Technique de Fonderie : Le moulage par basse...

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1 Sébastien BERNARD Années universitaires 2001-2002 Michael PIELLARD DESS Ingénierie des Matériaux Vincent ROLLAND Technique de Fonderie : Le moulage par basse pression Projet de mise en forme Université de Poitiers

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Sébastien BERNARD Années universitaires 2001-2002 Michael PIELLARD DESS Ingénierie des Matériaux Vincent ROLLAND

Technique de Fonderie : Le moulage par basse pression

Projet de mise en forme Université de Poitiers

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INTRODUCTION 1 LES TECHNIQUES DE MOULAGE........................................................................................................ 5

1.1 MOULAGE AUX SABLES......................................................................................................................... 5 1.1.1 Procédés de moulage....................................................................................................................... 6 1.1.2 Moulage aux sables à durcissement thermique ............................................................................... 6

1.1.2.1 Chauffage et durcissement du sable en dehors de l’empreinte...............................................................6 1.1.2.2 Chauffage et durcissement du sable dans l'empreinte ............................................................................6 • Procédé Croning...............................................................................................................................................7

• Procédés en boites chaudes ou en boîtes tièdes (figure 3) ................................................................... 7 1.1.3 Moulage aux sables à durcissement chimique et physique.............................................................. 7

1.1.3.1 Sables autodurcissants (durcissement chimique) ...................................................................................8 • Sables au ciment................................................................................................................................... 8

1.1.3.2 Moulage par congélation (durcissement physique)................................................................................8 1.2 MOULAGE AVEC MODELES PERDUS....................................................................................................... 9

1.2.1 Moulage en polystyrène expansé ..................................................................................................... 9 • Moulage avec modèles en polystyrène pour grosses pièces unitaires .................................................. 9 • Moulage avec modèles en polystyrène pour pièces de série................................................................. 9 1.2.2 Moulage à la cire perdue, dit aussi moulage de précision ............................................................ 10

1.3 MOULAGE EN MOULES METALLIQUES ................................................................................................. 10 1.3.1 Caractéristiques générales ............................................................................................................ 10 1.3.2 Différents procédés de moulage en coquille.................................................................................. 10

1.3.2.1 Moulage en coquille par gravité...........................................................................................................11 1.3.2.2 Moulage sous pression.........................................................................................................................11 1.3.2.3 Moulage par forgeage liquide ..............................................................................................................12

2 PROCEDES SPECIAUX. ......................................................................................................................... 12 2.1 MOULAGE AVEC REFROIDISSEURS....................................................................................................... 12 2.2 MOULAGE PAR CENTRIFUGATION........................................................................................................ 13 2.3 MOULAGE DE PIECES BIMETALLIQUES................................................................................................. 14

3 LE POTEYAGE......................................................................................................................................... 14

4 DEFAUTS DE MOULAGE ...................................................................................................................... 15 4.1 PIECES IMCOMPLETES ......................................................................................................................... 15

4.1.1 Manque.......................................................................................................................................... 15 4.1.2 Reprises. ........................................................................................................................................ 15 4.1.3 Coulée à court. .............................................................................................................................. 15 4.1.4 Moule vidé. .................................................................................................................................... 15

4.2 FORMES INCORRECTES ........................................................................................................................ 16 4.2.1 Pièces déformées ........................................................................................................................... 16

4.3 DIMENSIONS INCORRECTES ................................................................................................................. 17 4.3.1 Retrait contrarié. ........................................................................................................................... 17 4.3.2 Erreur dans la prévision du retrait................................................................................................ 17

4.4 SURFACES DEFECTUEUSES .................................................................................................................. 18 4.4.1 Arrachements................................................................................................................................. 18 4.4.2 Cassure à froid. ............................................................................................................................. 18 4.4.3 Criques à froid............................................................................................................................... 18 4.4.4 Criques à chaud............................................................................................................................. 18 4.4.5 Tapures de trempe. ........................................................................................................................ 19

4.5 EXCROISSANCES METALLIQUES .......................................................................................................... 19 4.5.1 Gale franche. ................................................................................................................................. 19 4.5.2 Craquelures. .................................................................................................................................. 19

4.6 CAVITES.............................................................................................................................................. 20 4.6.1 Cratères. ........................................................................................................................................ 20 4.6.2 Refus .............................................................................................................................................. 20 4.6.3 Retassures...................................................................................................................................... 20 4.6.4 Soufflures. ...................................................................................................................................... 21 4.6.5 Piqûres........................................................................................................................................... 21

4.7 INCLUSIONS......................................................................................................................................... 22

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4.7.1 Inclusions d'oxydes. ....................................................................................................................... 22 4.7.2 Inclusions de composés métalliques. ............................................................................................. 22 4.7.3 Inclusions non métalliques. ........................................................................................................... 22

5 LA SIMULATION..................................................................................................................................... 23

6 LE MOULAGE BASSE-PRESSION ....................................................................................................... 24 6.1 DEFINITION ......................................................................................................................................... 24 6.2 PRINCIPE ............................................................................................................................................. 24 6.3 ELEMENTS CONSTITUTIFS D’UNE INSTALLATION................................................................................. 26

6.3.1 Le four du maintient ...................................................................................................................... 26 6.3.2 Système d’injection ........................................................................................................................ 27 6.3.3 Système de mise en pression .......................................................................................................... 27 6.3.4 Le moule ........................................................................................................................................ 27

6.4 AVANTAGES ET LIMITES DU PROCEDE. ................................................................................................ 27 6.5 MODES DE CONCEPTIONS..................................................................................................................... 28

6.5.1 Conceptions des moulages............................................................................................................. 28 6.5.2 Conception des systèmes de coulée ............................................................................................... 30

6.5.2.1 Détermination du diamètre du col d’injection......................................................................................30 6.5.2.2 Détermination des pressions d'injection...............................................................................................31

6.5.3 Alliages utilisés en moulage basse-pression.................................................................................. 32 CONCLUSION BIBLIOGRAPHIE ANNEXES

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INTRODUCTION

Le terme fonderie définit aussi bien les installations métallurgiques dans lesquelles on fond les métaux et où on les coule dans des moules pour leur donner la forme des objets à fabriquer, que l'ensemble des opérations nécessaires à leur production. C'est, tout à la fois, un art et un métier dont les origines remontent à plusieurs millénaires avant notre ère, utilisant et mettant en œuvre des techniques aussi diverses que variées, comme le moulage, le noyautage, la métallurgie, la fusion et la coulée des métaux et alliages métalliques, les traitements thermiques, la finition, le parachèvement des pièces, etc.

La fonderie, c'est aussi une industrie produisant des pièces de toutes natures finies ou semi-finies, en toutes quantités, de la façon la plus économique à partir de matières premières brutes (métaux, ferrailles, déchets de tôles, bocages), contrairement à certaines techniques concurrentes (forgeage, mécano soudage...) utilisant des produits semi-finis comme les tôles neuves, les barres et billettes en acier de toutes nuances, élaborés par la sidérurgie.

On s'adresse à elle soit pour la fabrication de pièces de formes compliquées qu'il serait difficile ou impossible de réaliser par tout autre procédé, soit pour la production à des prix de revient plus intéressants de pièces plus simples, soit encore pour profiter des propriétés physiques ou d'utilisation (dilatation, corrosion, frottement, usure, basses et hautes températures) et des propriétés mécaniques des divers métaux et alliages coulés, soit enfin pour couler des alliages non corrodables ou difficilement usinages.

De plus, la fonderie est une industrie économe en énergie, grâce à l'utilisation immédiate du métal liquide dont l'élaboration peut nécessiter, par exemple 650 kWh/t pour de la fonte grise au gros four à induction basse fréquence.

A cela s'ajoute les progrès fait en fonderie, notamment dans le domaine de la précision dimensionnelle, qui entraîne souvent une réduction des dépenses de finition (diminution ou suppression de l'usinage par exemple).

Après une présentation exhaustive des procédés de moulage, nous étudierons plus

précisément la technique du moulage par basse pression.

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1 LES TECHNIQUES DE MOULAGE

L'opération de moulage est une des plus importantes du processus industriel de la fonderie. Elle détermine en effet, d'après le modèle, les formes de la pièce à couler, ses dimensions et leur précision, ses états de surface, son refroidissement, et joue un rôle prépondérant sur de très nombreux paramètres influant sur sa qualité.

De très nombreux procédés de moulage existent (figure 1) et cette très grande variété des procédés impose de les classifier pour permettre leur présentation. Nous les classons généralement en fonction des modes de moulage et de durcissement des matériaux utilisés au moment de la fabrication du moule ou des noyaux et de la nature des modèles qui doivent être compatibles avec les procédés employés :

- moules sables (non permanents) o modèles permanents (bois, métal, résine, etc.) o modèles perdus (polystyrène, cire, etc.)

- moules métalliques (permanent) - procédés spéciaux

Figure 1 : Ensemble des moyens de production de moulage

1.1 MOULAGE AUX SABLES On utilise soit du sable silico-argileux naturel, soit du sable synthétique formé d'un mélange de

grains de silice et d'argile, 5 à 10 % suivant les alliages moulés, humidifiée pour former un lait d'argile qui enrobe les grains en les agglomérant entre eux et de divers adjuvants. On peut distinguer trois grandes familles de sables:

-les sables naturels (peu utilisés maintenant) -les sables étuvés, surtout pour le moulage à l'unité de pièces importantes -les sables synthétiques, sables verts, utilisés directement après leur préparation,

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1.1.1 Procédés de moulage Les procédés de moulage sont classés suivant le mode de serrage employé, qui détermine,

toutes les installations de production des moules, moulage main, moulage machine et moulage mécanisé (figure 2).

Figure 2 : Moulage en motte à joint horizontal

1.1.2 Moulage aux sables à durcissement thermique

La matière première de base pour les procédés à durcissement thermique reste le sable siliceux suffisamment pur, mélangé à des liants organiques (huiles siccatives, résines), le sable étant serré ou soufflé dans une boîte à noyaux ou contre une plaque-modèle. Le chauffage du mélange provoque la prise ou polymérisation des liants et le durcissement du sable. On distingue deux procédés:

- le chauffage du sable en dehors de l'outillage après démoulage - le chauffage du sable par contact avec un outillage chauffé

1.1.2.1 Chauffage et durcissement du sable en dehors de l’empreinte Le sable est mélangé avec deux liants pour lui donner la cohésion à vert (conservation de sa

forme après démoulage de la boîte à noyaux) et la résistance mécanique finale après cuisson à 250°C.

Avantages - Le sable préparé est très fluide, il a donc une excellente aptitude au soufflage dans la boîte à noyaux - Le noyau durci à la cuisson a une grande cohésion, mais il faut le renforcer par une armature métallique - Le débourrage des noyaux après coulée est très facile Inconvénients - Faible précision dimensionnelle, le noyau se déforme au démoulage et à la cuisson, ce qui oblige souvent à prévoir un râpage des noyaux pour pouvoir respecter les cotes principales - On constate aussi un dégagement gazeux important qui oblige à prévoir des tirages d'air - Ces noyaux sont généralement protégés par un enduit réfractaire qu'il faut sécher soigneusement avant la coulée

1.1.2.2 Chauffage et durcissement du sable dans l'empreinte L'utilisation de mélanges de sable sec et de résines thermodurcissables permet d'obtenir

directement dans des empreintes chauffées à 200-240 °C des noyaux ou des carapaces, avec des temps de production de l'ordre de quelques minutes.

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• Procédé Croning Avantages - Précision des pièces - Dessin des pièces - Qualité - Nature des alliages - Stockage facile des noyaux et carapaces sans reprise d'humidité.

Inconvénients - Tendances à la piqûre dans les angles des pièces - Difficultés d'emploi du moulage avec les métaux non ferreux - Coûts relativement importants pour le sable, les outillages et les investissements

• Procédés en boites chaudes ou en boîtes tièdes (figure 3)

Figure 3 : Fabrication des noyaux en boîtes chaudes

Avantages - Aucune nécessité d'additions spéciales au sable, ni d'armatures de renfort des noyaux - Stabilité du noyau, pas de gauchissement - Températures plus basses, donc opérations plus courtes - Résistance élevée du noyau, diminuant les risques de casse en cours de manipulation - Cadences de fabrication élevées et coûts diminués - Meilleure précision dimensionnelle - Etuve inutile, simplification des matériels de mise en œuvre - Bon état de surface des pièces pour les parties en contact avec les noyaux Inconvénients - Tirages d'air importants dans les noyaux nécessaires pour évacuer tous les gaz produits à la coulée - Épaisseur maximale du sable traité ne dépassant pas une soixantaine de millimètres, ce qui conduit à faire les gros noyaux sous forme de deux coquilles assemblées et collées - Nécessité d'un contrôle précis et constant des températures des outillages - Refroidissement des buses et des plateaux de soufflage, ce qui en augmente la complexité et le coût - Durée d'utilisation réduite des sables mélangés - Ventilation nécessaire de tous les postes de travail (odeur et nocivité des émanations gazeuses)

1.1.3 Moulage aux sables à durcissement chimique et physique

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Dans les procédés modernes à prise chimique, à liants organiques ou minéraux, on a cherché à supprimer l'étuvage des moules ou la cuisson des noyaux qui conduisent à des déformations, nuisent à la qualité des pièces et nécessitent des matériels importants. En outre, ces opérations induisent des manutentions très nombreuses, d'un coût très élevé, aussi bien en fabrication de pièces unitaires qu'en fabrication de pièces de série.

1.1.3.1 Sables autodurcissants (durcissement chimique)

Ces sables durcissant directement au contact avec les modèles utilisent pour les plus anciens des liants minéraux (ciment, plâtre, silicate). Les nouveaux procédés à liants organiques (résines synthétiques) sont plus performants. Ils ont amélioré considérablement la fonderie de pièces unitaires notamment, permettant de développer l'emploi des modèles en polystyrène, source de productivité importante dans cette spécialité.

• Sables au ciment

Le ciment est employé comme liant en substitution de l'argile, le durcissement se fait lentement, par un mécanisme de prise hydraulique et il faut éliminer l'excès d'eau par séchage ou chauffage.

Avantages - suppression de l'étuvage - grande perméabilité du sable évitant certains défauts (soufflures et piqûres) - propriétés réfractaires du moule élevées - peu ou pas de réaction moule-métal - qualité superficielle des pièces - excellente conservation des moules et noyaux - ce procédé permet la coulée de tous les alliages

Inconvénients - contrôle rigoureux du sable - Un entretien continu des outillages - Une emprise au sol importante étant donné les temps de prise assez longs

1.1.3.2 Moulage par congélation (durcissement physique) Ce procédé consiste à lier les grains de sable par de la glace. Le matériau de moulage est

constitué essentiellement par du sable siliceux mélangé à 4 % en masse de bentonite et 4 à 6 % en masse d'eau (figure4).

La congélation de l'eau est obtenue par injection d'azote ou de C02 liquides sur les surfaces de l'empreinte après démoulage. La cohésion du mélange initial étant peu élevée, le démoulage est

Figure 4 : Moulage par congélation

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relativement délicat et la précision dimensionnelle n'est pas très bonne. Pour toutes ces raisons, ce procédé est limité à des moulages de formes simples, de faible masse et de relief peu prononcé. L'utilisation de modèles en tous matériaux est possible ainsi que la coulée de tous alliages, ferreux et non ferreux, en série.

1.2 MOULAGE AVEC MODELES PERDUS

1.2.1 Moulage en polystyrène expansé Ce procédé, appelé aussi moulage à modèle perdu, moulage à modèle gazéifiable ou lost foam

(figure5).

Figure 5 : Moulage au polystyrène expansé

Le principe de ce procédé consiste à fabriquer un modèle en polystyrène expansé, noyé ensuite dans le sable de moulage. À la coulée, le métal liquide vaporise le modèle et remplit peu à peu l'empreinte, d'où le nom de procédé avec modèle gazéifiable. Utilisé au départ pour la fabrication des grosses pièces unitaires (outils d'emboutissage par exemple), il s'est ensuite développé plus progressivement dans le domaine des pièces de grandes séries, tant en aluminium qu'en fonte et en acier, pour lesquelles de très nombreuses installations sont maintenant en production industrielle.

• Moulage avec modèles en polystyrène pour grosses pièces unitaires Avantages Les pièces coulées peuvent être de grande taille (50 tonnes), en fonte, acier, alliages non ferreux. Ce procédé convient particulièrement bien pour la fabrication des grosses pièces unitaires ou de très petites séries. Il faut noter que la disparition des modèles simplifie les problèmes posés par leur stockage (magasins à modèles, manutention, etc.). L'apparition des sables autodurcissants a également contribué de façon importante à son développement.

• Moulage avec modèles en polystyrène pour pièces de série Il en diffère pourtant en de nombreux points :

- Les modèles en polystyrène sont injectés et sont pour la plupart montés en grappes - L'enduisage est obligatoire - La coulée se fait toujours à moule plein

Le matériau de moulage, du sable siliceux sec, est versé dans des bacs, autour des modèles, et compacté par vibrations mécaniques.

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Avantages - Précision des pièces - Masselottage considérablement réduit, grâce à la rigidité du moule; - Réduction des prix de revient, due à la suppression du noyautage, à la simplification des opérations de moulage, de décochage et d'ébarbage et à la diminution de la mise au mille - Investissements modérés - Amélioration de l'environnement; les fonderies sont moins bruyantes et moins polluantes Inconvénient - Une mise au point assez longue (au moment du lancement d'une nouvelle pièce) - Des difficultés pour le collage et des risques de déformation des modèles

1.2.2 Moulage à la cire perdue, dit aussi moulage de précision Les modèles sont réalisés en matières fusibles (cire, urée, polystyrène...), assemblés en

grappes, recouverts de couches réfractaires et éliminés ensuite par dissolution ou par voie thermique.

Avantages -II permet la coulée de tous les alliages non ferreux et ferreux. -II permet également une très grande liberté de conception des pièces -Sa souplesse d'application permet la coulée de toutes sortes de pièces, allant de moins de 1 g à plus de 100 kg et de plus d'un mètre de long. -Les états de surface sont excellents, les précisions dimensionnelles très bonnes.

1.3 MOULAGE EN MOULES METALLIQUES

Dans les procédés de moulage au sable étudiés précédemment, les moules et les noyaux doivent être refaits après chaque coulée, ce qui pose de nombreux problèmes et nécessite des installations importantes pour la production des moules neufs et de nombreuses manutentions. On s’est efforcé de réaliser des moules ou des éléments de moules capables de supporter plusieurs coulées successives, appelés moules permanents ou coquilles.

1.3.1 Caractéristiques générales - Rigidité de l'empreinte - Grande précision dimensionnelle - Excellent état de surface des éléments moulants - Conductivité thermique élevée des empreintes qui donnent aux pièces moulées - Un meilleur état de surface - Des caractéristiques mécaniques plus élevées de l'alliage coulé, conséquence d'une vitesse de refroidissement et de solidification plus élevée, donnant un grain plus fin et une matière plus compacte; mais des contraintes résiduelles à l'état brut peuvent nécessiter un traitement thermique de détente des pièces surtout pour les métaux ferreux - Une plus grande précision des dimensions des pièces avec la possibilité de faire venir, bruts de fonderie, des trous de fixation et de permettre une réduction appréciable des surépaisseurs d'usinage II faut noter que, pour certaines fabrications, le noyautage au sable reste obligatoire.

1.3.2 Différents procédés de moulage en coquille Ces procédés sont classés et différenciés suivant le mode de mise en œuvre du métal liquide: - Moulage en coquille par gravité : la coulée se fait par gravité, directement dans le godet de

coulée de la coquille

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- Moulage en coquille basse pression : le métal est injecté dans l'empreinte grâce à la pression d'un gaz sur le bain liquide et introduit dans le moule par l'intermédiaire d'une buse d'injection

- Moulage sous pression : le métal est injecté sous forte pression dans le moule par l'intermédiaire d'un piston agissant sur le métal liquide versé dans un conteneur

- Moulage sous très haute pression (100 à 150 MPa) ou forgeage liquide - Moulage en coquille centrifugée : il est utilisé principalement pour la fabrication de pièces

cylindriques creuses

1.3.2.1 Moulage en coquille par gravité On coule directement le métal liquide à l'aide d'une louche ou d'une petite poche de coulée

dans l'empreinte d'un moule métallique qui peut comporter ou non des noyaux métalliques ou en sable suivant les pièces à fabriquer et leur complexité. Avantages Un tel procédé fournit des pièces propres, de bel aspect, lisses, étanches et compactes, aux cotes très proches des dimensions finales. La précision des pièces est améliorée par rapport à celle des moulages au sable, d'où économie de matière, usinage réduit, tolérances des cotes plus serrées facilitant l'usinage sur machines-outils automatiques. Les pièces peuvent présenter des formes extérieures compliquées. Le refroidissement rapide leur donne une structure plus fine du métal donc à de meilleures caractéristiques mécaniques. Inconvénients Par contre, il faut noter que ce procédé nécessite l'emploi de masselottes nombreuses et importantes, parfois difficiles à positionner dans le moule. Le temps de solidification des masselottes est long et le coût de transformation du métal liquide est assez élevé. Les outillages sont chers. II faut également noter que les installations de coulée en coquille par gravité sont nettement moins polluantes que les installations de moulage au sable.

1.3.2.2 Moulage sous pression Dans ce procédé, l'alliage liquide est injecté sous forte pression dans l'empreinte d'un moule

métallique. L'alliage; poussé par un piston dans un conteneur en acier spécial au chrome-molybdène, est introduit dans le moule par une buse d'injection. L'injection se fait en un temps très court. Les moules sont montés sur les plateaux d'une presse hydraulique horizontale, de grande puissance pour éviter toute fuite au plan de joint. Les pressions et les systèmes d'injection, les forces de fermeture des machines, dépendent de nombreux facteurs, notamment du genre d'alliage coulé, de la forme et du volume de la pièce. Avantages - grande précision dimensionnelle - très bon état de surface - suppression de certains usinages - obtention de pièces légères - bonnes caractéristiques mécaniques Inconvénients - les investissements sont élevés, surtout pour les grosses pièces; les outillages sont importants, très coûteux, et il faut prévoir pour les fabrications de grandes séries un équipement de deux outillages et parfois trois par machine - Les formes des pièces doivent être pensées en fonction de ce procédé, simples à l'intérieur, plus compliquées à l'extérieur - Les inserts ne sont pas commodes à positionner dans les moules; ils doivent être chauffés, introduits et mis en place entre chaque cycle en ralentissant les cadences

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1.3.2.3 Moulage par forgeage liquide Le forgeage (figure 6) s'applique aux alliages légers et se distingue des autres procédés en

moules métalliques par: - Un remplissage très calme de l'empreinte - Une solidification sous une pression très élevée (100 MPa et jusqu'à 150 MPa), ce qui

confère aux pièces fabriquées de très bonnes caractéristiques mécaniques grâce à une structure très fine et à l'absence de porosités et permettra également de réaliser des composites à matrice métallique renforcée de fibres céramiques.

Figure 6 : Moulage par forgeage liquide

II existe deux variantes: - Le squeeze-casting indirect, qui utilise des moules semblables à ceux de la fonderie sous

pression; le remplissage de l'empreinte se fait à faible vitesse, de bas en haut, le piston d'injection servant ensuite à l'application de la pression de solidification.

- Le squeeze-casting direct, ou forgeage liquide, qui utilise des outillages semblables à des matrices de forge; le métal liquide est dosé au préalable, puis versé directement dans la matrice. Une pression très élevée est ensuite appliquée par le poinçon supérieur sur toute la surface libre du métal pendant la durée de la solidification et du refroidissement. 2 PROCEDES SPECIAUX.

Nous avons classé dans ce paragraphe un certain nombre de procédés de moulage spéciaux faisant appel à des techniques originales qui permettent d'améliorer les performances des pièces moulées ou de fabriquer certaines pièces ou produits particuliers :

- Le moulage avec refroidisseurs - Le moulage par centrifugation - Le moulage de pièces bimétalliques

2.1 MOULAGE AVEC REFROIDISSEURS

Les refroidisseurs sont des masses métalliques, de dimensions réduites, dont le rôle est de

créer localement des vitesses de refroidissement de l'alliage coulé supérieures à celles des sables de moulage ou à celles du refroidissement normal de la pièce dans son moule pour: - Orienter la solidification de la pièce et réduire ainsi localement les risques de retassures et de criques - Donner une structure particulière à l'alliage coulé à l'endroit du refroidisseur

Ceux-ci peuvent être des refroidisseurs de surface, une de leurs faces sert alors de surface moulante dans l'empreinte, ou être des refroidisseurs internes noyés dans la pièce.

1 2 3

6 5 4

1. presse hydraulique ouverte 2. poteyage du moule 3. verse métal 4. fermeture presse 5. solidification sous pression 6. ouverture puis éjection de la pièce

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2.2 MOULAGE PAR CENTRIFUGATION

Utilisé dans la presque totalité des cas pour fabriquer des corps creux cylindriques sans noyau, le moulage par centrifugation consiste à couler le métal liquide dans un moule animé d'un mouvement de rotation autour de son axe principal. Les masses liquides sont soumises à une force centrifuge F = m ω² R tendant à les éloigner de l'axe de rotation et à les plaquer contre les parois du moule (w vitesse de rotation angulaire, R rayon, m masse). Les moules peuvent être en sable ou en coquille métallique, montés sur des machines à axe horizontal, vertical (figure 7) ou oblique.

Figure7 : Machine de coulée sous pression centrifuge à axe vertical

Les pièces obtenues par centrifugation possèdent de très bonnes qualités physiques et

mécaniques. La force centrifuge exercée pendant toute la solidification de l'alliage permet de limiter les

retassures et d'obtenir un alliage à structure plus fine, plus compacte et plus homogène que dans la coulée par gravité.

Ce procédé permet une diminution de la mise au mille par la suppression presque systématique des dispositifs de remplissage et d'alimentation.

La centrifugation permet également de réaliser, dans un même moule, des pièces en alliages composites centrifugés en couches successives. La couche précédente solidifiée sert alors de moule pour la suivante (bimétal, multimétaux) et chaque alliage est alors employé spécifiquement en fonction de ses propriétés.

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Avantages La centrifugation est un procédé très répandu pour la fabrication des corps creux cylindriques,

et également (mais beaucoup plus rarement) pour la fabrication de petites pièces diverses. - Accroissement de la propreté inclusionnaire du métal par l'épuration physique sous l'effet de la force centrifuge pendant la solidification - Métal plus compact, diminution de certains défauts (soufflures, inclusions) - Structure plus fine et meilleures propriétés mécaniques de l'alliage - Obtention d'une bonne précision dans les formes, réduction de l'ébarbage et de l'usinage des pièces - Mise au mille faible (rendement métallique de 90 à 95 % au lieu de 50 à 55 % en coulée statique) - Très grande productivité des installations que l'on peut assez facilement automatiser Inconvénients

Toutefois, grâce à tous ces avantages spécifiques, à la qualité des pièces produites, et malgré des coûts d'outillages plus élevés, la centrifugation reste, sans doute, le meilleur moyen de production pour des pièces un peu spéciales en bronze ou en aciers spéciaux pour diverses industries (extraction pétrolière, hydraulique, construction navale, nucléaire, sidérurgie, etc.). II est à noter que le procédé offre moins d'intérêt pour les alliages à faible masse volumique, la vitesse de rotation du moule étant obligatoirement très élevée.

2.3 MOULAGE DE PIECES BIMETALLIQUES

Les pièces bimétalliques s'obtiennent en coulant successivement deux alliages différents pour obtenir, en finale, une seule pièce à deux composants. Après coulée du premier alliage, on doit attendre sa solidification pour couler le second et obtenir ainsi la pièce finale. Grâce à la présence des deux alliages, on peut fabriquer des pièces ayant des caractéristiques différentes suivant l'endroit considéré.

Avantages - Il n'est plus nécessaire de fondre une quantité de métal largement supérieure à la masse de la pièce brute - Il n'y a pas de mélange entre les deux métaux qui sont donc rigoureusement indépendants, le métal secondaire est homogène et l'analyse du cœur et des tourillons correspond à l'analyse de la coulée - La zone de liaison, qui présente souvent des caractéristiques mécaniques médiocres, est réduite à une épaisseur d'environ 1 à 3 mm, ce qui garantit une liaison parfaite entre les deux métaux 3 LE POTEYAGE

Le moulage en moules permanents nécessite l'emploi d'un poteyage (enduit protecteur) déposé sur la surface des empreintes, qui permettra selon sa composition : - De mieux diriger et régler le refroidissement et la solidification des pièces dans l'empreinte, pour éviter certains défauts en retardant la solidification des parties minces de la pièce ou des masselottes avec des enduits isolants, ou en évacuant plus rapidement l'énergie thermique dans d'autres parties plus massives avec des enduits conducteurs - De protéger les empreintes de l'attaque et de l'érosion par le métal liquide (dissolution du fer par l'aluminium par exemple) ainsi que des chocs thermiques - De faciliter le démoulage, en évitant les arrachements dans les zones à faible dépouille - D'améliorer l'état de surface des pièces • Pour le moulage sous pression, on pulvérisera des poteyages liquides entre chaque cycle. • Pour le moulage en coquille par gravité ou basse pression, moins agressif, on pourra protéger les outillages par un enduit permanent, déposé par pulvérisation ou au pinceau, qui formera, après séchage à cœur, une couche isolante et réfractaire.

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4 DEFAUTS DE MOULAGE

Les anomalies sont le fait d'une appréciation insuffisante des éléments de base du moulage au niveau :

- de la conception du modèle en général - de la définition des systèmes de remplissage et d'alimentation; - du choix de la technique de moulage; - des opérations de parachèvement et de traitement thermique (déformations) ; - de l'alliage, par sa mise en œuvre et son comportement à la fusion et au moulage.

Les problèmes d'anomalie sont très complexes, et il n'est pas toujours aisé de déterminer l'origine des défectuosités d'une façon précise. plusieurs facteurs différents pouvant se superposer par interaction Pour qu'une altération de la qualité ait des conséquences limitées, il est indispensable d'effectuer un dépistage en utilisant, entre autres, les moyens suivants

a) examen visuel, avec ou non l'aide d'auxiliaires (loupe, endoscope, etc.); b) examen des structures; c) test de ressuage ; d) contrôles non destructifs : ultrasons et RX; e) mesure de la densité; f) test de sonorité.

4.1 PIECES IMCOMPLETES

4.1.1 Manque Description du défaut : absence de matière dans une partie de la pièce. Causes principales - mauvaise conception du système de coulée, - température de coulée trop basse, - zones de moule trop froides (moules métalliques), - mauvais choix d'alliage.

Remèdes possibles - couler les pièces de grandes surfaces en inclinant légèrement le moule; - vérifier la pyrométrie du poste de fusion; - améliorer l'évacuation de l'air du moule; - bien désoxyder l'alliage et maintenir le jet de coulée toujours bien plein.

4.1.2 Reprises. Description du défaut : solution de continuité à bords arrondis. Causes principales : pratiquement les mêmes que celles des malvenues, mais plus fréquentes en moule métallique quand il se produit la rencontre de deux courants de métal déjà refroidis. Remèdes possibles, les mêmes que pour les malvenues coulée en moule métallique, utiliser un poteyage isolant et légèrement rugueux.

4.1.3 Coulée à court. Causes principales : dans le cas du moulage en basse pression, la pression de fin de remplissage est insuffisante. Remède : rendre la pression suffisante en l'augmentant.'

4.1.4 Moule vidé.

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Causes principales • cas du moulage coquille :

- moule mal fermé ou ouverture prématurée; • cas du moulage sous basse pression

- mêmes causes que pour le moulage en coquille, - risques de coupures prématurées de la pression de maintien de solidification;

• cas du moulage sous pression - fuite au plan de joint.

Remèdes possibles • moulages en coquille et basse

pression - bien nettoyer les joints de moule avant fermeture - bien verrouiller les parties moulantes

• moulage sous pression - bien respecter les pressions d'injection prévues pour éviter les effets de surpression.

4.2 FORMES INCORRECTES

Description du défaut : la partie intérieure de la pièce est déportée par rapport à la partie extérieure. Causes principales - excès de jeu dans les portées de noyaux ou les guidages de broches, - mauvais remmoulage par défaut de repérage.

Remèdes possibles - bien caler les noyaux dans les repères; - assurer un remmoulage précis par repères détrompeurs; - en moulage en moules métalliques, remplacer régulièrement les broches.

4.2.1 Pièces déformées Trois cas sont envisageables.

Premier cas : Description du défaut : la pièce est déformée par rapport aux cotes du dessin d'une façon systématique. Causes principales : modèle déformé de par la nature des matériaux utilisés dans sa construction, de par sa conception et de par les mauvaises conditions de stockage. Remèdes possibles - éviter l'emploi de matériaux de construction sensibles aux températures et aux conditions atmosphériques, - stocker les modèles sans porte-à-faux, - s'assurer que le montage sur les machines à mouler ne déforme pas les plaques support de modèle.

Deuxième cas

Description du défaut : la pièce est déformée par rapport aux cotes du dessin mais non d'une façon systématique. Causes principales : il faut chercher ces causes au niveau : - des conditions de fabrication, - des manutentions, - du verrouillage des moules.

Remèdes possibles - éviter toute déformation partielle du modèle lors du montage sur la machine; - renforcer les châssis, pour en augmenter la rigidité; - assurer un serrage homogène du sable; - verrouiller les châssis entre eux sans serrage excessif (juste un blocage de maintien), - dans le cas des moules métalliques (coquille), tenir compte des variations dimensionnelles en fonction des températures dans les diverses parties du moule.

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Troisième cas :

Description du défaut : la pièce présente localement, ou même dans son ensemble, des déformations par rapport au dessin, au moule, et au modèle (sable). Causes principales - le retrait est contrarié par le tracé de la pièce, par le masselottage et le système de coulée - démoulage prématuré ou trop brutal; - déformation après usinage, par libération des contraintes. Remèdes possibles - reprendre, lorsque c'est possible, le tracé de la pièce; - bien s'assurer d'un serrage très homogène du sable; - rechercher une solidification isotherme de la pièce; - en moule métallique, utiliser des systèmes d'éjection indéréglables; - éviter les démoulages trop chauds pour diminuer les risques de déformation; - stabiliser les pièces de forme complexe à la fin des opérations de parachèvement; - en moulage métallique, concevoir et respecter un ordre de démoulage limitant les déformations des pièces.

4.3 DIMENSIONS INCORRECTES

4.3.1 Retrait contrarié. Description du défaut : les dimensions sont exagérés dans le sens où le moule offre une résistance au retrait plus élevée. Causes principales

• cas du moulage en sable - sable trop serré, - noyaux trop résistants (liant peu destructible aux températures do coulée des alliages d'aluminium) ;

• cas du moulage en moule métallique : démoulage trop tardif - coincement sur élément du moule par retrait au refroidissement).

Remèdes possibles • cas du moulage en sable

- bien contrôler le serrage du sable des moules et limiter le plus possible les teneurs en liant des noyaux, - s'adapter au défaut en modifiant les cotes du modèle;

• cas du moulage en moule métallique - démouler et ouvrir le moule dès que la solidification le permet, - augmenter les dépouilles, - modifier les cotes du moule pour compenser la différence de retrait si cette différence est constante.

4.3.2 Erreur dans la prévision du retrait. Description du défaut : toutes les dimensions du moulage sont non conformes, mais dans une même proportion par rapport aux dimensions prévues. Causes principales - le retrait théorique ne se réalise pas, - en moule métallique, le retrait est fonction, entre autres, de la dilatation du moule.

Remèdes possibles - modification du modèle pour tenir compte des différences du retrait; - dans le cas des moules métalliques, maintenir constantes les températures de démoulage.

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4.4 SURFACES DEFECTUEUSES

4.4.1 Arrachements. Description du défaut : aspect de sillons et de rugosités sur des surfaces limitées de la pièce et en général situées dans les angles (moules métalliques). Causes principales - attaque du moule, par le métal liquide; - type de traitement de surface des moules métalliques mal adapté à l'alliage choisi

Remèdes possibles - augmenter les dépouilles, - abaisser autant que possible la température du moule et de l'alliage, - diminuer les vitesses d'injection,

4.4.2 Cassure à froid. Description du défaut : fissuration, souvent à peine visible, non oxydée. . Causes principales - choc anormal au moment du décochage, ou de l'ébarbage; - contrainte anormale exercée pendant les opérations de parachèvement et en usinage. Remèdes possibles - prendre soin de ne pas créer des contraintes extérieures. - prévoir des congés de raccordement, - augmenter au mieux les dépouilles; - éviter d'utiliser des alliages à grand intervalle de solidification, - bien affiner le grain et bien désoxyder l'alliage, - choisir la température de coulée la plus basse possible; - pour le moulage sable : prévoir un serrage homogène du moule et diminuer les teneurs en liant des noyaux, - pour le moulage en moule métallique : . employer des moules à parois plus minces et augmenter la température de fonctionnement, . employer des enduits isolants, . remplacer un noyau métallique par un noyau en sable pouvant s'écraser au retrait, . démouler le plus tôt possible les éléments métalliques internes (broches) ; - pour le moulage sous pression : démouler rapidement par éjecteurs ; - assurer une bonne répartition des zones d'introduction du métal dans le moule.

4.4.3 Criques à froid. Description du défaut : fissure ayant l'aspect d'une cassure à froid qui, généralement, apparaît dans les zones solidifiées en dernier. Causes principales - effet de dilatations différentielles entre diverses parties de la pièce après solidification; - ce type de défaut s'observe essentiellement sur des pièces de formes complexes.

Remèdes possibles - choisir un alliage peu sensible à ce défaut, tel que les alliages AI-Si; - prendre les mêmes précautions au moulage que pour les criques à chaud; - dès que le démoulage est terminé, éviter un refroidissement rapide à l'air.

4.4.4 Criques à chaud. Ce défaut est un des plus fréquents rencontrés en fonderie d'alliages légers.

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Description du défaut : fissure plus ou moins profonde qui a un aspect dendritique et oxydé après rupture. Ce défaut apparaît dans les régions se solidifiant en dernier et qui sont soumises à des contraintes de retrait. Causes principales : effet de retrait dans une zone en cours de solidification provoquant des contraintes se traduisant par une rupture . Remèdes possibles - choisir un alliage peu sensible à ce défaut; - prendre les mêmes précautions au moulage que pour les criques à chaud; - dès que le démoulage est terminé, éviter un refroidissement rapide à l'air.

4.4.5 Tapures de trempe. Description du défaut : solution de continuité sous forme d'une crevasse visible à l'œil nu, de largeur régulière à bords aigus. Cause principale : résultat d'un choc thermique trop important lors de la trempe. Remèdes possibles - revoir le tracé de la pièce comme dans le cas des criques à chaud ou à froid ; - pratiquer une trempe adoucie à l'eau chaude, ou à l'eau avec un additif; - limiter la température de trempe.

4.5 EXCROISSANCES METALLIQUES

4.5.1 Gale franche. Description du défaut : excroissance métallique irrégulière de quelques millimètres, en général très sensiblement parallèle à la surface du moulage et n'adhérant à celui-ci que partiellement. Ces excroissances se présentent sur les parties supérieures ou inférieures horizontales et sont alors respectivement dénommées gale de plafond ou gale de plancher. Cause principale : la coulée du métal provoque dans le moule en sable l'apparition d'une zone de condensation de faible résistance, puis la formation d'une croûte qui éclate sous l'effet de la dilatation, provoquant ainsi l'infiltration du métal qui apparaît après solidification sous forme de languette.

Remèdes possibles - augmenter la résistance du sable par des ajouts de liants; - éviter l'utilisation de sable trop fin; - réduire le plus possible les teneurs en eau des sables; - utiliser des additifs réduisant les effets de dilatation de la silice; - enduire les moules d'un produit pénétrant et durcissant.

4.5.2 Craquelures. Description du défaut : formation d'un réseau de fines bavures à la surface de pièces coulées en moules métalliques. Causes principales - le choc thermique résultant de la coulée de chaque pièce provoque une alternance de contraintes de traction et de compression sur la partie du moule en contact avec l'alliage liquide; - dans certains cas, la limite d'élasticité de la matière constituant le moule est dépassée et, sous l'effet de cette fatigue thermique, il se forme des fissurations qui se traduisent par des reliefs dans la pièce. Remèdes possibles - choisir des matériaux bien adaptés pour la construction des moules métalliques; - faire un traitement de surface des moules de type nitruration, sulfinisation, - assurer une bonne régulation thermique du moule en évitant les refroidissements brutaux; - éviter de couler des alliages trop chauds et limiter au mieux la vitesse de remplissage.

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4.6 CAVITES

4.6.1 Cratères. Description du défaut : cavités en forme de petits puits souvent contenant des fines particules de sable dans le cas du moulage en sable, ou sans particule dans le cas du moulage en moule métallique. Causes principales - pour le moulage en moule métallique, il s'agit d'une cavité formée par la présence d'une inclusion contenant une matière volatile (eau, huile, etc.); - pour le moulage sable, il s'agit de la présence de grumeaux d'argile mal mélangés qui créent

des cratères par un dégagement de vapeur d'eau accompagné d'une érosion de sable . Remèdes possibles - pour le moulage sable, prendre un soin particulier à la préparation du sable; - pour le moulage en moule métallique, utiliser des enduits à fine granulométrie, à séchage rapide.

4.6.2 Refus Description du défaut : cavités parfois ouvertes ou fermées mais toujours de forme très aplatie et situées généralement dans les parties planes des moulages. Causes principales - insuffisance de perméabilité du moule, - entraînement d'air au remplissage, - moule métallique trop froid (souvent au démarrage d'une fabrication), - présence anormale d'humidité dans le moule réagissant avec l'alliage liquide. Remèdes possibles

- en moulage sable - préparer un sable très homogène à faible humidité, - assurer un serrage régulier du sable, - strier et bien sécher les refroidisseurs, - flamber le moule et respecter une attente avant coulée (temps de ressuyage);

- en moulage métallique (coquille) - utiliser des enduits très légèrement granuleux, - éviter la coulée en chute pour éliminer les entraînements d'air intempestifs;

- en moulage sous pression - éviter les entraînements à l'injection, - limiter le plus possible le graissage du piston d'injection, - utiliser un dispositif de coulée sous vide

4.6.3 Retassures. Ces défauts se présentent sous trois formes : les macroretassures (débouchantes ou internes), les microretassures et les retassures de surface.

- Macroretassures Description du défaut : cavités de dimensions souvent importantes situées en général dans les parties hautes des pièces ou dans les parties massives. Causes principales - contraction volumétrique de l'alliage lors de son passage de l'état liquide à l'état solide; - les températures des diverses parties du moule, - le tracé de la pièce, - le gradient thermique de coulée, .. l'effet de pression pendant la solidification,

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Remèdes possibles - améliorer l'efficacité des masselottes; - refroidir les parties massives pour orienter la solidification; - en fonderie sous pression, utiliser les multiplicateurs de pression - en moule métallique, utiliser les enduits (poteyages) isolants dans les parties hautes et refroidissants dans les parties basses ;

- Microretassures Description du défaut : nombreuses petites cavités affectant des parties limitées d'une pièce et situées en général dans des zones éloignées des masselottes, ou mal refroidies. Causes principales - tracé contrariant la solidification rationnelle; - mauvaise répartition du liquide interdendritique en fin de solidification; - manque d'action du masselottage et du refroidissement ; - présence d'éléments étrangers gênant l'écoulement interdendritique. Remèdes possibles - revoir le système de masselottage et de refroidissement (gradient thermique) ; - utiliser les alliages peu sensibles à ce défaut.

- Retassures de surface Description du défaut : la surface de certaines parties de pièces coulées en alliage A-Sl3, ou de composition voisine, présente de petits affaissements faibles (de l'ordre du millimètre). Causes principales - le liquide eutectique, en fin de solidification, se contracte (effet d'aspiration) à travers un front de solidification irrégulier; - une surchauffe élevée et accidentelle du métal.

Remèdes possibles - éviter l'utilisation d'un alliage rigoureusement eutectique, - éviter les points chauds par l'utilisation de refroidisseurs. - en moulage sable, augmenter la perméabilité du sable; - éviter les traces d'humidité, de produits dégageant des gaz.

4.6.4 Soufflures. Description du défaut : cavités à parois lisses sensiblement sphéroïdales. Causes principales - emprisonnement d'air au moment du remplissage ; - dégagement gazeux pouvant provenir de la présence d'un refroidisseur, . de la réaction des matériaux constituant le moule, . de la présence d'un insert métallique mal dégraissé ou humide.

Remèdes possibles - reprendre les systèmes de coulée pour éviter tout entraînement d'air; - en moulage sous basse pression, utiliser impérativement des tubes plongeurs rigoureusement étanches ; - en moulage sous pression, augmenter le taux de remplissage du conteneur;

4.6.5 Piqûres Description du défaut : petites cavités sphéroïdales régulièrement réparties dans la pièce ou dans des zones corticales.

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Causes principales Remèdes possibles - libération de gaz au cours de la solidification, ce défaut est appelé piqûres endogènes; - réaction avec les matériaux de moulage au contact de l'alliage liquide, le défaut est réparti régulièrement sous la peau de la pièce (zone corticale); ce défaut est appelé piqûres exogènes.

- bien dégazer les alliages; - accélérer la vitesse de solidification; - étuver à très haute température les moulages au plâtre et en cire perdue

4.7 INCLUSIONS

4.7.1 Inclusions d'oxydes. Description du défaut : inclusions non métalliques se présentant généralement sous forme de pellicules plus ou moins froissées et qui créent des solutions de continuité dans la structure de la pièce. Causes principales - au cours de l'écoulement dans le moule, les phénomènes de turbulences contribuent à la formation de nombreux oxydes; - viennent s'ajouter les risques de formation d'autres types d'inclusions pendant le brûlage du modèle par l'alliage liquide lors du remplissage, sous forme de piégeage de résidus de styrène liquide; - les traces d'humidité. Remèdes possibles - éviter les écoulements turbulents par un calibrage précis des systèmes de coulée; - utiliser des filtres, en moulage sable et en coquille; - limiter les hauteurs de chute de remplissage du moule; - en moulage sous pression, adopter des cycles d'injection comportant une première phase à accélération constante.

4.7.2 Inclusions de composés métalliques. Description du défaut : inclusions en général très fines et dispersées dans la pièce, peu décelables et qui se traduisent par une usure prématurée des outils de coupe et par des traces de rayures appelées queue de comète. Causes principales Observées en moulage sous pression contenant des éléments formant des composés intermétalliques. Remèdes possibles - ne pas former ces composés qui sont pratiquement insolubles aux températures usuelles d'emploi et pour ce faire - éviter les maintiens à basse température , - brasser le bain pour éviter les décantations, - ne pas introduire de charges solides et froides dans un four de maintien ;

4.7.3 Inclusions non métalliques. Description du défaut : inclusions dures souvent localisées dans certaines parties de la pièce qui n'altèrent pas les qualités mécaniques de la pièce, mais se manifestent par une usure rapide des outils de coupe, voire des casses. Causes principales - inclusions d'alumine sous forme de corindon; - dégradation des creusets qui peuvent libérer des particules de carbure de silicium. Remèdes possibles - limiter les maintiens des alliages liquides à une température élevée; - bien nettoyer les fours avant chargement et utiliser des filtres de coulée

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5 LA SIMULATION La simulation de remplissage et du comportement thermique des moules et des pièces commence seulement aujourd’hui à être maîtrisée (et encore imparfaitement). Ces simulations sont toutes basées sur un maillage par éléments finis du moule et\ou de la pièce puis l’application d’algorithmes dits CFD. Les code champs, ou codes CFD (Comptutational Fluid Dynamics), résolvent les équations régissant les mouvements d’un fluide. Ces équations traduisent la conservation de la masse et de la quantité de mouvement du fluide (équations de Navier-Stokes), ainsi que la conservation de son enthalpie. Certains codes sont aussi en mesure de décrire de polluant ou les réactions chimique au sein d’un fluide. Il existe un très grand nombre de codes CFD disponibles (plusieurs centaines), qu’ils soient commerciaux, du domaine public ou encore propres à certaines institutions. Chaque couple alliage\procédé de moulage doit avoir ses propres codes confirmés par essais in situ. Les logicierls utilisés sont nombreux (parfois propre à un groupe industriel). A titre d’exemple les programmes suivant peuvent être cités :

• Le célèbre FLOW-3D® connu pour sa versatilité dans le domaine de l’étude du comportent de fluides dans des conditions très diverses.

• Deux logiciels plus spécialisés dans la fonderie :

- Magmasoft® de la Société allemande MAGMA

- ProCAST® de la Société nord-américaine UES Software, logiciel décrit dans l’annexe 2

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6 LE MOULAGE BASSE-PRESSION

Ce procédé, connu depuis au moins 1910, a fait l'objet au cours des dernières décennies de nombreuses recherches de perfectionnement et d'industrialisation de grandes séries, pour l'automobile notamment. II est utilisable pour des alliages à basse température de fusion (étain, plomb) ainsi que pour les alliages d'aluminium, de magnésium, de cuivre, et il commence à se développer pour le moulage des pièces en fonte, mais dans ce cas avec des moules en sable.

6.1 DEFINITION

Ce procédé est le plus récent des procédés de coulée en moules permanents. Le moule est monté sur une machine spéciale qui permet la mise en mouvement des éléments mobiles. Un four étanche de maintien alimente le moule en alliage liquide. Pour cela, on soumet la surface du bain à une pression d'air, de 0.1 à 0.2 bar, qui pousse l'alliage de bas en haut. Le remplissage terminé, on applique une surpression de masselottage de 0.4 à 1 bar Lorsqu'on coupe la pression (une fois la pièce solidifiée au plus près du bord du tube plongeur), l'alliage liquide retombe dans le four et l'éjection de la pièce peut se faire.

6.2 PRINCIPE

Voici le schéma très simplifié d’une machine de coulée basse-pression telle que celles utilisés par une fonderie d’équipementier automobile de la région Poitou-Charente:

Figure 8 : moulage basse pression

Cette technique de coulée (figure 8) se décompose en 5 phases élémentaires : 1 Dès que le moule est fermé, mise en pression rapide à la valeur calculée PO (ligne OA)

pour atteindre le col; 2 Mise en pression plus lente p0 à p1 (ligne AB) pour remplir le moule; 3 Montée en surpression (ligne BC) dont le rôle est d'assurer un effet de masselottage de la

pièce; 4 Maintien en surpression Pm ligne (CD) pendant le temps de solidification de la pièce; 5 Mise en dépression rapide (ligne DE) pour séparer rapidement et franchement le liquide

du solide au niveau du col.

1

2

3

4

5

Une machine de coulée basse pression simplifiée est composée des éléments suivants : - un four de maintien étanche (1) - un conduit, joignant le four et le moule (2) - un moule/coquille automatisé (3) - un système de pressurisation du four (4) - un système de dépressurisation du four (5)

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Figure 9 : Evolution des pressions lors du moulage

Figure 10 : Réalisation d’une pièce en moulage basse pression

Le four est ouvert, il y règne la pression atmosphérique.

Etape N°1Etapes N°2, 3, 4

Etape N°5

Ejection de la pièce moulée

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6.3 ELEMENTS CONSTITUTIFS D’UNE INSTALLATION

Une installation comprend : - un four de maintien. - une machine portant le moule. - un système d'éjection. - un système de mise sous pression\dépression. - un moule métallique ou semi-métallique

6.3.1 Le four du maintient

On utilise des fours à creuset en graphite électrique, les fours à induction sont utilisés pour des fabrications importantes et continues.

Deux types principaux existent - machines à four fixe (figure 11.), - machines à four mobile (figure 12.).

Le deuxième type de machine permet un accès plus facile au four de maintien pour réaliser éventuellement des traitements du bain. Dans le cas particulier de la machine à injection oblique (figure 12 a), on peut utiliser des moules plus complexes puisqu'il est possible, grâce à cette disposition, de prévoir des parties mobiles de moule dans la partie inférieure; par contre, ces installations sont plus onéreuses et sont donc généralement utilisées pour les productions de très grande série de pièces complexes (exemple : culasses de moteurs, à essence ou Diesel, refroidis à eau). Quel que soit le type de four, celui-ci doit être étanche (pression intérieure de 1 bar). Cette étanchéité est réalisée sur le creuset ou sur le four lui-même. La capacité de ces fours peut aller jusqu’à 700Kg d'alliages.

Figure 11 : Moule fixe Figure 12 : moule mobile

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6.3.2 Système d’injection

Ce système est composé d'un tube plongeur et d'une buse appelée col d'alimentation qui assure la liaison entre le tube et le moule. En outre, la séparation entre métal liquide et solide se fait dans ce col. Le tube est une pièce très sollicitée thermiquement et chimiquement. Pour des raisons d'économie on a abandonné les matières très réfractaires mais chères. Les tubes sont en fonte grise moulée ou en acier étiré. Ils sont protégés, dans le cas de coulée d’aluminium, toutes les 10h à 20h de fonctionnement, extérieurement et intérieurement. La partie inférieure du tube est souvent amovible, car c'est la zone la plus sollicitée.

6.3.3 Système de mise en pression

Le fluide de mise en pression est de l'air sec et dépoussiéré (ou mieux parfois un gaz neutre). Un système automatisé permet la mise en pression variable.

6.3.4 Le moule Le moule est composé des éléments suivants:

• un bloc est bridé sur le plateau mobile de la machine. • un bloc sur le plateau fixe. • des noyaux fixes ou mobiles complètent l'empreinte. • un système d'éjection, semblable à celui de la coulée sous pression, éjecte la pièce (

bas en haut en injection oblique, inversement en injection verticale). • des canaux de refroidissement assurent l'équilibre thermique du moule. • des vérins hydrauliques assurent la mise en mouvement des éléments mobiles. • de systèmes de régulation thermique

Les matériaux constitutifs utilisés sont la fonte perlitique pour les blocs, les aciers au chrome

pour les parties moulantes, du sable aggloméré pour certains noyaux (prototypes). Le moule est entièrement mécanisé et le cycle de fabrication est automatique.

6.4 AVANTAGES ET LIMITES DU PROCEDE. Avantages - Coulée directe du four dans le moule sans turbulence et pratiquement sans oxydation si les précautions d'usage sont respectées - Amélioration de l'environnement par suppression de la coulée par poche - Installation compacte et pouvant être entièrement automatique - Absence de masselottage ou réduction le plus possible de la mise au mille; c'est le procédé le plus efficace dans ce domaine (gain sur frais de fusion important) - Très bonne précision dimensionnelle - Possibilité de couler en atmosphère neutre (azote ou argon) - Cadence de production plus élevée qu'en coquille coulée par gravité - Moulage de plusieurs pièces avec un seul canal d’alimentation central - Les caractéristiques des alliages sont améliorés de 10 % environ - Traitement thermique possible des pièces

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Inconvénients - Le fait de ne couler que par un orifice, ou deux éventuellement, ne permet pas de mouler des pièces nécessitant plusieurs points d'alimentation - Le fait de stocker dans un four étanche un alliage liquide impose que celui-ci conserve ses qualités tout au long des injections, ce qui n'est pas le cas par exemple des alliages AI-Si modifiés au sodium; il faut donc adapter l'alliage au procédé; actuellement, ce sont les alliages AI-Si ayant subi un traitement au Sr ou à Sb qui répondent à ce problème - Le tube plongeur, généralement réalisé en fonte, ou en acier, tend à charger le bain en fer par dissolution lente, ce qui peut altérer la qualité mécanique des pièces : néanmoins, ce point n'est plus un problème grave si l'on poteye avec soin les tubes.

6.5 MODES DE CONCEPTIONS

6.5.1 Conceptions des moulages

II n'existe pas de règles mathématiques simples pour concevoir un moule sur le plan thermique, mais, en respectant quelques principes élémentaires, on se rapproche sensiblement d'une conception idéale et il suffit, en général, de quelques réglages au cours de la mise au point des premières pièces pour arriver à de très bons résultats. II ne faut pas perdre de vue qu'en moulage sous basse pression le sens de refroidissement est l'inverse de celui des moulages par gravité. II faut donc que la solidification de la pièce commence en haut du moule pour se terminer dans le bas au niveau de la buse d'injection. Si l'on admet que la température extérieure du moule est constante ou maintenue constante par des moyens de réchauffage ou de refroidissement, l'évacuation de chaleur de la pièce à travers les parois du moule s'exprime par :

Q =λλλλ(θθθθ1-θθθθ2)St

e

avec Q (J) quantité de chaleur à évacuer pour solidifier la partie la plus massive de la pièce, λ (W/m.K) conductivité thermique, θ1,θ2 (K) températures, S (m²) aire, t (s) temps, e (m) épaisseur.

On démontre que le rapport des épaisseurs des parois du moule métallique doit être égal à l'inverse du rapport des modules des zones correspondantes de la pièce. Rappelons que le module m d'un élément de pièce est :

m=vS =

volume de l'élément considéré de la piècesurface au contact de l'élément avec le moule

Cela permet de déterminer avec une première approximation, souvent suffisante, les épaisseurs du moule en fonction de celles de la pièce. La réalisation de ces moules peut être faite en observant les règles suivantes (figure 13) - décomposer la pièce en volumes élémentaires de formes simples ou simplifiées (forme moyenne,

figure 13 b); - déterminer le module m correspondant à chaque volume élémentaire; - déterminer les épaisseurs des parois des moules correspondant à chaque volume élémentaire (fig. Xc) en tenant compte éventuellement d'un correctif pour les alliages à faible coulabilité; - dessiner la forme théorique extérieure du moule en fonction des épaisseurs calculées;

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- tracer l'emplacement des joints thermiques (JT sur la figure Xd) en fonction des épaisseurs homogènes du moule; - tracer les joints du moulage (JM sur la figure Xd) en essayant de les faire coïncider le plus souvent possible avec des joints thermiques qui, de ce fait, deviennent plus efficaces.

On réalise le moule comme une coquille classique, en respectant notamment les

recommandations suivantes - les éléments du moule sont, en général, obtenus par moulage (en fonte, en acier, ou en bronze) car les formes extérieures sont sensiblement homothétiques des formes intérieures; - les éléments du moule sont assemblés et fixés entre eux aussi prés possible des formes de l'empreinte pour assurer une certaine liberté de dilatation vers l'extérieur (surtout si l'on emploie des matériaux de construction de natures différentes) ; - les faces d'assemblage et de contact des éléments de moule sont isolées par un poteyage fin et isolant; on peut prévoir des lames d'air, plus efficaces, par des chambrages aux joints.

Figure 13 : épaisseurs du moule/épaisseurs pièce

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6.5.2 Conception des systèmes de coulée

La qualité d'un moulage en moule permanent pour coulée basse pression est obtenue lorsque l'on respecte les trois principes fondamentaux suivants - le refroidissement dans le moule doit être orienté de haut en bas; - le remplissage du moule doit être non turbulent pour éviter la formation d'oxydes et d'inclusions de gaz; - le remplissage doit se faire le plus rapidement possible pour obtenir une bonne venue de la pièce.

Les deux derniers principes sont satisfaits par la détermination des paramètres de coulée propres à la machine, et qui sont - le diamètre du col de la buse d'injection, - les pressions d'injection, - les vitesses d'injection.

6.5.2.1 Détermination du diamètre du col d’injection

La section de passage du col détermine, pour une vitesse donnée, le débit d'alliage liquide au moment où il pénètre dans le moule. On détermine le temps moyen de remplissage t en appliquant la règle de Jander pour le moulage en coquille (ANNEXE 2) et l'on admet que les correspondances temps (t en secondes)- épaisseurs minimales de la pièce sont (e en millimètres)

- pour les alliages Al-Mg : t= e - pour les alliages AI-Si et AI-Si-Cu : t=e+ 1.

Lorsque la vitesse d'écoulement dépasse 1,2 m/s, la turbulence devient trop importante. De ces

données, on déduit la valeur du diamètre minimal du col (exprimé en centimètres), compte tenu d'une perte de charge de 20 % :

d = V

120t

avec V (cm3) volume de la pièce,

t (s) temps de remplissage. Exemple : soit à couler une pièce de 8,5 kg en alliage type AI-Si (de densité par rapport à l'eau égale à 2,5, à l'état liquide), dont la paroi la plus mince a une épaisseur de 3,5 mm

V= 8,52,5 ×××× 1000= 3 400 cm3

Temps de remplissage : T= e + 1 = 3,5 + 1 = 4,5 s

d = 3400

120 ×××× 4,5 = 2,5 cm

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6.5.2.2 Détermination des pressions d'injection La figure 14, schématise une installation de coulée en basse pression. La donnée intéressante à

connaître pour remplir un moule est la valeur de la pression à appliquer sur le bain pour que l'alliage remplisse le moule complètement. Si M est la masse d'alliage à injecter pour remplir le moule et S la surface du bain dans le four, on a la relation suivante pour la pression en fonction du rang d'injection n :

Psn = γγγγn MS + γγγγ (hm +h0)

Le facteur γγγγ (hm +h0) est défini sur la figure 14 a

Cette relation peut se traduire par la courbe (figure 14 b) donnant la valeur de la pression à exercer Psn en fonction du nombre de pièces coulées.

Figure 14 : installation de coulée en basse pression (références de calcul)

En réalité, cette valeur n'est pas applicable dans tous les cas, et elle est limitée à une hauteur maximale de remplissage au-delà de laquelle l'écoulement devient turbulent, c'est-à-dire que la vitesse v de passage au col devient trop grande. La pression d'injection peut s'exprimer en fonction de la vitesse de remplissage v par la relation suivante :

p = γγγγ(v²2g - h)

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avec : h différence de niveau entre la surface du liquide dans le creuset et celle dans le moule à un

moment donné du remplissage (figure 14 a). γγγγ masse volumique

A titre d'exemple, une vitesse maximale au col de 1,2 m/s correspond à une hauteur maximale de moule de 11,5 cm.

Au-delà, pour des moules plus hauts, on utilise une mise en pression étagée, qui consiste à faire

atteindre le plus rapidement possible le niveau du col par le métal liquide et ensuite à appliquer un complément de pression pour remplir le moule dans le temps déterminé t.

6.5.3 Alliages utilisés en moulage basse-pression

Tous les alliages employés en coulée par gravité, en moules métalliques, sont en principe utilisables pour la coulée en basse pression. Cependant, il est recommandé d'utiliser des alliages à bonne coulabilité, ayant des qualités de structure constantes et une composition stable dans le temps (éviter donc les alliages AI-Si modifiés, sauf dans le cas des alliages à très basse teneur en P, dits prémodifiés).

Dans ce genre de procédé, il est particulièrement recommandé d'utiliser des alliages du type AI-Si, qui ont une bonne coulabilité et peuvent être traités thermiquement pour améliorer leurs qualités mécaniques. Dans cette famille d'alliages, on doit de préférence retenir les compositions comportant de l'antimoine, ce métal ayant la propriété particulière, à des teneurs faibles et dans des conditions d'introduction bien spécifiques, d'affiner la phase eutectique d'une façon définitive. Ce phénomène spécifique résulte de la neutralisation des germes de silicium. Cet effet sera d'autant plus sensible que l'alliage sera solidifié rapidement, ce qui est le cas en moulage sous basse pression puisqu'il s'agit de couler en moules métalliques conducteurs. Par ailleurs, ces alliages ont un excellent comportement au gazage, une faible sensibilité aux microporosités et sont pratiquement insensibles aux criques de retrait. Ils possèdent après traitement thermique d'excellentes qualités mécaniques.

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CONCLUSION Le moulage basse pression est un exemple représentatif d’une technique de fonderie industrielle utilisée à grande échelle. Ce procédé, simple en principe et de plus en plus utilisé, semble être un support idéal pour l’approche des notions de moulage métallique lors de travaux pratiques.

Ce TP comportera une phase d’approche des calculs pratiques, tels que ceux traités dans ce rapport. Ensuite une manipulation sur machine permettra de vérifier les calculs et de déterminer les paramètres non calculés (temps de maintien en pression pour assurer la solidification de la pièce, temps de cycle total…)

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BIBLIOGRAPHIE

• Les Techniques de l’ingénieur :

- Fonderie et moulage des alliages d’aluminium (M811, M812) - Industrie de la fonderie (M3500) - Moulage et noyautage (M3512, M3513, M3514 et M3515) - Outillage pour la fonderie en coquille (M756)

• http://worldserver14.oleane.com/jd_braun/francais/sommaire.htm • www.moniut.univ-

bpclermont.fr/gmp/dutafm/moulage/mobaspre.htm • www.magmasoft.com • www.flow3d.com • Thèse 96 ISAL 0127 de Muriel Regard

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ANNEXES

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ANNEXE 1

REGLES DE JANDER

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ANNEXES 2

LOGICIEL PROCAST INTRODUCTION

ProCAST est un logiciel écrit pour les fondeurs par UES Software (USA). Simulant l'influence de tous les éléments qui permettent d'obtenir une pièce moulée, ProCAST permet d'obtenir la solution optimale pour couler bon dès la première fois. Grâce à ses résultats extrêmement proches de la réalité, ProCAST permet aussi de comprendre rapidement l'origine des défauts qui surviennent sur vos pièces. Ecoulement gravité, injection sous pression et basse pression, coquille bascule, thixoformage, etc. ; moule en sable ou en acier, thermorégulé par de l'huile ou de l'eau, pièces en fonte, en aluminium, en magnésium, etc.; inserts, noyaux, masselottes, etc. ProCAST permet de simuler les procédés afin d'obtenir la solution optimale pour l'obtention de vos pièces.

Déroulement d’une simulation

modélisation solide de la pièce, du système

d'alimentation, etc. Si nécessaire

maillage

MeshCAST

mise en données

PreCAST

calcul ProCAST

analyse des résultats ViewCAST - PostCAST

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FONCTIONNALITES

Pour une simulation au plus près de la réalité, ProCAST :

utilise un maillage par éléments finis conservant parfaitement la géométrie de la pièce aussi complexe soit-elle. dispose d'une base de données des matériaux complète et éprouvée (fontes, acier, aluminium, magnésium, etc.)

peut analyser les déformations et contraintes survenant lors de la solidification

permet une mise en régime thermique du moule dans le cas d'une étude d'injection

Pour un gain de temps, ProCAST : peut travailler en moule virtuel accepte les maillages non coïncidents et de densité variable Pour trouver les défauts, ProCAST :

dispose d'un module de suivi de particules

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localise les macroporosités et retassures

utilise 2 postprocesseurs permettant d'exploiter au mieux les résultats du calcul.

EXEMPLES

Injection : remplissage d'un moule (vu en coupe)

Remplissage et solidification du métal à l'intérieur d'un moule Visualisation de l'évolution de la température du métal et du moule

Ecoulement gravité : vecteurs vitesses

Visualisation des vecteurs vitesses

Coquille bascule : évolution de la fraction solide

Evolution de la fraction solide dans le temps Disparition de la matière solidifiée à plus de 90%