L'invention concerne un embout d'injection à striction magnétique pour machine de coulée sous pression de métal, et plus particulièrement un tel embout utilisable pour le moulage métallique sous pression de pièces métalliques. L'invention s'étend également à une machine et un procédé de coulée mettant en œuvre cet embout.

Les machines de coulée sous pression de métal sont en général utilisées pour le moulage métallique sous pression de pièces métalliques, en aluminium, zinc, magnésium, etc. et leurs alliages. Ce procédé de moulage permet des cadences de production élevées et une grande précision des pièces obtenues. L'un des paramètres les plus importants du procédé est la pression à laquelle le métal fondu à l'état liquide est injecté dans le moule, particulièrement en fin d'injection. Cette pression s'étend de 5 à 30 MPa pour des machines dites à chambre chaude et de 25 à 200 MPa, voire même 350 MPa pour des machines dites à chambre froide.

Dans le présent texte et à des fins de simplification, on utilisera les termes de "métal liquide" pour désigner un métal fondu à l'état liquide, sans préjuger de la nature et/ou de la température de fusion dudit métal.

La plupart de ces machines de coulée utilisent un vérin comprenant un piston qui pousse le métal liquide dans un cylindre dont l'extrémité opposée au piston est reliée à l'orifice d'injection d'un moule. Ces machines présentent cependant divers inconvénients : le piston s'use rapidement, en particulier lors d'injection d'alliages d'aluminium qui dissolvent le fer à haute température, le réglage de la quantité de matière injectée dépend du volume utile de la chambre du vérin qu'il est nécessaire de changer lorsqu'on change le volume de la pièce à mouler, l'énergie à fournir pour conserver la température du métal en fusion est élevée du fait de la dissipation de chaleur au travers du cylindre et du piston, etc. On connaît, par exemple de WO02/30596 une machine d'injection sous pression comportant un embout d'injection tubulaire comprenant une résistance bobinée sur la majeure partie de cet embout afin de conserver la température du métal en fusion. JP2005-28429 décrit également une machine d'injection analogue comportant un manchon de chauffage dans lequel des barres de métal sont insérées et mises en fusion par une bobine résistive entourant le manchon. Afin de stopper l'alimentation du moule en métal liquide, un obturateur solidaire du moule peut être actionné pour obturer le canal d'alimentation. Cependant, dans ces exemples, la pression d'injection dépend de la pression d'alimentation générale de la machine.

Il a donc été proposé, par exemple dans le document FR 2 668 967, des machines dans lesquelles l'alimentation en métal liquide est réalisée par une pompe électromagnétique. Cependant, les performances de ces machines en matière de pression d'injection, notamment en fin d'injection, sont relativement faibles.

Il subsiste donc un besoin pour des machines de coulée de mise en œuvre et d'entretien simplifié, permettant des réglages simples et étendus tout en conservant des performances de haut niveau.

L'invention vise donc à fournir un embout d'injection adapté pour être associé à une machine de coulée, qui permet un réglage simple de la quantité de métal injectée et une forte pression en fin d'injection.

L'invention vise également une machine de coulée comportant un tel embout, particulièrement adaptée pour permettre d'obtenir des performances élevées.

L'invention vise en outre un procédé de coulée de métal, mis en œuvre par une machine de coulée équipée d'un embout d'injection selon l'invention, procédé particulièrement adapté au moulage métallique sous pression.

Pour ce faire, l'invention concerne un embout d'injection de métal sous pression, de forme tubulaire, en matériau réfractaire électriquement isolant, adapté pour être inséré entre une conduite d'amenée de métal liquide et un orifice d'injection d'un moule, comportant un canal d'injection adapté pour la circulation de métal liquide entre une première extrémité, dite extrémité amont, adaptée pour être reliée à ladite conduite et une deuxième extrémité, dite extrémité aval adaptée pour être reliée au moule, caractérisé en ce que ledit embout comporte une bobine électromagnétique, placée entre lesdites extrémités, d'axe confondu avec au moins une portion d'axe du canal, adaptée pour être alimentée par une impulsion de courant issue d'un générateur à haute tension et générer une striction électromagnétique dans le canal d'injection. Grâce à cet embout et particulièrement au canal à l'intérieur duquel circule le métal liquide, il est possible de remplir le moule placé à l'extrémité aval de l'embout. De plus, le matériau de l'embout étant réfractaire, par exemple en céramique, il est peu dégradé par la chaleur du métal circulant dans le canal. Grâce en outre à la bobine électromagnétique qui entoure ce conduit, lorsqu'elle est parcourue par une impulsion de courant électrique de fort ampérage, le métal liquide circulant dans le canal est soumis d'une part à un champ magnétique orienté axialement par rapport à la bobine et au canal et d'autre part à un courant induit opposé au sens du courant dans la bobine. La combinaison de ces deux phénomènes génère des forces de Lorentz, orientées radialement au conduit, en direction de son axe. Ces forces entraînent une violente striction du métal liquide dans le canal, projetant le métal de part et d'autre de la zone de striction. La projection du métal liquide en direction de l'orifice d'injection du moule permet ainsi de générer une surpression dans le métal, particulièrement utile pour la qualité de finition des pièces ainsi moulées.

Avantageusement et selon l'invention, la bobine est adaptée pour être connectée aux bornes d'un générateur d'impulsions de courant. Un tel générateur, par exemple un générateur de Marx, est capable, au moyen d'un ou plusieurs éclateurs déchargeant une batterie de condensateurs, de développer un courant électrique de l'ordre de plusieurs dizaines de milliers d'ampères sous une tension de plusieurs milliers de volts en un temps très bref, de l'ordre de quelques millisecondes.

Avantageusement et selon l'invention, le canal présente un diamètre comportant un rétrécissement entre l'extrémité amont et la bobine. Grâce à ce rétrécissement qui forme une buse convergente, la vitesse du métal liquide en sortie de la conduite d'amenée du métal est augmentée au droit de la bobine électromagnétique du fait du rétrécissement de la section droite du canal. Dès lors, lorsqu'on injecte un courant dans la bobine, la striction réalisée dans le canal, au droit de la bobine, dans la partie rétrécie du canal, projette le métal liquide avec une vitesse qui s'ajoute à la vitesse initiale de circulation du métal en direction de l'orifice d'injection du moule alors que, dans la direction opposée, cette vitesse est diminuée par l'effet du rétrécissement qui se comporte dans ce sens comme une tuyère divergente et se retranche de la vitesse initiale de circulation du métal liquide. De ce fait, la réaction à la striction en direction de la conduite d'amenée du métal liquide est fortement atténuée.

Avantageusement et selon l'invention, la bobine est noyée dans le matériau de l'embout. Afin de minimiser les pertes d'énergie, la bobine électromagnétique est placée au plus près de la veine de circulation du métal liquide en la noyant dans le matériau réfractaire formant l'embout. De plus, étant ainsi maintenue de tous les côtés, la bobine électromagnétique est moins soumise aux forces de réaction s'exerçant sur sa ou ses spires lors de la striction. Il reste néanmoins possible, particulièrement lorsque les conditions d'injection du métal (température, pression...) le permettent, d'utiliser un embout comportant une paroi plus mince et donc de placer la bobine électromagnétique autour et à l'extérieur de la buse de l'embout. Dans cette variante, la maintenance de la bobine est facilitée.

Avantageusement et selon l'invention, la bobine est multi spires. Alternativement et selon l'invention, la bobine est mono spire. Préférentiellement, la bobine électromagnétique est réalisée de manière à présenter une pluralité de spires s'étendant de l'extrémité étroite du rétrécissement du canal en direction de son extrémité aval reliée à l'orifice d'injection du moule afin d'augmenter la largeur de la zone de striction du métal liquide dans l'embout et donc le volume de métal propulsé vers le moule. Alternativement, la bobine peut être une bobine mono spire, qui permet d'atteindre, pour un même étage de sortie du générateur d'impulsions de courant, de plus hautes fréquences (respectivement des impulsions plus brèves) augmentant ainsi la puissance instantanée de l'impulsion, un meilleur transfert de l'énergie et une durée de vie améliorée.

L'invention s'étend également à une machine de coulée comportant un réservoir de métal liquide, une conduite d'amenée de métal liquide reliée audit réservoir et munie d'une pompe électromagnétique adaptée pour faire circuler le métal liquide dans la conduite en direction d'un moule, caractérisée en ce que la machine comporte un embout présentant l'une au moins des caractéristiques ci-dessus, entre ladite conduite et un orifice d'injection dudit moule. Grâce à l'utilisation d'un tel embout, la machine de coulée est plus fiable et plus facile à maintenir. En effet, c'est dans l'embout que se produisent les plus fortes variations de pression et donc les phénomènes d'usure. Dès lors, un embout démontable permet un temps d'immobilisation réduit lors de la maintenance.

Avantageusement et selon l'invention, la pompe électromagnétique comporte une pluralité de bobines d'induction coaxiales à la conduite, adaptées pour chauffer par induction le métal circulant dans la conduite. En installant des bobines d'induction hélicoïdales régulièrement réparties sur la longueur de la conduite d'amenée du métal liquide depuis le réservoir jusqu'à l'embout, il est possible de maintenir la température du métal et d'éviter la formation de grumeaux.

Avantageusement et selon l'invention, les bobines d'induction sont alimentées en courant polyphasé de manière à générer un champ magnétique mobile et entraîner le métal liquide en direction de l'embout. Les bobines d'induction alimentées par des courants alternatifs pour le chauffage par induction peuvent former un accélérateur magnétohydrodynamique à induction lorsqu'elles sont alimentées par des courants présentant un déphasage d'une bobine à l'autre. Dès lors, outre le chauffage du métal liquide dans la conduite d'amenée, les bobines permettent de générer un champ magnétique axial dans la conduite et de communiquer un mouvement au métal liquide en direction de l'embout.

Avantageusement et selon l'invention, la machine comporte un dispositif de refroidissement des bobines d'induction intercalé entre lesdites bobines et la conduite. Afin de limiter réchauffement des bobines d'induction, celles-ci sont isolées de la conduite par un dispositif de refroidissement à air ou à eau, par exemple, pour un refroidissement à eau, par une circulation de liquide de refroidissement à l'intérieur d'un tube de cuivre servant de bobinage..

L'invention s'étend en outre à un procédé de coulée de métal liquide sous pression dans un moule métallique, dans lequel : - on utilise une machine de coulée comportant un réservoir de métal liquide, une conduite reliée audit réservoir munie d'une pompe électromagnétique adaptée pour faire circuler le métal liquide dans la conduite en direction d'un moule,

- la pompe électromagnétique est alimentée par un courant polyphasé de manière à déplacer le métal liquide du réservoir vers l'orifice d'injection du moule,

caractérisé en ce que la machine de coulée comprend un embout comportant une bobine électromagnétique entourant un canal d'injection entre ladite conduite et un orifice d'injection dudit moule et en ce qu'en fin d'injection, on alimente la bobine électromagnétique de l'embout avec une impulsion de courant électrique issue d'un générateur de haute tension pour générer une striction électromagnétique dans le canal d'injection et propulser le métal liquide sous pression vers l'orifice d'injection du moule.

En faisant circuler une impulsion de courant en fin d'injection dans la bobine électromagnétique de l'embout, on génère une force électromagnétique radiale qui s'exerce sur le métal liquide qui circule dans le canal d'injection. Cette force de striction repousse le métal de part et d'autre de la section du canal autour de laquelle est installée la bobine électromagnétique. Le métal est ainsi repoussé vers l'orifice d'injection du moule avec une vitesse qui s'ajoute à la vitesse de circulation du métal dans le canal sous l'effet de la pompe électromagnétique et génère une surpression à l'intérieur de l'empreinte du moule, améliorant ainsi le remplissage de celle-ci. De l'autre côté de la section dans laquelle se développe la force de striction, le métal est repoussé en direction de la conduite d'amenée avec une vitesse qui se retranche de la vitesse de circulation du métal. La vitesse de circulation résultante, en direction de la conduite, est encore diminuée par la présence du divergent formé par le rétrécissement de la section du canal parcouru en sens inverse. Il est ainsi possible d'obtenir un arrêt au moins temporaire de la circulation du métal liquide dans la conduite d'amenée. L'invention concerne également un embout, une machine de coulée et un procédé de coulée caractérisés en combinaison par tout ou partie des caractéristiques mentionnées ci-dessus ou ci-après.

D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au vu de la description qui va suivre et des dessins annexés dans lesquels :

- la figure 1 représente une vue schématique en coupe d'une machine de coulée selon l'invention,

- la figure 2 est une vue schématique en coupe d'un embout selon l'invention,

- la figure 3 est une vue en coupe d'un embout selon l'invention pendant une striction de l'écoulement du métal

La figure 1 représente une coupe longitudinale d'une machine de coulée 10 comportant un réservoir 11, adapté pour contenir du métal liquide à injecter dans un moule 30. Le réservoir 11 peut comporter des moyens de chauffage (non représentés) pour maintenir le métal à sa température de fusion, ou être conformé en forme de trémie dans laquelle le métal liquide est versé à partir d'un creuset. Le métal liquide est ensuite acheminé dans une conduite 12 d'amenée du métal en direction d'un embout 20 fixé entre la conduite 12 et le moule 30.

La conduite 12 est équipée d'une pompe électromagnétique 50 comportant une pluralité de bobines d'induction 51 régulièrement espacées le long de la conduite 12. Chacune des bobines d'induction 51 est reliée à un onduleur 53 adapté pour alimenter les bobines 51 avec un courant alternatif. Les bobines d'induction 51 remplissent un double rôle : d'une part, elles fonctionnent en bobines de chauffage par induction permettant de conserver à l'état liquide la veine de métal liquide circulant dans la conduite 12, et d'autre part, alimentées en courant alternatif polyphasé adapté au nombre et à l'ordre des bobines 51, elles génèrent un champ magnétique mobile circulant du réservoir 11 en direction de l'embout 20, ce champ magnétique permettant de faire circuler le métal liquide dans la conduite en direction du moule 30 avec une vitesse V0. À titre d'exemple, les bobines d'induction sont alimentées en courant triphasé sous une tension de 400V à une fréquence de l'ordre de 50 Hz à 10 kHz avec un courant pouvant varier entre 50 A et 10 000 A.

Les bobines 51 comportent également un circuit de refroidissement 52 par exemple utilisant un liquide de refroidissement circulant dans des tubes de cuivre formant les bobines 51, permettant de limiter leur échauffement. Bien entendu, il peut être également envisagé d'utiliser un système de refroidissement à air par convection forcée, mettant en œuvre un ou plusieurs ventilateurs et des ailettes de refroidissement solidaires des bobinages.

On se réfère à la figure 2 pour détailler la structure préférentielle de l'embout 20. L'embout 20 est fixé à l'extrémité de la conduite 12 par son extrémité amont 23 (repérée ainsi par rapport au sens de circulation du métal liquide dans la conduite et dans l'embout) au moyen de brides 25. L'embout 20 est également fixé à son extrémité opposée, dite extrémité aval 24, au moule 30 par des brides 25. L'embout 20 comporte un corps 21 en matériau réfractaire et isolant électriquement, de préférence en céramique, et plus particulièrement en nitrure d'alumine/zirconium. D'autres matériaux réfractaires peuvent également être utilisés, par exemple des céramiques à base d'alumine, de zirconium, d'yttrium, de titane ou d'oxyde de nickel, ou encore d'un mélange de ces constituants en diverses proportions.

Le corps 21 de l'embout est traversé par un canal 22 allant de l'extrémité amont 23 à l'extrémité aval 24 au niveau de laquelle le canal 22 débouche dans l'orifice d'injection 33 du moule 30. Le canal 22 est préférentiellement de forme cylindrique de révolution et comporte au niveau de l'extrémité amont 23 une partie conique formant un rétrécissement 27 entre une grande section d'un diamètre correspondant à l'extrémité de la conduite 12 et une section plus faible du canal 22 correspondant à la section de l'orifice d'injection 33 du moule 30.

Le corps 21 comporte également en aval du rétrécissement 27 une bobine 26 électromagnétique, entourant le canal 22 et surmoulée dans le corps 21. La bobine 26 est préférentiellement une bobine multi spire, en cuivre ou autre matériau très conducteur, par exemple en aluminium, cupro-berylium, alliage cuivre-chrome-zirconium, tungstène ou alliage tungstène-cuivre... La bobine 26 est adaptée pour être connectée à un générateur 40 d'impulsions de courant comportant généralement une batterie 41 de condensateurs chargés par une source d'alimentation continue externe (non représentée) et déchargée dans la bobine 26 électromagnétique par l'intermédiaire d'un éclateur 42. La bobine 26 peut également être formée d'une spire unique. Qu'elle soit multi ou mono spire, la bobine 26 présente un axe de révolution sensiblement confondu avec au moins une portion de l'axe du canal 21, sur la partie de celui-ci qu'elle entoure. La bobine 26 délimite ainsi dans le canal 21 une zone, dite zone de striction 28, à l'intérieur de laquelle se développe le champ électromagnétique créé par la bobine 26 lorsque celle-ci est alimentée par le générateur 40.

Selon une variante, utilisable lorsque les conditions d'injection le permettent, c'est-à-dire si la pression d'injection et/ou la température et/ou le métal à injecter sont compatibles avec un embout dont le corps 21 comporte des parois suffisamment minces, il est possible de placer la bobine 26 autour du corps 21. Par exemple, pour l'injection d'alliages de zinc (sans aluminium) présentant un point de fusion inférieur à 450°C, il est possible d'utiliser un embout en acier inoxydable austénitique réfractaire non magnétique qui permet une résistance satisfaisante avec des épaisseurs réduites à quelques millimètres. Une bobine 26 électromagnétique mono ou multi spire peut être alors enfilée sur le corps 21 et fixée par tout moyen approprié. Cette variante permet un démontage facile de la bobine tout en conservant le corps 21 de l'embout.

On se réfère maintenant aux figures 1 et 3 pour décrire le fonctionnement de la machine 10 et de l'embout 20, ainsi que le procédé de coulée selon l'invention.

Lors d'une opération de coulée, on remplit le réservoir 11 avec un métal liquide, par exemple un alliage de zinc ou de magnésium. Le métal liquide coule du réservoir 11 dans la conduite 12. L'onduleur 53 alimente les bobines d'induction 51 avec un courant alternatif polyphasé (par exemple triphasé) de manière à réchauffer par induction le métal liquide dans la conduite 12 pour éviter toute amorce de solidification ou la formation de grumeaux. Chaque bobine d'induction 51 développe également un champ magnétique dont les lignes de champ sont orientées selon l'axe des bobines d'induction et de la conduite 12. Le déphasage du champ magnétique des bobines d'induction génère un champ magnétique mobile dans la conduite 12 qui déplace le métal liquide contenu dans celle-ci vers son extrémité opposée au réservoir 11, avec une vitesse sensiblement constante V0.

À l'entrée dans l'embout 20, la section de passage du métal liquide diminue dans le rétrécissement 27 et donc la vitesse de déplacement du métal augmente en fonction du rapport de section entre l'extrémité amont 23 de l'embout et la section du canal 22 pour atteindre une vitesse VI au bout du rétrécissement, à l'entrée dans la zone de striction 28 située sous la bobine 26 électromagnétique. Le métal liquide progresse à la vitesse VI dans le canal 22 puis dans l'orifice d'injection 33 du moule 30 pour remplir une ou plusieurs empreintes 32 formées entre les coquilles 31 du moule 30. Lorsque les empreintes 32 sont remplies, par exemple au bout d'un temps d'injection prédéterminé en fonction de la vitesse VI, de la section du canal 22 et/ou de l'orifice d'injection 33 qui définissent le débit de métal et du volume de la ou des empreintes 32, le générateur d'impulsions 40 est activé et délivre une impulsion de courant, par exemple d'une intensité de l'ordre de 20 kA à 1 MA, d'une durée de 40 à 2 ms qui circule dans la bobine 26. L'importante variation du flux du champ magnétique généré par la bobine 26 lorsqu'elle est traversée par cette impulsion de courant donne lieu à une force magnétique radiale qui s'exerce sur le métal liquide 13 dans la zone de striction 28. Le métal liquide 13 est ainsi comprimé radialement et, du fait de son incompressibilité, est éjecté axialement de part et d'autre de la zone de striction 28 avec une vitesse d'éjection V2. La combinaison de cette vitesse d'éjection V2 avec la vitesse de circulation VI du métal liquide en direction du moule 30 imprime au métal une vitesse correspondant à V1+V2. Compte tenu du fait que l'empreinte 32 est remplie, cette vitesse V1+V2 se transforme en une augmentation de la pression d'injection dans le moule 30. À titre d'exemple, pour une bobine 26 mono spire en aluminium présentant une zone de travail (zone de striction 28) d'une longueur de 15 mm, alimentée par une impulsion de courant Imax= 500 kA à 500 Hz (2 ms), la bobine génère un champ magnétique de 40 T. Lorsque ce champ magnétique est appliqué au métal liquide, celui-ci peut atteindre une vitesse maximum (V1+V2) de l'ordre de 30 m/s dans l'embout et une pression maximale de 700 MPa.

De l'autre côté de la zone de striction 28, la vitesse de circulation du métal suite à la combinaison des vitesses de circulation et d'éjection est V1-V2. En général, la vitesse d'éjection V2 est supérieure en valeur absolue à la vitesse de circulation VI ce qui imprime au métal liquide un mouvement en direction de la conduite 12 de la machine. Grâce au rétrécissement 27 qui se comporte en divergent dans ce sens, la vitesse du métal liquide est diminuée dans le rapport des sections et ne génère pas une onde de choc importante dans la conduite 12 susceptible d'endommager la machine mais simplement une onde de pression qui favorise le mélange du métal dans la conduite.

Bien entendu, cette description est donnée à titre d'exemple illustratif uniquement et l'homme du métier pourra y apporter de nombreuses modifications sans sortir de la portée de l'invention, par exemple en adaptant les dimensions des différents éléments de la machine de coulée en fonction du métal à couler, du volume des empreintes du moule, etc. De même, le dosage de la quantité de métal à injecter dans les empreintes du moule pourra être réglé par une durée d'injection avant déclenchement du générateur d'impulsion ou par le réglage de la vitesse de transfert du métal liquide par la fréquence et la phase d'alimentation des bobines d'induction.