Matériaux de moulage sous pression et quand les utiliser

Le moulage sous pression est un processus de fabrication de métal très précis et efficace pour les biens industriels, commerciaux et de consommation. Avec des outillages qui durent très longtemps, le moulage sous pression est adapté à la fabrication de pièces métalliques complexes, offrant une grande valeur lorsqu'il s'agit de production de masse.

Plusieurs métaux peuvent constituer des matériaux de moulage sous pression appropriés. Ce sont principalement des métaux non ferreux (métaux qui ne contiennent pas une quantité significative de fer) bien que parfois des métaux ferreux puissent également être utilisés. Les principaux matériaux de moulage sous pression sont l'aluminium , magnésium , et zinc alliages, qui ont tous des avantages particuliers et des applications appropriées.

Cet article examine les meilleurs matériaux de moulage sous pression, répertoriant leurs avantages respectifs et leurs applications courantes dans le monde de la fabrication.

Qu'est-ce que le moulage sous pression ?

Le moulage sous pression est une forme de coulée de métal, une famille de processus dans lesquels le métal en fusion est versé ou forcé dans une cavité de moule. Il existe de nombreuses formes de moulage de métaux, y compris le moulage au sable (faible coût), le moulage de précision (faible volume) et le moulage sous pression (volume élevé). Les processus de coulée diffèrent en termes de types de modèles, de types de moules, de matériaux compatibles et de méthodes de livraison des matériaux (par exemple, coulée par gravité ou injection à haute pression).

Au sein de la famille de la fonderie métallique, la fonderie sous pression est particulièrement adaptée à la production en grande série de pièces complexes. En effet, il utilise un moule permanent sous la forme de deux matrices en acier à outils . Ces matrices sont coûteuses à fabriquer - généralement par usinage - mais durent très longtemps et offrent une valeur à long terme.

Le moulage sous pression est utilisé dans de nombreuses industries dans la production de produits industriels, commerciaux et de consommation. Par rapport aux autres techniques de coulée de métal, elle est plus adaptée aux pièces de petites ou moyennes dimensions nécessitant un bon état de surface.

Le processus de moulage sous pression

Le moulage sous pression a quelques variantes (discutées dans la section suivante), mais le processus suit généralement une routine établie.

Avant le début du moulage sous pression, un fabricant doit obtenir deux matrices métalliques :la moitié de la matrice de couverture et la moitié de la matrice d'éjection. Ensemble, ces deux matrices forment l'outillage pour le moulage sous pression, et l'espace entre les deux moitiés de matrice fonctionne comme la cavité du moule. Les matrices sont généralement usinées à partir d'acier à outils trempé, qui est très durable.

La première étape appropriée du processus de moulage sous pression consiste à préparer les matrices pour le moulage. Cela implique l'application de lubrifiant (généralement à base d'eau) aux parois de la cavité, en veillant à ce que les moulages ne collent pas à l'intérieur des matrices. Le lubrifiant aide également au contrôle de la température.

La prochaine étape est la livraison du matériel. Dans la plupart des configurations de moulage sous pression, la machine de moulage sous pression injecte du métal en fusion dans la cavité du moule sous haute pression — bien que le degré exact de pression dépende du type de matériau et s'il s'agit d'une machine de coulée sous pression à chambre chaude ou à chambre froide. La pression garantit que le matériau est forcé dans les moindres crevasses, et cette pression est maintenue pendant que le métal en fusion refroidit et se solidifie pour atténuer le retrait.

Une fois le métal refroidi et solidifié dans la cavité du moule, la pièce moulée est éjectée en ouvrant les matrices et en poussant doucement les pièces moulées hors des matrices avec des éjecteurs. Un autre tir peut être préparé immédiatement après l'éjection, permettant une fabrication rapide en série de pièces identiques.

La dernière étape du processus de moulage sous pression est le shakeout étape, qui consiste à couper (manuellement ou via des machines spéciales) les morceaux de métal en excès attachés à la pièce moulée, y compris les bavures de la ligne de séparation et les portes, canaux et carottes (parties de la conception de la matrice qui permettent au métal fondu d'entrer dans le moule cavité).

Le moulage sous pression produit une excellente finition de surface qui ne nécessite pas le même niveau de post-traitement que, par exemple, les pièces usinées ou imprimées en 3D.

Coupe sous pression à chambre chaude vs coulée sous pression à chambre froide

Le moulage sous pression se divise en deux sous-types principaux :le moulage sous pression à chambre chaude et le moulage sous pression à chambre froide. Ces sous-types diffèrent en termes d'endroit où le métal est fondu et comment il est injecté. Fondamentalement, seuls certains matériaux conviennent au moulage sous pression à chambre chaude . (Notez que le moulage sous pression à chambre froide nécessite toujours du métal entièrement fondu ; il ne traite pas le métal sous sa forme solide.)

La principale caractéristique d'un moulage sous pression à chambre chaude est sa capacité à chauffer le métal dans la machine de moulage sous pression. Parfois appelées machines à col de cygne , ces systèmes contiennent une zone de combustion interne et un pot pour le métal en fusion. Un piston (hydraulique ou pneumatique) force le métal en fusion de la chambre dans la matrice, après quoi la chambre peut être immédiatement remplie à nouveau en préparation du tir suivant.

Le moulage sous pression en chambre froide nécessite le chauffage externe des matériaux de moulage sous pression, et le métal en fusion doit ensuite être transféré vers la machine de moulage sous pression avec un tube de transfert ou louche . Un bélier force le métal fondu de la chambre dans la matrice (à une pression plus élevée que celle utilisée pour le moulage sous pression à chambre chaude). Ce processus est plus lent, car le métal doit être transféré de la source externe pour chaque tir.

Bien que le moulage sous pression à chambre chaude soit plus rapide, sa compatibilité avec les matériaux est plus limitée. Cela ne fonctionne généralement que pour les métaux à bas point de fusion tels que le zinc, le magnésium et les alliages de plomb. Il ne peut pas traiter les alliages d'aluminium, car ceux-ci peuvent récupérer le fer de la chambre.

Considérations sur les matériaux de moulage sous pression

Les fabricants doivent tenir compte de certains facteurs et variables lors du choix des matériaux de moulage sous pression. Ceux-ci incluent :

• Si le matériau est adapté au moulage sous pression à chambre chaude
• Coûts matériels
• Coûts matériels indirects (par exemple, tout post-traitement supplémentaire requis)
• Propriétés structurelles des matériaux
• Force
• Poids
• Finition de surface
• Usinabilité

Tous ces facteurs doivent être pris en compte lors du choix d'un matériau de moulage sous pression pour des pièces ou des prototypes.

Alliages d'aluminium moulés sous pression

L'aluminium est l'un des principaux métaux de moulage sous pression et les alliages d'aluminium sont utilisés dans le moulage sous pression à chambre froide. Ces alliages contiennent généralement du silicium, du cuivre et du magnésium.

Les alliages d'aluminium pour moulage sous pression sont légers et offrent une bonne stabilité dimensionnelle, ce qui en fait un bon choix pour les pièces complexes et fines. D'autres avantages incluent une bonne résistance à la corrosion, une résistance à la température et une conductivité thermique et électrique.

Les alliages d'aluminium courants pour moulage sous pression comprennent :

• 380 :Un alliage d'aluminium à usage général qui équilibre la coulabilité avec de bonnes propriétés mécaniques. Il est utilisé dans une très grande variété de produits, y compris les supports de moteur, les meubles, les boîtiers électroniques, les cadres, les poignées, les boîtiers de boîte de vitesses et les outils électriques.
• 390 :Un alliage avec une excellente résistance à l'usure et aux vibrations. Il a été développé spécifiquement pour le moulage sous pression de blocs moteurs automobiles et convient également aux corps de soupapes, aux roues et aux carters de pompe.
• 413 :Un alliage d'aluminium avec d'excellentes propriétés de coulée. Il a une bonne étanchéité à la pression et est donc utilisé pour des produits tels que les vérins hydrauliques, ainsi que pour les pièces architecturales et les équipements de l'industrie alimentaire et laitière.
• 443 :Le plus ductile des alliages d'aluminium pour moulage sous pression, cet alliage convient aux biens de consommation, en particulier ceux qui nécessitent une déformation plastique après la coulée.
• 518 :Un alliage d'aluminium ductile avec une bonne résistance à la corrosion. Il est utilisé dans une variété de produits, y compris les accessoires de quincaillerie d'avion, la quincaillerie ornementale et les composants d'escaliers mécaniques.

Alliages de moulage sous pression au magnésium

Le magnésium est un autre matériau de moulage sous pression très populaire. Il est encore plus léger que l'aluminium, avec l'avantage supplémentaire d'être hautement usinable, ce qui le rend adapté aux pièces moulées qui nécessitent des détails usinés supplémentaires ou une finition de surface usinée.

Un avantage majeur des alliages de magnésium pour moulage sous pression est leur aptitude au moulage sous pression à chambre chaude, ce qui les rend plus faciles à utiliser que les métaux de moulage sous pression comme l'aluminium. Les autres éléments des alliages de magnésium comprennent l'aluminium, le zinc, le manganèse et le silicium.

Les alliages courants de moulage sous pression de magnésium comprennent :

• AZ91D :Un alliage à usage général avec une bonne coulabilité, une bonne résistance à la corrosion et un bon rapport résistance/poids. Les applications incluent les composants mécaniques et de groupe motopropulseur.
• AM60 :Un alliage avec une bonne coulabilité, résistance, amortissement des vibrations et ductilité. Il est utilisé dans les composants automobiles tels que les armatures et les panneaux de siège.
• Alliages de terres rares AS41B et AE42 :Alliages avec une résistance supérieure à la température, ainsi qu'une bonne résistance au fluage, à la corrosion et à la ductilité. Les deux alliages se trouvent dans les pièces de moteur.

Alliages de zinc moulé sous pression

Les alliages de zinc constituent une autre grande catégorie de métaux de moulage sous pression. Coulable dans une machine de moulage sous pression à chambre chaude, le zinc est le matériau de moulage sous pression le plus convivial pour les fabricants et offre d'autres avantages tels que la résistance aux chocs, la ductilité et l'aptitude au placage. En raison de sa coulabilité, il en résulte également une usure minimale de la matrice.

Le zinc est plus lourd que l'aluminium et le magnésium et est généralement allié à l'aluminium, au cuivre et au magnésium.

Les alliages courants de zinc moulé sous pression comprennent :

• Zamak 3 :Alliage de zinc à usage général, facile à couler et offrant une excellente stabilité dimensionnelle. En Amérique du Nord, plus des deux tiers des moulages sous pression en zinc utilisent du Zamak 3. Les exemples d'utilisation incluent les ventilateurs de plafond et les composants de plomberie.
• Zamak 2 :Un alliage légèrement plus résistant et plus cher avec une teneur en cuivre ajoutée. Il est souvent utilisé pour produire des outils de moulage par injection plastique.
• Zamak 5 :Un alliage de zinc de composition proche du Zamak 3 mais avec une plus grande résistance à la traction et une ductilité plus faible. Populaire pour les produits tels que les pièces automobiles et les masses d'équilibrage des roues.

Autres alliages de moulage sous pression

Les autres matériaux de moulage sous pression comprennent le cuivre, le tombac de silicium, le plomb et les alliages d'étain, en plus des alliages de zinc et d'aluminium.

Les alliages de cuivre présentent une résistance, une dureté et une résistance à la corrosion élevées, en plus d'une excellente stabilité dimensionnelle. Pendant ce temps, les alliages de plomb et d'étain sont très denses et peuvent être résistants à la corrosion. Les alliages zinc-aluminium sont reconnaissables au préfixe ZA; ceux qui contiennent moins d'aluminium peuvent être moulés sous pression à chambre chaude, mais ceux qui en contiennent 11 % ou plus ne le peuvent généralement pas.