Défaut de moulage
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Un défaut de moulage est une irrégularité indésirable dans une pièce de métal obtenue par moulage, et caractéristique du procédé d’obtention. Certains défauts peuvent être réparés mais ils peuvent aussi mener au rebut de la pièce.
Types de défauts
On peut distinguer cinq catégories de défauts, en se fondant sur leur mécanisme de formation : les défauts formés pendant le retrait lié à la solidification, ceux dus au gaz, ceux liés au matériau avec lequel est réalisé le moule, ceux formés pendant le remplissage du moule et les défauts métallurgiques[1]. L’apparition d’un défaut peut toutefois résulter de la combinaison de plusieurs phénomènes. Un correctif apporté au procédé pour éviter la formation d’un défaut peut aussi créer un défaut d’un autre type[2].
Défauts dus au retrait de solidification
Les défauts de retrait apparaissent lorsque le métal liquide ne parvient plus à compenser les contractions dues à la solidification du métal. On peut distinguer les défauts débouchant sur la surface de la pièce de ceux restant à l’intérieur de la matière. Les défauts visibles de la surface sont les « criques débouchantes », qui s’apparentent à une déchirure de la peau de la pièce, et les « dépressions » qui sont une déformation concave[3].
Les défauts dus au retrait restant à l’intérieur de la pièce, appelés « retassures », sont des cavités que le métal liquide n’a pas pu remplir pendant la solidification. Ce sont des zones où une poche de liquide est restée isolée : la cavité se situe généralement au sommet de la poche de liquide. Pour qu’une poche de métal liquide se trouve isolée, il faut donc que le procédé de remplissage du moule soit incompatible avec les formes de la pièce. La présence d’autres défauts (impuretés, bulles de gaz…) peut aussi perturber la solidification et piéger le métal liquide[3],[4]
On lutte contre la formation de ces défauts par un dimensionnement et un positionnement correct de masselottes, qui vont alimenter la pièce en métal liquide au cours du retrait. Si elle est correctement conçue, la masselotte est alors la dernière zone solidifiée et il est normal qu’elle soit constellée de défauts dus au retrait.
Défauts dus au gaz
Les « porosités », ou les « soufflures » si le défaut est plus important et ponctuel, correspondent à la formation de bulles de gaz dans le métal pendant sa solidification. Ce phénomène est dû au fait que la plupart des matériaux peuvent contenir une plus grande quantité de gaz dissous à l’état liquide qu’à l’état solide. Le gaz dissous est donc rejeté au moment de la solidification, jusqu’à former des bulles[5]. Ces bulles sont facilement décelables lorsqu’elles débouchent à la surface de la pièce : elles apparaissent comme une « piqure » ou un cratère. Elles peuvent également rester piégées au sein du métal, affaiblissant alors dangereusement la pièce moulée[6]. L’azote, l’oxygène et l’hydrogène sont les gaz les plus fréquemment trouvés dans les soufflures[4]. Dans l’aluminium en fusion, l’hydrogène est le seul gaz susceptible de se dissoudre dans des quantités suffisantes pour créer des bulles de gaz[7] : pour des pièces de quelques kilos, le dégagement d’hydrogène génère une porosité avec des cavités mesurant de 0,01 à 0,5 mm, qui dépassent même 1 mm de diamètre sur les grosses pièces moulées[6].
Pour limiter l’absorption de gaz par le métal en fusion, on peut traiter le métal avant la coulée, en le maintenant sous une couche de laitier, sous vide ou sous une atmosphère de gaz peu solubles, comme l’argon[8]. On limite aussi la solubilité des gaz en travaillant avec des surchauffes (écart entre la température de coulée et celle du liquidus) faibles. Réduire les turbulences au moment de la versée du métal dans le moule, en travaillant la forme des canaux d’alimentation et la vitesse de remplissage est également favorable. Sécher le moule évite aussi les reprises en hydrogène[9].
Lorsque le métal a, malgré les précautions prises, absorbé trop de gaz pour donner des pièces saines, il est possible de le traiter. Différentes méthodes peuvent être employées. La précipitation, qui consiste à faire réagir le gaz dissous avec un élément plus réactif que le métal en fusion, est une des plus courantes. L’élément ajouté, après avoir réagi avec l’oxygène, va former un oxyde qui va flotter à la surface du métal liquide. Cette méthode est très efficace vis-à-vis de l’oxygène : une addition de phosphore désoxyde le cuivre liquide ; le ferromanganèse, le silicium ou l’aluminium sont utilisés pour désoxyder l’acier[5]. On peut également garnir les parois du moule d’un élément ayant ce rôle. Une autre méthode consiste à dégazer le métal en le soumettant au vide : le gaz s’échappe alors comme les bulles s’échappent d’une boisson gazeuse lorsqu’on ouvre la bouteille[note 1]. Il est également possible de saturer le bain d’un gaz peu soluble (comme l’argon) pour chasser les autres gaz. Ces méthodes pneumatiques sont fréquemment utilisées pour ôter l’hydrogène de l’acier liquide[note 2].
La détection des soufflures est difficile. Elles peuvent être confondues avec des cavités produites par d’autres phénomènes (retrait dû à la solidification, etc) lorsqu'elles sont remplies de gaz. Les méthodes de détection utilisées actuellement sont la radiographie, le contrôle par ultrasons et la magnétoscopie.
Défauts dus au matériau du moule
On recense les « collages »…
Défauts dus au remplissage du moule
On recense les « gouttes froides », les « reprises », les « manques » ou « malvenues »…
Les deux modes de formation des gouttes froides
Il existe deux modes de formation des gouttes froides en fonderie sous pression. Le mode de formation -le mieux connu- est lié à la pulvérisation et au refroidissement rapide du flot de métal sur le moule. Le deuxième mode de formation, mis plus récemment en évidence, est provoqué par le remplissage de soufflures ou de manques (sous l'effet de la pression de multiplication) pendant la solidification par du liquide eutectique encore en phase liquide ou pâteuse.
Refroidissement rapide de flot de métal
C'est le mode de formation le mieux connu et sans doute le plus répandu en fonderie sous pression.
Mode de formation le mieux connu des gouttes froides
Le flot de métal liquide vient heurter une paroi de moule très brutalement. Des gouttelettes se détachent alors et se solidifient séparément. Elles sont ensuite rejointes par le flot de métal principal et sont incluses dans la pièce. La microstructure des gouttes froides est alors localement plus fine (car s'étant solidifiée très rapidement). Dans certains cas (notre photo) plus rare, mais permettant de mettre en évidence le phénomène, les gouttes froides restent isolées (dans une soufflure par exemple ou en surface de pièce).
Extrusion de liquide eutectique
Ce mode de formation n'a été identifié que récemment (2006-2008). Il est sans doute plus rare que le mode de formation précédent. En fin de remplissage, des porosités (soufflures ou manques) sont présentes dans la pièce. La pression 3ème phase va combler ces pores par extrusion de liquide eutectique (non encore solidifié). La séquence suivante (réalisée par tomographie haute résolution) permet de mettre en évidence le phénomène.
Mode de formation (remplissage en 3ième phase) mis en évidence plus récemment
Impact des gouttes froides
L'impact des gouttes froides sur la diminution des caractéristiques mécaniques est très faible par rapport à d'autres défauts internes (retassures, soufflures) ou externes (reprises). Des gouttes froides en grand nombre traduisent cependant un problème de remplissage.
Défauts métallurgiques
On recense les « criques » qui peuvent être internes ou débouchantes. Les criques sont des petites fissures, dues à un retrait irrégulier du métal au cours de sa solidification. [10] Elles se forment principalement dans les angles. Afin d'y remédier, il faut veiller à l'uniformité des épaisseurs des parois (évider de la matière si nécessaire) et arrondir les angles de moulage.
Défauts spécifiques à un procédé de moulage
Défauts de coulée continue
Dans la coulée continue de produits plats (brames), la « crique longitudinale » est une fissure débouchante située au milieu de la grande face de la brame. Elle fait de 5 à 30 mm de profondeur et est longue de plusieurs mètres. Elle est typique d’un refroidissement inadapté en lingotière, et engendre souvent une « percée » de la peau solidifiée, incident de production coûteux et spectaculaire[note 3]
On rencontre également des « criques transversales », généralement liées à un cintrage ou un décintrage inadapté du produit. Les « gouttières » et le « bombé » sont des déformations longitudinales, respectivement concaves et convexes, typiques d’une mauvaise géométrie de la lingotière. Les « criques internes » sont dues à un mauvais soutien ou guidage du produit dans le refroidissement secondaire : leur position permet d’identifier rapidement l’élément défaillant de la machine.
Au centre du produit, il est fréquent de trouver une « zone de ségrégation », où sont piégés les composés à bas point de fusion. On limite la nocivité de cette zone avec des brasseurs électromagnétiques ou un soutien actif du produit.
Défauts de moulage au sable
Articles connexes
Notes et références
Notes
- Le métal liquide étant bien plus dense que l’eau, l’effet du vide n’est sensible qu’à la surface du bain. Il faut alors brasser le métal en fusion pour que celui-ci soit exposé au vide. Un brassage pneumatique permet de combiner l’effet de la saturation avec un gaz peu solide avec l’effet du vide.
- L’hydrogène peut former, dans les produits massifs (poutrelles, rails…), des bulles qui continuent de croître par diffusion d’atomes d’hydrogène dans le métal solidifié. Ce mécanisme peut être très lent (plusieurs années après la coulée de la pièce) et la pression croissante dans ces bulles peut provoquer une rupture « spontanée » de la pièce.
- Une percée correspond à la sortie du métal liquide hors de la peu solidifiée. Ce métal vient bloquer tous les mécanismes de la machine de coulée continue, stoppant immédiatement la production de l’usine. Une coulée continue d’acier subit, en moyenne, de 2 à 10 percées par an.
Références
- Rao 1999, p. 195
- Rao 1999, p. 198
- Stefanescu 2008, p. 69
- Yu 2002, p. 305
- Degarmo, Black et Kohser 2003, p. 283–284
- Campbell 2003, p. 277
- Gas Porosity in Aluminum Casting, Compiled AFS Literature, March 2002
- Campbell 2003, p. 197
- (en) John R Brown, Foseco foundryman's handbook, Oxford Boston, Butterworth-Heinemann, , 380 p. (ISBN 978-0-750-61939-4 et 0-750-61939-2, OCLC 29754066, lire en ligne), p. 281
- Éditions Larousse, « Archive Larousse : Grande Encyclopédie Larousse - défaut métallurgique », sur www.larousse.fr
- (en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Casting defect » (voir la liste des auteurs).
Bibliographie
- (en) M. M. Avedesian, Hugh Baker et ASM International, Magnesium and magnesium alloys, ASM International, (ISBN 978-0-87170-657-7, lire en ligne).
- (en) John Campbell, Castings, Butterworth-Heinemann, (ISBN 978-0-7506-4790-8, lire en ligne).
- (en) E. Paul Degarmo, J T. Black et Ronald A. Kohser, Materials and Processes in Manufacturing, Wiley, (ISBN 0-471-65653-4).
- (en) Posinasetti Nageswara Rao, Manufacturing technology: foundry, forming and welding, Tata McGraw-Hill, (ISBN 978-0-07-463180-5, lire en ligne).
- (en) Doru Michael Stefanescu, Science and Engineering of Casting Solidification, Springer, (ISBN 978-0-387-74609-8, lire en ligne).
- (en) Kuang-Oscar Yu, Modeling for casting and solidification processing, CRC Press, (ISBN 978-0-8247-8881-0, lire en ligne).
