IMC 405 - Procédés de Mise en Forme des Matériaux - PDF

## IMC 405 - Procédés de Mise en Forme des Matériaux ### **Chapitre 3: ÉLÉMENTS DE FONDERIE** #### **1: Introduction** #### **2: Rappels de physique et de métallurgie** #### **3: Remplissage du moule** #### **4: Défauts des pièces de fonderie** #### **5: Tracé correct des pièces de fonderie**...

## IMC 405 - Procédés de Mise en Forme des Matériaux ### **Chapitre 3: ÉLÉMENTS DE FONDERIE** #### **1: Introduction** #### **2: Rappels de physique et de métallurgie** #### **3: Remplissage du moule** #### **4: Défauts des pièces de fonderie** #### **5: Tracé correct des pièces de fonderie** #### **6: Caractéristiques de Moulage** #### **7: Sable de moulage (facultatif)** **Lecture à faire:** **Fichier: IMC405-Automne2023/Fonderie (3).pdf** ### **6.1 Caractéristiques de moulage** | **General Characteristics of Casting Processes** | **Sand** | **Shell** | **Evaporative pattern** | **Plaster** | **Investment** | **Permanent mold** | **Die** | **Centrifugal** | |---|---|---|---|---|---|---|---|---| | Typical materials cast | All | All | All | Nonferrous (Al, Mg, Zn, Cu) | All | All | Nonferrous (Al, Mg, Zn, Cu) | All | | Weight (kg): minimum | 0.01 | 0.01 | 0.01 | 0.01 | 0.001 | 0.1 | 0.01 | 0.01 | | Weight (kg): maximum | No limit | 100+ | 100+ | 50+ | 100+ | 300 | 50 | 5000+ | | Typ. surface finish (R, in µm) | 5-25 | 1-3 | 5-25 | 1-2 | 0.3-2 | 2-6 | 1-2 | 2-10 | | Porosity | 3-5 | 4-5 | 3-5 | 4-5 | 5 | 2-3 | 1-3 | 1-2 | | Shape complexity | 1-2 | 2-3 | 1-2 | 1-2 | 1 | 2-3 | 3-4 | 3-4 | | Dimensional accuracy | 3 | 2 | 3 | 2 | 1 | 1 | 1 | 3 | | Section thickness (mm): Minimum | 3 | 2 | 2 | 1 | 1 | 2 | 0.5 | 2 | | Section thickness (mm): Maximum | No limit | 75 | 50 | 12 | 100 | | Typ. dimensional tolerance (mm/mm) | 1.6-4 mm ±0.003 (0.25 mm for small parts) | ±0.005-0.010 | ±0.005 | ± 0.015 | ±0.001-0.005 | 0.015 | | Cost 1.2 | 3-5 | 3 | 2-3 | 3-5 | 3-5 | 2 | 1 | 1 | | Equipment | 3-5 | 2-3 | 2-3 | 3-5 | 2-3 | 2 | 1 | 1 | | Pattern/die | 1-3 | 3 | 3 | 1-2 | 1-2 | 3 | 5 | 5 | | Labor | Days | Weeks | Weeks | Days | Weeks | Weeks | Weeks-months | Months | | Typical lead time | 1-20 | 5-50 | 1-20 | 1-10 | 1-1000 | 5-50 | 2-200 | 1-1000 | | Typical production rate? (parts/mold-hour) | 1 | 100 | 500 | 10 | 10 | 1000 | 10,000 | 10-10,000 | **Notes:** 1. Relative rating, from 1 (best) to 5 (worst). For example, die casting has relatively low porosity, mid to low shape complexity, high dimensional accuracy, high equipment and die costs, and low labor costs. These ratings are only general; significant variations can occur, depending on the manufacturing methods used. 2. Approximate values without the use of rapid prototyping technologies. **Source:** Data taken from J. A. Schey, Introduction to Manufacturing Processes, 3d. ed., McGraw-Hill 2000. ### **6.2 Moulage en sable** Image description: A diagram depicting the process of sand casting. It shows the steps from pattern making to the final casting. **Caractéristiques:** * La plupart des métaux, difficultés avec le plomb, l'étain et les alliages en zinc * Taux de production: 1-20 pièces /heure est fonction de la taille des pièces * Lead time: plusieurs jours à plusieurs semaines en fonction de la taille et la complexité des pièces ### **6.3 Moulage par coulée continue (Continuous Casting)** Image description: A detailed diagram showing the continuous casting process, including the molten metal, casting molds, and cooling rollers. **Hauteur de la plateforme 20 m (65 ft)** **Vitesse du métal solidifié est de 25mm/s (1 in/s).** **Le moule est lubrifiée: poudre de graphite** **Coquille solidifiée : 12-18mm** **vibration: diminuer la friction** ### **6.4) Expendable-pattern casting process** Image description: A diagram illustrating the steps involved in the expendable-pattern casting process. **FIGURE 5.20 Schematic illustration of the expendable-pattern casting process, also known as lost-foam or evaporative-pattern casting (polystyrene).** **Procédé simple, pas besoin de masselottes ou des noyaux** **Cout faible du polystyrène, cout élevé pour le moule d'expansion** ### **6.5) Moulage à la cire perdue (Investment Casting)** Image description: A diagram illustrating the lost-wax casting process, showing the steps involved in creating the wax pattern, coating it, pouring the metal, and removing the wax. **Tous les métaux. Résines thermoplastiques pour les formes** **Taux de production 1000 pièces à l'heure (fonction de la taille)** **Lead Time: plusieurs semaines** **Coût dépend de la complexité des pièces** ### **6.6 Moulage en moule métallique** Image description: A diagram showing a manually operated permanent mold casting machine. **Caractéristiques:** * Coulée à la pression atmosphérique * Limité aux alliages non ferreux * Acier au carbone (moule en graphite) * Taux de production: 5-60 pièces/heure (fonction de la taille) * Lead time: plusieurs semaines #### **PRINCIPE** Image description: A sequence of diagrams showing the steps involved in the die casting process. ### **6.7 Moule permanent** #### **1) Sous pression (Die Casting)** Image description: A diagram of a die casting machine, showing the plunger, die cavity, and ejector pins. * Limité aux alliages non ferreux (zinc, aluminium, magnésium, plomb,étain, bronze et cuivre) * Taux de production: jusqu'à 200 pièces/heure * Lead time: plusieurs mois * Coûts initiaux élevés. Procédé complexe #### **2) Moulage sous pression (chambre chaude)** **(Die Casting in Hot-Chamber Process)** Image description: A diagram of a hot-chamber die casting machine, showing the molten metal pot, plunger, and die cavity. * Limité aux alliages non ferreux (zinc, plomb,étain, bronze et cuivre) * Le métal reste sous pression jusqu'à la solidification * Le moule est refroidis à l'eau par des canaux integrés * Taux de production: au delà de 200 pièces/heure * Lead time: plusieurs mois * Coûts initiaux élevés. Procédé complexe #### **3) Moulage sous pression (chambre froide)** **(Die Casting in Cold-Chamber Process)** Image description: A detailed diagram of a cold-chamber die casting process, showing the steps involved in the process. * Limité aux alliages non ferreux (Aluminium, magnésium, alliage de cuivre) **Sequence of operations in die casting of a part in the cold-chamber process. Source: Courtesy of Foundry Management and Technology.** **Pour des taux de production élevés, ce type de moulage est considéré comme un procédé économique** ### **6.8) Moulage par coulée centrifuge (Centrifugal Casting Process)** Image description: A diagram illustrating the centrifugal casting process, showing the molten metal being poured into a rotating mold. **Aciers, fer, cuivre, aluminium, nickel, verre, plastique et céramiques** **Moulage avec une symétrie radiale** **Taux de production: 50 pièces/heure (fonction de la taille)** **Lead time: plusieurs semaines / mois** **Tubes et cylindres (Pipes).** **diamètre: 13mm - 3m, longueur à 16m, epaisseur: 6-125mm** ### **6.9) Moulage sous vide (Vacuum-Casting Process)** Image description: A diagram illustrating the vacuum casting process. **Schematic illustration of the vacuum-casting process. Note that the mold has a bottom gate. (a) Before and (b) after immersion of the mold into the molten metal. Source: After R. Blackburn.** ### **6.10) Fonderie-forgeage (Squeeze-Casting Process)** Image description: A diagram showing the steps involved in squeeze casting. **FIGURE 5.28 Sequence of operations in the squeeze-casting process. This process combines the advantages of casting and forging.** **Combinaison du forgeage et du moulage** ### **6.11)Techniques de moulage pour la croissance d'un monocristal** Image description: A diagram showing different methods of casting turbine blades, including directional solidification and single-crystal growth. **FIGURE 5.29 Methods of casting turbine blades: (a) directional solidification; (b) method to produce a single-crystal blade; and (c) a single-crystal blade with the constriction portion still attached. Source: (a) and (b) After B.H. Kear, (c) Courtesy of ASM International.** ### **6.12) Technique de solidification rapide: Melt-Spinning Process** Image description: A diagram showing the melt-spinning process, where molten metal is spun onto a rotating disk to create a thin strip. **Schematic illustration of the melt-spinning process to produce thin strips of amorphous metal.** ### **7): Le sable de moulage** #### **1. Les Sables de moulage** **Le sable doit présenter un certain nombre de qualités:** * **Plasticité:** prendre et conserver les formes * **Réfractarité:** supporter sans détérioration la température du métal liquide * **Perméabilité:** évacuer les gaz produit par le métal * **Homogénéité:** propriétés du matériau identique * **Pureté:** la composition et la nature du sable ne devra pas réagir ou se mélanger avec le métal **Classes:** * **a) Silico-argileux naturels** * Grain enrobé d'une couche d'argile * **b) Synthétiques** * Les grains de sable sont enrobés mécaniquement d'un liant (argile, silicate de sodium, résine..) **Avantages du sable:** * Possède les propriétés requises * Abondance * Faible coût **Terme sable de fonderie:** * Sables à base de silice * Silicate de Zirconium * Orthosilicate de fer * Orthosilicate de magnésium (olivine) **La silice: SiO2 prends différentes forme en fonction de la température** **On la trouve sous la forme de quartz (alpha) dans les roches** **Les carrières de sable et les dunes** **Les grains sont composés de SiO2 (ou Quartz). Ils s'agit de grains durs et fragiles (indice de 7 sur l'échelle de la dureté : 1 talc / 10 diamant). Les grains sont chimiquement neutres et existent sous plusieurs états en fonction de la température :** **Avantage du sable naturel** * Fini des pièces obtenues assez doux * Conserve l'humidité * Meilleure résilience et résistance à la fissuration * coût réduit à l'achat **Désavantage du sable naturel** * Température de fusion basse (présence d'hydroxydes de sodium et potassium) * Difficulté de maintenir une qualité constante **Sable de fonderie= Sable (SiO2) + liant (argile ou résine)** * **Sables naturels:** sable(SiO2)+ argile (+eau) * **Sables synthétiques:** sable(SiO2) +(argile, silicate de sodium, résine) **Avantage du sable synthétique** * Uniformité de la composition et de la dimension des grains * Plus haute perméabilité * Meilleure réfractarité * Nécessite moins d'eau que les sables naturels * Le sable synthétique est de plus en plus utilisé en fonderie * Les fonderies produisant les pièces de petites dimensions utilisent le sable naturel #### **2. les caractéristiques des sables de Moulage** **Dimensions et forme des grains** * Le sable doit être perméable pour évacuer les gaz. La perméabilité est fonction de la forme des grains. * **Granulométrie:** On contrôle l'étalement avec un système de tamis. On ne souhaite obtenir des grains que sur peu de tamis pour n'obtenir que des grains de volumes sensiblement égaux. * En effet lorsque l'on mélange de gros et de petits grains, la perméabilité (passage des gaz) du sable chute. * Les grains sphériques donnent une meilleure perméabilité que les grains irréguliers * La présence de petit grains, poussières, obstruant les pores diminue la perméabilité (utiliser des grains assez gros) * **Changement de phase de la silice avec dilatation (sans endommager le moule)** * **Compromis: Choisir un sable possédant de trois à quatre dimensions différentes** **Grains ronds = meilleure surface** **Grains anguleux = mauvaise surface** **Perméabilité = Indice qui mesure le volume d'air en cm3 qui traverse en une minute, sous l'unité de pression, 1 cm3 de sable compacté** **Est chiffrée par le taux en millilitres par minute avec lequel l'air passe à travers un échantillon de sable sous des conditions de pression données.** **La perméabilité standard est déterminée en mesurant t le temps nécessaire à 2000 cm3 d'air pour passer au travers un échantillon standard contenu dans un tube sous une pression de 10 g par cm²** **V= volume d'air 2000cm³** **h= hauteur du spécimen 2 pouces (5.08cm)** **P= pression de l'air 10g/cm2** **A: section droite du spécimen-diametre 2 pouces (20.268 cm²)** **t= temps en seconde** **P = (V.h)/(P.A.t) = 3007,7/t** #### **Résistance du sable:** **Test de compression, de cisaillement, de déformabilité** **Les test sont réalisés sur du sable vert, étuvé, ou à chaud** **Résistance à la compression** **(sable vert: Green strenght GS)** **Résistance au cisaillement** **Résistance à la fissuration** **Les paramètres mesurés sont fonction de la nature du liant, pour les sables vert de la teneur en argile et % d'eau** #### **3 Liants organiques et inorganiques:** #### **3.1 L'argile** * L'argile employée est un silicate d'alumine hydraté qui a une cristallisation bidimensionnelle, sous la forme de feuillets de bentonite : * Les argiles sont des colloïdes (troublent l'eau). * Ils sont aussi thixotropes : état de gel au repos et sous forme liquide sous des effets de cisaillement. * Une fois que l'eau d'addition pénètre entre les feuillets, les argiles hydratées deviennent malléables car les feuillets sont alors plus espacés. * Les produits d'addition * **Produits carbonés (4 à 6%)** * Le noir minéral (pour la fonte) se transforme en carbone brillant au contact de la fonte, ce qui a pour effet d'améliorer l'état de surface grâce au pouvoir décapant du sable. Ce produit n'est pas utilisé pour l'acier car il pose un problème de recarburation de l'alliage (volontairement pauvre en carbone). * **Stabilisateur d'humidité (0,5 à 2%)** * Pour conserver un taux contrôlé en H₂O on peut utiliser des amylacés (amidon) ou des alginates. #### **Liants (résumé)** | **Argiles** | **1) Bentonites Alumine+ silice (Al24SiO₂H₂O)** | **Western Bentonite** | **Southern bentonite** | **2) Kaolinites** | **3) Illites (Illinois)** | **Propriétés** | |---|---|---|---|---|---|---| | | | | | | | Très bonne résistance à chaud | | | | | | | | Moules étuvés | | | | | | | | Pièces coulées à hautes températures | | | | | | | | Grosses pièces | | | | | | | | Bonne résistance | | | | | | | | Se mélange bien | | | | | | | | Le sable se moule bien | | | | | | | | Très grandes réfractarité | | | | | | | | Propriétés variables | | | | | | | | Qualités moyennes pour la fonderie | | | | | | | | Fonderie de fonte grises et de fonte malléable | **Les propriétés sont fonction:** * liant +proportion, proportion d'eau **1) Augmenter la teneur en argile:** * Augmente la résistance à la compression * Améliore le finis de surface * Augmente la dureté du moule * Décroît la perméabilité **2) Augmenter le pourcentage en humidité** * Augmente l'aptitude à la déformation * Facilite le moulage * Diminue la résistance à la compression * Diminue la qualité de surface **3) Diminuer le pourcentage d'humidité** * Rend les moules fragiles #### **3.2 Les céréales** **Liant obtenue par traitement de mais** **Complément à l'argile** * Diminue la dilatation du sable * Augmente la résilience à vert des sables de fonderie * Améliore le finis de surface des pièces * Facilite la destruction du moule #### **3.3 Le silicate de sodium (Na2OS;O2)** **Principe: On mélange du sable + silicate de sodium (en solution)** **on obtient un durcissement en quelques secondes due au contact avec le gaz carbonique de la réaction** **(Na2O. 2SiO2 + 2CO2 + H2O >>>> 2NaHCO3 + 2SiO2) Constitue le liant silice amorphe** #### **4. Moulage en sable vert** **Sable vert: Sable naturel + Argile + eau** **Application:** * En raison de la faible résistance du sable, son application est limité aux: * Pièces pas trop lourde * De dimensions petites et moyennes * Le métal étant refroidis rapidement, il se produit un effet de trempe qui durcit les surfaces extérieures de la pièce (usinage +difficile) * Ajout de 2% du noir végétal pour diminuer l'effet de trempe * Séchage superficiel: flamme de chalumeau, combustion d'alcool avec de la poudre de graphite * Rugosité des pièces est plus élevée que pour le sable synthétique * On pulvérise sur le moule des agents: graphite, huile de pétrole #### **5. Procédé PEP-SET** * Il s'agit du procédé Ashland appliqué aux problèmes de noyautage et de moulage unitaire ou de faible série. * Le sable mélangé avec les résines et le catalyseur est durci au contact de l'outillage avec réaction de polymérisation (sable auto durcissant). * Le sable mélangé avec les résines est placé au contact de l'outillage ; * un catalyseur gazeux traverse le sable en produisant la réaction de polymérisation (Le gaz catalyseur ne doit pas pouvoir se répandre dans l'atmosphère s'il présente des risques de toxicité). **Principe :** * Sable + 2 résines en solution (phénolique et isocyanate) + catalyseur liquide (solution de pyridine) **Avantages de ce procédé :** * Prise à froid donc outillage peu onéreux * Excellente aptitude au débourrage des noyaux * Très grande précision dimensionnelle * Stockage facile * Belle "peau" des pièces coulées #### **6. Les procédés de durcissement à chaud** * Le sable enrobé d'un liant est serré ou soufflé dans une boîte à noyau ou contre une plaque-modèle. * Le chauffage du liant provoque le durcissement du sable. **On distingue deux procédés :** 1. Chauffage du sable enrobé de liant en dehors de l'outillage (plus ancien) 2. Le sable enrobé de liant est mis en contact de l'outillage chauffé, sur lequel il durcit .