Moulage en Sable : Procédé, Caractéristiques et Applications Industrielles

Cet article présente le procédé et les caractéristiques du moulage en sable.

Procédé de Moulage en Sable

L'importance du moulage en sable croît grâce aux avancées scientifiques dans la fonderie. C'est probablement le moyen le plus simple et commode de donner la forme désirée au métal.

Le sable est le matériau le plus utilisé : facile à tasser toute forme, haute perméabilité, résistance haute température. Formes complexes aisément coulées, impossibles autrement. Pour optimiser coût/qualité, considérer :

[Fig. 3.41 : diagramme flux procédé]

Systèmes de Coulée Automatisés

Tendance : automatisation fonderie complète → coûts matière/main-d'œuvre réduits, productivité/qualité/conditions améliorées. Récemment : systèmes coulée par induction automatisés.

Interface moulage/fusion. Tiennent métal fondu prêt, coulent exactement comme requis.

Four à induction avec obturateur contrôlé : verse métal direct dans moule ou doses dans poches intermédiaires. Caractéristiques :

• Température et composition chimique constantes pendant tenue/coulée
• Élimination inclusions laitier
• Inoculation et alliage au moment précis, quantités exactes
• Débit adapté à capacité d'admission moule
• Poids métal coulé mesuré exactement

Four : enveloppe cylindrique revêtement réfractaire, couvercle étanche pression, inducteur cannelé à bride, obturateur, contrôle pression. Remplissage/coulée par siphons, bases au fond → coulée quasi sans laitier.

Gaz sous pression force métal dans buse par obturateur. Maintient niveau constant buse malgré quantité variable. Débit contrôlé par déplacement obturateur. Vérin pneumatique asservi ajuste course obturateur selon programme.

Four mobile 2 directions (longitudinal/transverse) par rapport chaîne moulage. Basculement hydraulique pour vidange complète. Inducteur incliné bridé base, bride refroidie eau. Zone gorge libre croûtes (métal chaud monte) → nettoyage mécanique accessible. Inducteur accessible extérieur. Hauteur faible → installation au sol, pas de fosse.

Siphons remplissage/coulée faciles nettoyage mécanique. Particules oxydes en suspension (surtout traitement Mg) déposées sur revêtement. Parties supérieures siphons bridées pour nettoyage facile.

Fours induction : éliminent inclusions laitier, assurent débits requis, mesurent poids exact, température constante. Débit doit correspondre capacité admission moule.

Avancée récente : surveillance électronique coulée, boucle ouverte (teach-in) ou fermée (régulation niveau grille).

Productivité accrue par poches intermédiaires (basculement ou obturateur) pour exigences spéciales.

Systèmes modernes : fonctionnement continu, métal prêt en permanence, coulé exactement comme requis.

Dispositif d'Alimentation (Gating)

Coulée par orifice « grille » (gate). Pratique courante : grille au plan de joint ou partie la plus basse.

Système d'alimentation (bassin, colonne, canaux, grilles...) vise :

1. Diriger métal avec turbulence minimale. Turbulence excessive → aspiration air, formation scories.
2. Remplir complètement système moule (peu de perturbation → propreté, moins oxydation).
3. Distribuer métal perturbation minimale → réduire érosion moule, inclusions sable.
4. Écumer/séparer scories/corps étrangers : écoulement dans système → sable libre, oxydes, laitier empêchés d'entrer cavité par action écumage. (Appendices gênant écoulement évités. Noyaux minces/cloisons risquant écaillage évités.)

Sections épaisses alimentées métal chaud suffisant par têtes/réservoirs pour compenser retrait.

Exigences Système d'Alimentation Idéal

Inclut bassin, colonne, canaux, réservoirs, grilles. Doit promouvoir gradients thermiques favorables solidification directionnelle. Vitesse entrée minimale, sans turbulence → éviter érosion moule/noyaux. Système pilonné aussi dur ou plus que cavité.

Parties arrondies, lisses, profilées → éviter turbulence/érosion. Éviter formation oxydes/scories, sans sable libre. Canal prolongé au-delà dernière grille pour piéger scories premier jet. Laitier/scories poche ne doivent pas atteindre cavité.

Éviter entraînement/absorption air/gaz. Surchauffe excessive → augmente teneur gaz, plus scories, influence négative solidification directionnelle. Grilles vers sections lourdes, préférentiellement sous/par réservoir. Grille praticable et économique.

Système de Coulée (Pouring System)

Points clés conception :

1. Écoulement liquide ne doit pas endommager (éroder) parois moule
2. Liquide ne doit pas charrier sable/laitier dans pièce
3. Éviter aspiration gaz dans jet métal
4. Coulée perte température minimale, établir gradient température surfaces moule et dans métal → solidification directionnelle vers réservoir

Tout ceci par conception adaptée système alimentation et système coulée.

Pour éviter absorption air dans colonne descendante : forme grille telle que pression liquide jamais < pression atmosphérique. Possible si parois colonne hyperboloïdes. Forme hyperbolique difficile → section conique (plus grand haut, plus petit bas) suffit. Pratique : bassin coulée haut, métal via colonne verticale conique + grille horizontale courte (Fig. 3.43). Minimise oxydation, réduit dommages cavité (force jet réduite).

Section colonne : circulaire, carrée, rectangulaire. Taille : 10 mm² petites pièces (<12 kg) à ~20 mm² grosses pièces. Doit rester pleine toute coulée, métal n'entre pas cavité vitesse élevée (éclaboussures, turbulence).

Colonne droite angles vifs → aspiration sévère, turbulence. Aspiration négligeable, pas turbulence si : colonne conique, angles arrondis, puits colonne, bassin type barrage.

Bassin réduit effet érosif jet direct four, maintient charge coulée constante. Filtre céramique tête colonne → élimine scories. Noyau anti-éclaboussures céramique bas colonne → réduit force érosive. Piège skim bob grille horizontale → empêche impuretés lourdes/légères d'entrer moule.

Conception d'Alimentation (Design of Gating)

Grille = ouverture canal (passage commun alimentant plusieurs cavités) vers moule. Taille/position : remplissage rapide, distribution débit adéquat, perte température minimale, turbulence minimale, érosion minimale, pas emprisonnement gaz/scories, pas fissures refroidissement, enlèvement grille sans dommage pièce.

Bassin grande taille tête colonne-réservoir ou noyau filtre dans bassin → empêche sable libre/scories, métal tombe filet fin.

Coulée trop lente → solidification avant remplissage complet. Trop rapide → érosion surface moule. Vitesse optimale essentielle.

Grilles selon position : tête, plan joint, fond.

• Tête : métal coulé par tête/réservoir. Érosion par chute métal → moule dur. Métal chaud reste haut → gradients thermiques pour solidification directionnelle vers réservoir. Tête peut servir de réservoir. Petites pièces simples ou grosses pièces moules résistants érosion. Déconseillé métaux légers/oxydables (Al, Mg) : risque emprisonnement turbulence.
• Plan joint : métal entre cavité au niveau joint. Colonne connectée par grille horizontalement. Skim-bob/grille écumage possible. Étranglement (choke) contrôle débit.
• Fond : métal descend fond cavité cadre, entre bas pièce, monte doucement autour noyaux. Grosse pièces acier. Turbulence/érosion minimales. Mais temps remplissage plus long. Solidification directionnelle difficile : métal perd chaleur dans cavité, plus frais au réservoir.

Effet d'Aspiration

Conception défaillante → vitesse métal élevée → pression < atmosphérique → gaz cuisson organiques altèrent jet → pièces poreuses.

Deux cas pression négative :

1. Conception colonne (Fig. 3.47) : points 1 et 3 pression atmosphérique. Théorème Bernoulli → pression négative en 2 si colonne pointillés. Solution : colonne conique, courbe trait plein 1-2.
2. Changement brusque direction (Fig. 3.48) : effet vena contracta. Éviter pression négative : forme moule = profil vena contracta.

Rapport d'Alimentation (Gating Ratio)

Rapport = section colonne : section totale canaux : section totale grilles.

• 4:3:2 = système sous pression (pressurised). Proportions : contre-pression maintenue par restriction film fluide aux grilles. Métaux : acier, fonte, laiton. Système plein métal. Contre-pression minimise arrachement métal parois → aspiration air. Volume plus petit pour débit donné → rendement coulée supérieur. Mais turbulence sévère jonctions/coins sans profilage soigné. Vitesse/turbulence → emprisonnement, scories, érosion.
• Non sous pression (unpressurised) : restriction primaire au niveau/près colonne. Rapports 1:3:3, 1:2:2. Métaux légers/oxydables (Al, Mg) : minimiser turbulence en ralentissant écoulement. Conception soignée pour maintien rempli pendant coulée. Canaux cadre/grilles coquille aident maintien plein, mais profilage essentiel pour éliminer séparation/effets aspiration.

Solidification Directionnelle (Directional Solidification)

Refroidissement → solidification + contraction volume. Toutes parties ne refroidissent pas même taux (sections variables, pertes chaleur variables) → vides/cavités régions.

Bonne conception : vides comblés par métal liquide portion encore liquide. Solidification progressive depuis section la plus fine (solidifie première) vers réservoirs (derniers à solidifier) = Solidification Directionnelle → pièces saines.

Assurée par : conception/positionnement système alimentation/réservoirs, épaississement sections par bourrelets (padding), matériaux exothermiques réservoirs/sable parement zones ciblées, chills dans moules.

Prévention Impuretés dans Pièce

1. Bassin coulée dimensionné : casse force érosive jet poche. Design régule débit entrée, écoulement lisse colonne, évite turbulence.
2. Filtre céramique colonne descendante : empêche scories poche d'entrer pièce.
3. Noyau anti-éclaboussures céramique bas colonne verticale : empêche érosion sable entrée moule (impact max).
4. Angles vifs parcours métal profilés → éviter turbulence/poches mortes (Fig. 3.46).
5. Skim bob : piège impuretés lourdes/légères vers pièce.

Épaisseur de Paroi (Section Thickness)

Épaisseur minimale coulable limitée par températures solidification et fluidité selon métaux. Utiliser épaisseur donnant résistance/poids nécessaire sans température excessive pour écoulement.

Valeurs normales pièces simples : fonte 3 mm, fonte malléable 2,25 mm, acier 6 mm, laiton/bronze 2,25 mm, aluminium 3 mm. Longueur écoulement plus grande → épaisseur plus grande. Complexité cavité → épaisseur minimale plus élevée.

Uniformité maximale sections entre bosses/ergots et corps pièce pour alimentation adéquate boss/ergot.

Réservoirs (Risering)

Réservoir = orifice pratiqué/moulé coquille pour laisser métal monter au-dessus point haut pièce. Contrôle visuel remplissage cavité.

Sert de nourrisseur : alimente cavité principale métal fondu pour compenser retrait. Design doit établir gradients thermiques → solidification directionnelle vers réservoir. Aide évacuation vapeur/gaz/air pendant remplissage.

Pour plus de solidité, pièces sections minces → plusieurs réservoirs. Efficacité : réservoir doit être dernière partie solidifier.

Dispositions Réservoirs (Riser Provisions)

Après remplissage moule, métal entre réservoirs. Réservoirs = réservoir + régulateur gradient chaleur, fournissent métal fluide pour retrait liquide + solidification. Situés partie supérieure section alimentée.

Volume 25–55 % pièce selon métal. Important : positionner pour éviter enlèvement métal excessif pour contour fini. Reliés à pièce par collet (gate) → enlèvement facile après solidification.

Conception Réservoirs (Riser Design)

Sans réservoir : solidification parois → liquide centre entouré coquille solidifiée → contraction → vides centre. Refroidissement centre → contraintes indésirables.

Réservoirs résolvent : alimentent métal fondu pièce solidifiante. Doivent : rester liquides après solidification pièce, contenir métal suffisant pour pertes contraction, positionnés pour alimenter toute période solidification.

Design et Positionnement Réservoirs

Forme la plus efficace pour taille donnée = minimise perte chaleur → reste chaud, métal fondu le plus longtemps. Volume minimal, taux refroidissement plus lent que pièce.

Meilleure forme générale = cylindre. Hauteur assez grande pour que tuyau (pipe) formé ne pénètre pas pièce. Rapport hauteur/diamètre 1:1 à 3:2.

(a) Règle de Chvorinov

Temps gel [équation].

(b) Méthode de Caine

Basée temps gel relatif pièce/réservoir. Définit rapport temps gel solidification complète = (surface pièce ÷ volume pièce) : (surface réservoir ÷ volume réservoir).

Selon Caine : (1) si pièce solidifie infiniment vite, volume nourrisseur = retrait solidification pièce ; (2) si même taux, nourrisseur infiniment grand. Fig. 3.49 : relation hyperbolique temps gel relatif / volume relatif.

Positionnement selon géométrie

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

Plaque acier ≤ 100 mm : un réservoir central si distance alimentation max < 4,5 t depuis bord réservoir [Fig. 3.51a]. Plusieurs : distance bords les plus proches < 4 t [Fig. 3.51b].

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

Distance alimentation augmentable par chills (gradient thermique net, résistance alimentation réduite). Un réservoir : chill aux extrémités. Plusieurs : chill milieu entre deux.

Placement crucial : doit alimenter efficacement. Forme cubique/sphérique (chunky, faible Ac/Vc) → un réservoir suffit. Ac/Vc élevé (barre, plaque) → plusieurs réservoirs.

Règle pratique : un réservoir suffit si longueur alimentation < 4,5 × épaisseur plaque acier 12–100 mm.

Barres carrées 50–200 mm : réservoir central distances < 6 × côté. Distances plus longues possibles par chills (augmentent refroidissement, réduisent résistance alimentation médiane). Alliages résistance alimentation médiane > acier : chills nécessaires pour solidité zones nécessitant résistance max.

Matériaux exothermiques parfois dans réservoirs pour solidification directionnelle par création chaleur. Oxydes Fe, Cr, Ni, Cu + Al poudre. Ajoutés surface métal fondu réservoir après coulée, ou dans sable parois réservoir. Réaction chimique contact métal → grande chaleur → métal réservoir surchauffé, reste fondu plus longtemps.

Coussinets/manchons isolants autour réservoirs conservent chaleur. Chills positionnés judicieusement favorisent solidification directionnelle.

Influence Solidification (Solidification Influence)

Design section pièce doit permettre aux réservoirs d'assurer alimentation métal chaud et contrôle solidification directionnelle. Ex. Fig. 3.52 : métal solidifie vers l'intérieur depuis interface moule-métal par solidification progressive.

Avec différentiels température adéquats, intersection gel progressif remonte vers point le plus chaud, qui doit être dans réservoir = solidification directionnelle.

Si hauteur section trop grande vs section transversale, taux solidification progressive > directionnelle → porosité médiane fine ou grosses cavités. Éviter : section conique vers le bas (plus large haut, plus petit bas).

Proportionnement Sections (Section Proportioning)

Si sections alimentables, limitations proportionnement moins critiques que design jonctions. Contraintes contraction par gradients température très différents à gérer. Ordinairement possible sans chills si épaisseurs sections entre 80 % et 120 % section adjacente (variations éloignées réservoirs).

Jonctions et Retrait (Junctions and Shrinkage)

Cavités retrait par solidification directionnelle défaillante : fréquentes sections L, T, Y, X, jonctions gros/petit brusques. Point jonction = plus de masse → point chaud → gel directionnel vers point chaud → alimente branches → cavité retrait.

Élimination point chaud : sections plus uniformes ou chills près section masse majeure (Fig. 3.53). Toujours prévenir isolation sections lourdes = points chauds, mais parfois difficile.

Dans ce cas, au fondeur de contrôler gel par :

1. Manipulation position réservoirs dans moule
2. Contrôle vitesse coulée
3. Métal chaud dans réservoirs
4. Matériaux moule caractéristiques thermiques différentes

Congés (Fillets)

Congés adéquats toutes intersections augmentent substantiellement résistance/solidité. Rayon congé selon métal, forme/épaisseur paroi, taille pièce. Rayon ≤ épaisseur section.

Élimination Fissures à Chaud (Eliminating Hot Tears)

Fissures chaudes = gradients température → taux contraction différents solidification → contraintes résistance sable → fracture. Minimisation : bonne conception, éviter changements brusques section, angles vifs, âmes non uniformes connectées ailes.

Élimination Gaz dans Pièces (Eliminating Gases in Castings)

Gaz = trous gaz (gros, peu nombreux, répartis), micro-trous (petits, nombreux, sommet pièce), micro-trous (dispersés). Design réservoir adéquat + éventage suffisant moules perméables = essentiel.

Autre source : gaz dissous métal liquide haute T°, émis refroidissement. Fusion sous vide, dégazage sous vide (métal chambre basse pression) → réduire gaz bains.

Caractéristiques des Pièces en Moulage Sable

1. Solidification hors équilibre → sensibles fissures refroidissement si conception négligée. Retrait géré par solidification directionnelle (conicités, chills métalliques parois moule, réduction points chauds jonctions sections uniformes).
2. Métal solidifié = fini médiocre. Surface affectée par : fini modèle, structure sable, habillages moule, éventage, accès nettoyage sable libre avant fermeture.
3. Pièces sable = poreuses → pas vases sous pression (généralement ≤ 10 kg/cm²).
4. Structure = lâche → moins résistants que produits forgés.
5. Grains pas serrés → densité faible, résistance pauvre.
6. Bonnes duretés. Contraintes internes éliminées en évitant angles vifs et contraintes physiques.
7. Mauvaise ductilité.
8. Méthode adaptée pièces moyennes et surtout grosses, inadaptée sections minces.
9. Adaptée points fusion élevés métal fondu.
10. Moins coûteuses (coût moules sable faible).
11. Solidité interne assurables : minimiser évolution gaz solidification, éviter turbulence coulée. Contrainte physique → fissures chaudes.