou une association de ces structures.
3. Pièce métallique creuse selon l’une quelconque des revendications 1 ou 2, dans laquelle la taille des grains métallurgiques de la surface extérieure lisse est inférieure à celle des cristaux métallurgiques de la surface intérieure cristallographique.
4. Assemblage comprenant un, deux ou plusieurs pièces métalliques creuses selon l’une quelconque des revendications 1 à 3.
5. Procédé de fabrication d’une pièce métallique creuse selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, ledit procédé comprenant au moins les étapes suivantes :

   • uneétape 1d’injection d’une masse liquide de métal fondu dans un moule, depuis un contenant comprenant ledit métal fondu, pour obtenir un moule comprenant du métal fondu ;
   • uneétape 2de solidification partielle dudit métal fondu au sein du moule pendant un temps suffisant pour former une coque métallique solidifiée en contact avec les parois du moule présentant une température inférieure à la température dusolidusdudit métal fondu, et maintenir en phase liquide la partie restante de la masse liquide initiale dudit métal fondu contenue à l’intérieur de la coque métallique solidifiée, pour obtenir une partie solide constituée de la coque métallique solidifiée, et une phase liquide constituée de la partie restante de la masse liquide initiale dudit métal fondu ;
   • uneétape 3de soustraction de la susdite phase liquide, ladite étape de soustraction étant effectuée sans basculement du moule ; et
   • uneétape 4de récupération de la pièce métallique creuse sous forme de coque métallique solidifiée,

   dans lequel le métal a un point de fusion supérieur à 180°C, en particulier supérieur à 320°C, et dans lequel la pièce métallique creuse est formée en absence de noyau,
   ledit procédé ayant une mise au mille de 1 :1 à 1,2 :1, de préférence d’environ 1:1, en particulier de 1:1.
6. Procédé de fabrication selon la revendication 5, pour la production d’une pièce métallique creuse ayant une épaisseur de 0,2 mm à 2 mm.
7. Procédé de fabrication selon la revendication 5 ou 6, dans lequel l’étape 1 d’injection est effectuée par gravité, ladite étape 1 d’injection étant effectuée par versement du métal liquide par une ouverture dans la partie haute du moule.
8. Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications 5 à 7, dans lequel l’étape 1 d’injection est effectuée par injection avec un procédé de basse pression, ladite étape 1 d’injection étant effectuée par application d’une pression de gaz dans le contenant comprenant le métal liquide, permettant de pousser ledit métal liquide dans le moule, à travers un orifice situé dans le bas dudit moule.
9. Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications 5 à 8, dans lequel l’étape 1 d’injection est effectuée par injection sous pression, ladite étape 1 d’injection étant effectuée par injection du métal liquide à l’aide d’un piston ou d’un gaz.
10. Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications 5 à 9, dans lequel l’étape 4 de démoulage est effectué par retournement du moule.
11. Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications 5 à 10, dans lequel le moule présente une ouverture dans le bas du moule, laquelle ouverture est obstruée, lors de l’étape 1 d’injection et lors de l’étape 2 de solidification, par un dispositif de fermeture, notamment un bouchon, une quenouille ou une trappe, l’étape 3 de soustraction étant initié par une libération de ladite ouverture, par enlèvement dudit dispositif de fermeture.
12. Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications 5 à 11,
    dans lequel le moule présente des moyens d’appel d’air ou de gaz dans le haut du moule, lesdits moyens d’appel d’air ou de gaz étant fermés lors de l’étape 1 d’injection et lors de l’étape 2 de solidification,
    dans lequel l’étape 3 de soustraction est favorisée ou rendue possible par l’ouverture desdits moyens d’appel d’air ou de gaz entrainant un appel d’air ou de gaz, notamment d’azote ou d’argon, sous pression, en particulier à une pression égale ou supérieure à la pression atmosphérique.
13. Procédé de fabrication en série d’au moins deux pièces métalliques selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, ledit procédé comprenant au moins :

    • la fabrication d’une première pièce métallique selon le procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications 5 à 12, et
    • la fabrication d’une deuxième pièce métallique, selon le procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications 5 à 12, dans lequel le métal utilisé versé dans l’étape 1 de versement est le métal soustrait lors de l’étape 3 de soustraction de la fabrication de la première pièce.
14. Pièce métallique creuse susceptible d’être obtenue par le procédé selon l’une quelconque des revendications 5 à 12.