Les 4 Étapes Essentielles du Procédé de Coulée en Fonderie

Le procédé de coulée comprend quatre étapes principales :

1. Préparation du modèle et du moule
2. Fusion et coulée du métal liquide
3. Refroidissement et solidification du métal liquide
4. Défauts et leur inspection

Étape 1 : Préparation du Modèle et du Moule

Le modèle est la réplique de la pièce à couler, utilisé pour créer la cavité du moule. Les modèles sont en bois ou en métal. Un moule est un assemblage de deux ou plusieurs blocs métalliques, ou de particules réfractaires liées (sable), comportant une cavité principale.

La cavité du moule reçoit le métal liquide et constitue le négatif de la pièce souhaitée. Le moule contient aussi des cavités secondaires pour l'alimentation (canaux, bassins) et éventuellement un réservoir.

Le châssis à quatre côtés dans lequel on réalise un moule en sable s'appelle un châssis (flask). Si le moule est en plusieurs parties, la partie supérieure est le coquille (cope) et l'inférieure le cadre (drag).

Pour les pièces creuses, un noyau (core) empêche l'entrée du métal dans la zone correspondante. Les saillies sur le modèle pour positionner le noyau sont les empreintes de noyau (core prints).

Retraits sur Modèle (Pattern Allowances)

Un modèle est toujours légèrement plus grand que la pièce finale. Cet excédent est le retrait sur modèle. Deux catégories :

• Retrait de solidification (shrinkage allowance)
• Retrait d'usinage (machining allowance)

Retrait de Solidification

Compense la contraction de la pièce lors du refroidissement solide (de la température de solidification à la température ambiante). Les deux premières contractions (liquide et changement de phase) sont gérées dans la conception de la pièce.

Le retrait total se produit en trois stades :

1. Contraction du liquide de la température de coulée à la température de solidification
2. Contraction lors du changement de phase liquide-solide
3. Contraction du solide de la température de solidification à la température ambiante

Seul le dernier stade est compensé par le retrait sur modèle. La valeur dépend du coefficient de dilatation thermique linéaire αₗ. Pour une cote l, le retrait = αₗ × l × (θf – θ₀).

Retrait d'Usinage

La surface brute de coulée nécessite un usinage. L'excédent de cote sur le modèle (et la pièce) pour cet usinage est le retrait d'usinage. Il dépend du matériau, de la dimension globale, de la méthode d'usinage. Pour les surfaces intérieures, les retraits sont négatifs ; généralement 1 mm de plus que les valeurs tabulées.

Dépouille (Draft)

Conicité intentionnelle sur les surfaces parallèles au sens de démoulage, facilitant le retrait du modèle. Valeur typique : 0,5° à 2°.

Préparation du Moule

Moulage manuel pour petites séries, machines pour grandes séries. Points clés :

• Poudre de démoulage (talc non mouillant) sur le modèle
• Sable de parement à grain fin pour bonne surface
• Poids mort sur la coquille pour contrer la poussée hydrodynamique
• Étai (gagger) dans la coquille pour grands moules
• Moule en trois parties (coquille, cadre, joue (cheek)) pour surfaces rentrantes
• Orifices d'évent dans la coquille pour l'échappement des gaz

Machines de Moulage

• Pilonnage par secousses (jolt ramping) : inégal mais bon pour surfaces horizontales
• Pressage (squeezing) : satisfaisant pour châssis peu profonds
• Projection de sable (sand slinging) : rapide, pilonnage uniforme, coût initial élevé

Étape 2 : Fusion et Coulée du Métal Liquide

Fusion

Une fusion soignée est essentielle pour des pièces sans défauts. Facteurs : gaz dans les métaux, choix et contrôle des rebuts, fondants, four, température.

Gaz dans les Métaux

Les gaz provoquent des défauts, mais une quantité contrôlée peut améliorer certaines propriétés. Sources :

• Piégeage mécanique (évité par évents)
• Variation de solubilité selon température/phase
• Réactions chimiques

Gaz courants : hydrogène et azote. Métaux endothermiques (Al, Mg, Cu, Fe, Ni) : solubilité H₂ augmente avec la température. Métaux exothermiques (Ti, Zr) : solubilité diminue avec la température.

Loi de Sievert : quantité d'hydrogène dissous ∝ √(pression partielle H₂). Sources d'H₂ : humidité du four, air, huile, graisse. Pas d'addition simple pour éliminer l'H₂ sous forme de laitier.

Techniques de désoxydation : bubblage de gaz sec insoluble (Cl₂, N₂, He, Ar pour non-ferreux). Pour fers et alliages Ni : CO (élimine H₂ et N₂). Contrôle précis du N₂ nécessaire.

Fusion sous vide de plus en plus utilisée pour éviter dissolution de gaz et réactions d'éléments réactifs. Additions en poche plutôt qu'en fusion pour meilleur contrôle.

Fours

Choix selon : chimie du métal, température max, débit et mode de livraison, taille/formes des matières premières. La chimie dicte le contrôle des éléments et propriétés (ex. usinabilité).

Température optimale dictée par la fluidité : aptitude du métal liquide à remplir le moule. Mesurée par longueur de spirale coulée avant solidification. Plus la fluidité est haute, plus la surchauffe (ΔT = T_coulée – T_fusion) peut être faible, réduisant coûts et solubilité des gaz.

Coulée (Conception d'Alimentation)

Un bon système d'alimentation assure : distribution à débit adéquat, perte de température minimale, turbulence réduite, pas d'emprisonnement de gaz/scories.

Compromis sur la vitesse : trop lente → solidification avant remplissage complet ; trop rapide → érosion du moule.

Étape 3 : Refroidissement et Solidification du Métal Liquide

Comprendre la solidification est crucial : structure cristalline, composition d'alliage, et prévention des défauts (cavité de retrait, fermeture à froid, manque de coulée, fissure à chaud).

Conception et Positionnement des Réservoirs (Risers)

Le temps de solidification dépend principalement du rapport V/A (volume / surface de dissipation). Le réservoir doit se solidifier après la pièce.

Le volume du réservoir doit compenser le retrait de la température de coulée à la solidification (2,5 à 7,5 % selon le métal). Un gros réservoir (long temps de solidification) est antéconomique. Objectif : volume minimal avec vitesse de refroidissement plus lente que la pièce.

Pour une pièce à fort rapport A/V, un réservoir plus gros que prévu par le seul taux de refroidissement est nécessaire. Exemple : plaque d'acier 25×25×0,25 cm → A/V très élevé → réservoir calculé trop petit.

Pour une forme de réservoir donnée, choisir dimensions donnant A/V minimal, volume minimal selon retrait. Le métal coule du réservoir vers le moule seulement en début de solidification → volume minimal ≈ 3× le retrait seul.

Relation de Caine

Vérification de l'adéquation du réservoir pour acier. Temps de solidification ∝ (V/A)². Relation basée sur taux de refroidissement ∝ A/V. Courbe de Caine : abscisse = rapport de gel, ordonnée = rapport de volume. Point à droite de la courbe = réservoir adéquat. Pour acier : a = 0,1, b = 0,03.

Méthode du Facteur de Forme (Riser Ring Curve)

Évite le calcul fastidieux de (A/V)c pour pièces complexes. Trace (l + w)/h (facteur de forme) en abscisse. Résultats quasi identiques à Caine pour formes simples. Appendices minces : légère augmentation du volume. Appendices épais : volume parasite efficace estimé par courbes (Fig. 2.33). Forme « plaque » si largeur > 3× épaisseur, sinon « barre ».

Contrôle du Taux de Refroidissement

• Blocs réfrigérants (chills) ou ailettes minces sur la pièce → augmentent son taux de refroidissement. Moins efficaces si conductivité métal > conductivité chill.
• Composés exothermiques dans le réservoir → le maintiennent liquide plus longtemps.

Alimentation Efficace (Distance d'Alimentation)

Le gradient thermique dans la pièce au dernier stade de refroidissement est le facteur clé. Gradient minimal admis selon forme et section.

• Faible A/V (cube, sphère) : un réservoir central alimente toute la pièce.
• Fort A/V (barre, plaque) : plusieurs réservoirs nécessaires, positionnement critique.

Plaque acier ≤ 100 mm : un réservoir central si distance d'alimentation max < 4,5 × épaisseur (t) depuis le bord du réservoir. Distance max entre bords de deux réservoirs = 4t (pas 9t).

Barre section carrée 50–200 mm (côté s) : un réservoir central si distance max = 30√s. Distance entre deux réservoirs < 1,2s.

Un chill augmente la distance d'alimentation (gradient thermique net, résistance d'alimentation réduite). Chill aux extrémités pour un réservoir, au milieu pour plusieurs.

Étape 4 : Défauts et leur Inspection

Traitement restreint aux moulages en sable.

Origines des Défauts

• Conception pièce et modèle
• Sable de moulage, conception moule et noyau
• Composition du métal
• Fusion et coulée
• Alimentation et réservoirs

Défauts Courants en Moulage Sable

• Soufflure (Blow) : grosse cavité arrondie par gaz déplaçant le métal à la surface coquille. Évité par évents, perméabilité, humidité contrôlée.
• Écaillage (Scar) : soufflure superficielle sur surface plane.
• Cloque (Blister) : écaillage recouvert d'une fine couche de métal.
• Trous de gaz (Gas holes) : bulles sphériques piégées, excès de gaz dissous.
• Micro-trous (Pin holes) : minuscules soufflures à/sous surface, nombreux, uniformes.
• Porosité : micro-trous dispersés, diminution solubilité gaz à la solidification.
• Inclusion de sable (Drop) : projection irrégulière par chute de sable de la coquille. Évité par résistance sable adéquate, étai.
• Inclusion non métallique (Inclusion) : particule non métallique dans la matrice.
• Scories (Dross) : impuretés légères en surface. Géré à la coulée (filtre, skim bob).
• Sable incrusté (Dirt) : grains de sable incrustés, trous angulaires après enlèvement. Surface critique en cadre.
• Lavage (Wash) : saillie basse sur surface cadre près de la grille, érosion par jet rapide (alimentation par bas).
• Gondolage (Buckle) : dépression en V large sur pièce plate haute température. Dilatation couche sable obstruée par châssis. Additifs volatils essentiels.
• Croûte (Scab) : couche mince rugueuse de métal sur sable soulevé. Métal pénètre entre moule et sable déplacé.
• Queue de rat (Rat tail) : dépression angulaire peu profonde sur pièce mince. Même cause que gondolage, mais glissement d'une couche.
• Pénétration (Penetration) : métal entre grains de sable si surface trop tendre/poreuse. Aspect rugueux, brillant si fusion sable.
• Boursouflure (Swell) : déformation paroi verticale par pression hydrostatique (humidité élevée).
• Manque de coulée (Misrun) : métal gèle avant d'atteindre le fond de cavité (surchauffe insuffisante).
• Fermeture à froid (Cold shut) : manque de coulée au centre pour pièce à deux grilles.
• Fissure à chaud (Hot tear) : fissure par contraintes résiduelles élevées.
• Cavité de retrait (Shrinkage cavity) : réservoir inadéquat.
• Décalage (Shift) : désalignement demi-moules ou noyau (décalage moule / décalage noyau).

Inspection des Pièces Coulées

Techniques non destructives essentielles pour la confiance.

1. Inspection Visuelle

Défauts apparents : surfaces rugueuses (sable fondu), décalages évidents, noyaux manquants, fissures de surface. Détection fissures au maillet (qualité du son).

2. Épreuve Hydraulique / Pneumatique (Pressure Test)

Pour pièces sous pression. Bouchage brides/orifices, remplissage eau/huile/air comprimé, immersion solution savonneuse → fuites = bulles.

3. Magnétoscopie (Magnetic Particle Inspection)

Pour matériaux ferromagnétiques. Détecte micro-cavités et fissures de surface/sous-surface. Poudre ferromagnétique s'accumule sur fuite de champ magnétique (discontinuité).

4. Ressuage (Dye-Penetrant Inspection)

Pour pièces non magnétiques. Colorant fluorescent, essuyage, séchage, observation dans le noir. Discontinuités révélées.

5. Radiographie

Coûteuse, exploration sous-surface. Rayons X et γ. Détecte : vides, inclusions non métalliques, porosité, fissures, déchirures. Défauts = zones moins denses = plus sombres sur film.

6. Ultrasons (Ultrasonic Inspection)

Oscillateur envoie signal ultrasonore. Réflexion sur discontinuité. Intervalle temps → localisation. Moins adapté aux matériaux à fort amortissement (fonte) : signal affaibli.