Principales causes du cloquage en fonderie sous pression expliquées

TL ;DR

Le cloquage en fonderie sous pression est un défaut de surface caractérisé par des bulles soulevées causées par l'expansion d'un gaz piégé juste sous la peau du métal. La cause principale est le piégeage de gaz ou d'air résultant d'un écoulement turbulent du métal et d'un éventage insuffisant du moule. D'autres facteurs critiques incluent une température excessive du métal liquide ou du moule, une application inadéquate des lubrifiants de moule, ainsi que des contaminants ou des imperfections physiques présents dans l'alliage d'aluminium lui-même.

Le rôle du piégeage de gaz et d'air dans la formation des cloques

La cause la plus fondamentale de cloquage en fonderie sous pression est l'encapsulation de gaz dans la cavité du moule lors de l'injection du métal. Les cloques sont essentiellement une forme particulière de porosité gazeuse, où le gaz piégé se situe juste sous la surface de la pièce moulée. Lorsque le métal en fusion se solidifie, ce gaz piégé est soumis à une pression énorme. Lorsque la pièce est éjectée du moule, le soutien externe disparaît et la peau métallique encore molle peut être repoussée vers l'extérieur par le gaz en expansion, formant ainsi une cloque bien distincte.

Ce gaz peut provenir de plusieurs sources. La plus courante est l'air déjà présent dans la cavité du moule et dans le système de coulée avant l'injection. Si le métal en fusion est injecté trop rapidement ou si le trajet d'écoulement n'est pas optimisé, cela crée une turbulence. Cet écoulement turbulent et chaotique se replie sur lui-même, emprisonnant des poches d'air qui ne peuvent s'échapper avant la solidification du métal. Comme indiqué dans une analyse technique par CEX Casting , une conception médiocre des portes et canaux d'injection est souvent en cause, ne parvenant pas à assurer un écoulement régulier et laminaire du métal dans la matrice.

Un système d'éventilation insuffisant constitue un autre facteur critique. Les évents sont de petits canaux conçus pour permettre à l'air emprisonné dans la cavité de s'échapper pendant que le métal fondu la remplit. Si ces évents sont obstrués, trop petits ou mal positionnés, l'air ne peut s'échapper et reste piégé à l'intérieur de la pièce moulée. Cela provoque de la porosité et, lorsqu'il est proche de la surface, des cloques. L'optimisation du système d'éventilation est une étape cruciale pour éviter ce type de défaut.

Pour réduire le piégeage de gaz et d'air, plusieurs bonnes pratiques doivent être appliquées :

• Optimiser la conception des portes et des canaux d'injection : Utiliser un logiciel de simulation d'écoulement du moule afin de concevoir un système favorisant un remplissage régulier et non turbulent de la cavité de la matrice.
• Assurer une ventilation adéquate : Concevoir et entretenir des évents et des débordements efficaces et propres afin de permettre l'évacuation complète de l'air.
• Contrôler la vitesse d'injection : Ajustez le profil d'injection, en particulier la phase initiale lente, afin de repousser doucement l'air hors de la cavité avant le début du remplissage à grande vitesse.
• Utilisez une assistance sous vide : Pour les composants critiques, la mise en œuvre d'un procédé de moulage sous pression sous vide peut extraire activement l'air de la cavité avant l'injection, éliminant pratiquement tout risque de défauts liés aux gaz piégés.

Paramètres du processus : comment la température et les lubrifiants provoquent des cloquages

Au-delà du piégeage physique de l'air, les paramètres opérationnels du processus jouent un rôle important dans la création des conditions favorables à l'apparition de cloques. La maîtrise de la température et l'application du lubrifiant sont deux domaines particulièrement critiques. Des températures excessivement élevées, que ce soit dans le métal en fusion ou dans la matrice elle-même, peuvent aggraver les problèmes liés aux gaz. Selon une synthèse publiée par Sunrise Metal , des températures élevées peuvent augmenter la pression de vapeur au sein de l'alliage en fusion et provoquer la décomposition des lubrifiants de matrice, libérant ainsi des gaz qui se retrouvent piégés.

Les lubrifiants pour matrices, ou agents de démoulage, sont nécessaires pour éviter que la pièce coulée n'adhère au moule, mais leur mauvaise utilisation est une cause majeure de porosité gazeuse et d'ébullitions. Lorsqu'une quantité excessive de lubrifiant est appliquée, ou qu'elle est appliquée de manière inégale, le liquide excédentaire peut s'accumuler dans la matrice. Au contact du métal fondu chaud, ce lubrifiant en surplus se vaporise instantanément, générant un grand volume de gaz qui n'a pas le temps de s'échapper par les évents. Comme mentionné dans un rapport de The Hill & Griffith Company , le lubrifiant pour poussoir est souvent le facteur unique le plus important, surtout lorsqu'un lubrifiant supplémentaire est utilisé pour compenser une pointe de poussoir usée.

L'humidité est une autre cause importante. Toute humidité résiduelle dans le moule, provenant de fuites dans les conduites d'eau, de pulvérisateurs qui gouttent, ou même de l'agent de démoulage lui-même, se transforme en vapeur au moment de l'injection. Cette vapeur se comporte comme tout autre gaz piégé, créant une pression sous la surface de la pièce coulée pouvant entraîner des ébullitions. Par conséquent, il est primordial de maintenir un environnement sec dans la matrice.

Pour éviter les cloques causées par les paramètres du processus, les opérateurs doivent respecter les actions correctives suivantes :

1. Maintenir un contrôle strict de la température : Veiller à ce que l'alliage en fusion et le moule soient maintenus dans leurs plages de température spécifiées afin d'éviter la surchauffe et une formation excessive de gaz.
2. Appliquer le lubrifiant avec parcimonie et uniformément : Utiliser des systèmes de pulvérisation automatisés pour appliquer un revêtement minimal et homogène d'un agent de démoulage de haute qualité et à faible résidu.
3. Prévoir un temps d'évaporation : S'assurer qu'il y a un délai suffisant après la pulvérisation pour permettre l'évaporation complète de l'eau ou des solvants contenus dans le lubrifiant avant la fermeture du moule.
4. Effectuer une maintenance régulière : Vérifier régulièrement la présence de fuites sur les conduites d'eau ou hydrauliques et s'assurer que les buses de pulvérisation ne fuient pas.

Défauts matériels et physiques comme causes racines

La dernière catégorie de causes concerne l'intégrité du matériau de fonderie et la présence de discontinuités physiques au sein de l'écoulement métallique. Les cloques peuvent provenir de contaminants présents dans l'alliage lui-même. Par exemple, des éléments à bas point d'ébullition, tels que le plomb ou le cadmium, peuvent se vaporiser pendant le processus de coulée ou lors d'un traitement thermique ultérieur, créant une pression interne de gaz. De même, les alliages d'aluminium peuvent absorber de l'hydrogène pendant la fusion, qui tentera de s'échapper lors de la solidification, entraînant une porosité et des cloques.

Les défauts physiques introduits pendant le processus de remplissage sont également très préjudiciables. Des recherches publiées dans Engineering Failure Analysis souligne que les copeaux froids — des morceaux partiellement solidifiés de métal qui se détachent des parois du manchon d'injection — sont une cause principale de grosses cloques, en particulier dans les zones proches du système d'arrivée. Ces copeaux créent des discontinuités dans la microstructure de la pièce moulée. Le gaz présent dans ces vides se dilate pendant le traitement thermique, formant des cloques importantes en surface. D'autres défauts similaires incluent les gouttes froides, les jets froids et les films d'oxyde, tous perturbant l'homogénéité du métal et agissant comme des sites d'amorçage pour la cloquage.

La prévention de ces défauts liés aux matériaux exige un contrôle rigoureux de l'ensemble du processus, de la manipulation des matières premières à la production finale. Il est essentiel de s'associer à un fournisseur qui démontre un fort engagement en matière de contrôle qualité. Par exemple, les fabricants de pièces automobiles hautes performances s'appuient souvent sur des procédés certifiés comme l'IATF16949 et sur un contrôle qualité interne pour garantir l'intégrité des matériaux du début à la fin, une pratique critique pour éviter de tels défauts.

Pour mieux comprendre ces causes distinctes, le tableau suivant compare les cloques provenant de la porosité gazeuse à celles résultant de défauts physiques ou chimiques :

Les solutions incluent le préchauffage et le séchage complet des matières premières, l'utilisation d'alliages de haute pureté et la mise en œuvre de traitements efficaces de dégazage à l'azote ou à l'argon pour éliminer l'hydrogène dissous avant la coulée.

Questions fréquentes sur les cloques en fonderie sous pression

1. Quelle est la cause principale des cloques en fonderie sous pression ?

La cause principale des cloques est le gaz piégé, le plus souvent de l'air provenant de la cavité du moule, qui est emprisonné en raison d'un écoulement turbulent du métal en fusion et d'un évent insuffisant. Ce gaz, situé juste sous la surface de la pièce moulée, se dilate et pousse vers l'extérieur la peau molle du métal, formant une bulle.

2. Le traitement thermique peut-il provoquer l'apparition de cloques sur une pièce moulée sous pression ?

Oui, le traitement thermique est un facteur courant déclenchant la formation de cloques. Une pièce peut sembler parfaite à l'état brut de fonderie, mais si un gaz est piégé ou s'il existe une discontinuité physique sous la surface, les hautes températures du traitement thermique entraîneront une expansion importante du gaz, révélant ainsi le défaut sous forme de cloque en surface.

3. Comment distinguer une cloque de la porosité générale ?

Les cloques sont un défaut en surface ou près de la surface, apparaissant sous forme de bosses soulevées sur la peau de la pièce coulée. La porosité générale, quant à elle, fait référence à des vides pouvant se situer n'importe où dans la pièce moulée, y compris en profondeur. Bien que ces deux défauts soient causés par un gaz piégé, les cloques correspondent spécifiquement aux pores situés suffisamment près de la surface pour la déformer.