Fonte injectée en aluminium et zamak. Industrias DOJE S.L.

Le CTIF a mené de nombreuses études d'intérêt collectif sur la fonderie sous pression. L'une d'elles a permis d'explorer de manière approfondie la pression de multiplication qui permet de densifier le métal après le remplissage de l'empreinte et a un effet très bénéfique sur la santé interne en zones minces mais également en zones massives (bossages, ...). De nombreux paramètres impactent l'efficacité de cette phase de compression.

La méthodologie utilisé par CTIF

Un moule de pièce éprouvette (400 x 100 mm x 3,5 mm) a été instrumenté en capteurs de pression d'empreinte KISLER qui ont permis d'enregistrer la transmission de pression dans la pièce tous les 65 mm. Un plan d'essais a été mené avec enregistrement des courbes de pression, enregistrement des courbes d'injection machine (Buhler 630 t) et analyse de la porosité (par méthode de double pesée) dans les différentes zones de pièces (zones minces et zones massives) proches ou éloignées des attaques.

Téléchargez le PDF qui fait la synthèse des résultats

Les paramètres importants

Les paramètres les plus impactant sur la qualité de pièce sont multiples et dépendent tout aussi bien de la conception de la pièce (ou du moule) que des paramètres de production.

Paramètres de production :

• Le niveau de pression de multiplication est majeur (1000 bars plus favorable que 600 bars)
• Le retard avant application de la pression (retard faible de 100 ms plus favorable que retard important type 400 ms). Le retard tolérable est lié à l'épaisseur d'attaque mais également à l'épaisseur de pièce
• Le niveau de pression de compression permet de comprimer les défauts de type soufflures, mais ne les supprime pas comme le montre un test ultérieur de cloquage à chaud (qui les fait réapparaître) La température d'injection du métal plus basse (660°C) est plus favorable qu'une température plus élevée (700°C)
• Une épaisseur de pastille importante (50 mm contre 15 mm) est plus favorable car elle peut ralentir la solidification de la zone d'attaque de la pièce et modifie le point de déclenchement de la phase rapide d'injection (moins d'air entrainée)

Pièce et alliage

• L'épaisseur de l'attaque de coulée. Une faible épaisseur d'attaque (1 mm) entraîne une solidification rapide et l'arrêt de la transmission de la pression de multiplication alors qu'une forte épaisseur est clairement favorable sur la qualité pièce
• Le taux de porosité obtenu avec l'AlSi9Cu3(Fe) est plus faible que celui obtenu avec l'AlSi12, que ce soit en zone massive ou en zone fine
• La transmission de la pression (et le niveau de qualité atteint) diminue lorsque l'on s'éloigne de l'attaque de coulée
• Les zones massives (20 mm) sont beaucoup moins saines que les zones fines (3 mm) car elles cumulent des défauts de soufflure (air emprisonné) et défauts de retassure (contraction volumique à la solidification)
• La pression de multiplication ne permet pas d'atteindre une santé équivalente en zone massive identique à celle des zones fines.

Source : CTIF

Alors que les alliages d'aluminium en fonderie sous pression ne peuvent normalement pas faire l'objet d'un traitement thermique (cloquage à chaud), le CSIRO (Centre Australien de Recherche) a mené des travaux de R&D sur le traitement thermique à basse température et courte durée sur un alliage bas fer de type A360 (Al-9Si-0.7Fe-0.6Mg-0.3Cu-0.2Zn-0.1Mn) et un alliage conventionnel de seconde fusion A380 (type AlSi9Cu3Fe). Les résultats mettent en évidence qu'un traitement non-isotherme de 15 min. à 480°C-525°C permet d'améliorer les propriétés mécaniques en statique (Rp0.2 passant de 162 MPa à 302 MPa après TTH) en réduisant considérablement les cloques après traitement thermique.

Les résultats du projet de R&D

Le CSIRO a développé des traitements thermiques à basse température et de courte durée. Ainsi au lieu d'avoir de traitement de 6-12 heures à 540°C (avec des alliages de type A356 et A357 - AlSi7Mg0.3 ou 0.6), ce nouveau process nécessite des temps de 10-15 minutes à 430-480°C.

Les éprouvettes ont été réalisées sur une machine Toshiba de 250 tonnes avec 3 éprouvettes par grappe; 2 éprouvettes cylindriques (diamètre 5.55 mm X 100 mm de long) et une éprouvette plate (Ep 3 mm x 70 x 14 mm). Les caractéristiques mécaniques ont été mesurées sur éprouvettes brutes de coulées et après traitement thermique dans différentes conditions.

Les températures de traitement traditionnelles (545°C) amènent de nombreuses cloques et des variations dimensionnelles importantes des pièces (pouvant nécessiter une opération de redressage) alors que des températures plus réduites alliées à des courtes durée sont nettement plus favorables.

• 545°C - durée de 16 h et durée de 0.25 h De très nombreuses cloques
• 535°C - durée de 0.25 h (15 min) Cloques peu nombreuses
• 525°C - durée 0.25 h Quelques porosités
• 485°C - 0.25 h Plus de cloques

L'augmentation de la vitesse du métal aux attaques de coulée (de 26 m/s à 82 m/s) augmente encore sensiblement les caractéristiques après TTH (Rp0.2 passant de de 302 à 333 MPa et Rm de 326 à 404 MPa).

Essais sur des pièces industrielles

Des essais de TTH à basse température ont été réalisés sur 6 références commerciales de petites pièces (de 50 à 550 g) avec des épaisseurs de 1.5 à 16 mm (pièces de structure ou non) sur des batchs de 75-100 pièces. Les pièces n'ont pas été triès en radiographie avant TTH et ont montrés un taux de rebut de 1 % seulement en moyenne lié à l'apparition de cloques après TTH. Le facteur le plus impactant pour le TTH était la température maximale atteinte plutôt que la durée de maintien. Pour les pièces les plus fines (sujettes aux cloque), la température de traitement a du être réduite à 440°C. Bien que les conditions de traitement étaient loin d'être isothermes, ces conditions temps/température ont données des caractéristiques satisfaisantes comparables à celles obtenues sur éprouvettes.

Source : CSIRO (Commonweath Scientific and Industrial Research Organization)

Les défauts de type soufflure en fonderie sous pression sont générées par un emprisonnement d'air lors du remplissage ou par la décomposition de produit gras ou d'eau dans le moule par l'alliage liquide. Les soufflures sont des défauts de forme arrondie et sont isolées les unes des autres. Les causes de soufflures sont liées aux paramètres d'injection (V2, L1), ..., au poteyage ou à la conception du système d'alimentation. La peau de pièce est la plupart du temps exempte de porosités de type soufflure et les opérations d'usinage ultérieur révèlent les soufflures sous-cutanées.

Causes de soufflure

• V2 trop rapide (pas assez de temps pour évacuer l'air)
• L1 (course 1er phase) trop courte
• Tirages d'air insuffisants, mal placés ou encrassés
• Trop de poteyage et/ou soufflage insuffisant (eau résiduelle dans le moule)
• Système alimentation mal conçu
• Fuite des circuits d'eau (ou de thermorégulation) dans l'empreinte
• Graissage conteneur trop important
• V1 trop rapide

Remèdes spécifiques :

• Ajouter un système de sous vide (ou un tirage d'air massif)
• Réaliser une simulation numérique du remplissage pour optimiser l'évacuation de l'air
• Nettoyer le plan de joint (encrassé) plus souvent
• Percer un trou dans une zone de tiroir (vers l'arrière du moule) pour faciliter l'évacuation de l'eau
• Utiliser un poteyage "sans eau"

Défectologie

Il peut être nécessaire de tenir compte de l'impact des défauts lors du dimensionnement d'une pièce en fatigue pour réduire le casting factor.

Microtomographie

La micro-tomographie permet d'appréhender finement la localisation et la taille des défauts internes.

Source : CTIF

La revue allemande de fonderie, Giesserei, publiait un essai en 2016 sur l'industrie 4.0 en fonderie avec des machines équipées de capteurs et corrélant la qualité des pièces avec les paramètres de production grâce à un système de type IA (Kognitives System).

Machine de fonderie sous pression du futur

Selon les auteurs, de multiples capteurs équiperont les machines (pression, vitesse, température , ...) mais également le moule (température, arrivée du métal, ...) et les périphériques (poteyage, conteneur, sous vide) et permettront de corréler la qualité des pièces aux paramètres de fabrication grâce à des systèmes dits intelligents et du big data.

Bon, ..., il faudra encore attendre quelques années, mais nous, on y croit.

Source : revue Giesserei

Une pièce de fonderie possède des propriétés mécaniques en statique et dynamique et des propriétés d'usage (tenue à la corrosion, tenue à chaud, ...) qui résultent d'un certain nombre de paramètres liés à la conception (design fonctionnel), au CDC d'approvisionnement et à la fabrication de la pièce (maîtrise des éléments d'alliage, finesse de la microstructure).

Les facteurs importants

Les principaux facteurs qui impactent sur les caractéristiques fonctionelles d'une pièce sont :

• La teneur en éléments d'alliage (fourchette min-max) qui entrent dans la composition chimique de la matière
• La teneur en impuretés (S, P pour les fontes et Fe pour les alliages d'aluminium), en oxydes ou en éléments dits "poison" non désirables dans la composition chimique (fourchette maxi autorisée)
• L'absence de défauts internes (retassures, soufflures) ou externes (criques) dans les parties de pièces sollicitées. On spécifie généralement, dans le CdC pièce, des ZD (Zones Désignées) et des ZND (Zones Non Désignées). L'impact des défauts sur les caractéristiques mécaniques peut être appréhendé finement par la détermination des abattements
• Le tracé de la pièce (et par exemple l'absence de zones de concentration de contraintes ou de zones massives isolées). Le design pièce doit être optimisé en fonction des enjeux et des séries. La simulation numérique du process (remplissage, solidification) en amont permet de faire "bon du premier coup", de raccourcir les délais de mise au point et de fiabiliser la qualité des pièces de production sur leur durée de vie
• Le type de microstructure obtenue. La forme du graphite (lamellaire, sphéroïdale, vermiculaire) ou de la matrice (perlitique, ferritique, austénitique, bainitique) pour les fontes ou la forme du silicium (aciculaire ou lamellaire) ou des composés inter-métalliques (Al-Fe-Si) pour les alliages d'aluminium
• La finesse de la microstructure (résultant de la vitesse de solidification). Pour certaines applications, on spécifie ainsi le SDAS (Secondary Dendritic Arm Spacing) dans certaines zones de pièce pour les alliages d'aluminium et la taille des nodules de graphite pour les fontes Les micro-éléments d'addition en très faibles quantités (quelques ppm versus quelques % pour les éléments d'alliage traditionnels)
• Un traitement thermique ultérieur (trempe/revenu/...) qui modifie la microstructure (transformation de l'austénite en martensite pour les aciers par exemple). Pour les alliages d'aluminium Al-Si, c'est l'addition de magnésium qui permet, lors du traitement thermique, d'augmenter les caractéristiques mécaniques
• Les opérations d'usinage ultérieures qui peuvent soit éliminer la peau de pièce, soit faire déboucher en surface des porosités sous-jacentes ou encore amener des contraintes résiduelles
• Un traitement de surface mécanique: shot peening, CIC (Compression Isostatique à Chaud) qui va éliminer les imperfections de fonderie et doper les caractéristiques d'usage
• Un traitement de surface de conversion chimique (nitruration, anodisation dure) qui va protéger la pièce ou amener un élément de décoration (anodisation de couleur, peinture)

Source : CTIF