Porosité gazeuse contre porosité de retrait : identifier les défauts critiques de fonderie

TL ;DR

Les porosités gazeuses et les porosités de retrait sont des défauts courants en fonderie, ayant des origines et des aspects distincts. Les porosités gazeuses résultent de l’emprisonnement de gaz pendant la solidification, créant des vides lisses et sphériques. En revanche, les porosités de retrait sont causées par un métal liquide insuffisant pour compenser la contraction volumétrique lors du refroidissement de la pièce moulée, ce qui forme des cavités rugueuses et angulaires. Comprendre ces différences fondamentales en termes de causes et de morphologie est essentiel pour diagnostiquer et prévenir les défauts dans les pièces moulées en métal.

Comprendre les porosités gazeuses : causes et caractéristiques

La porosité gazeuse est un défaut courant dans la fonderie des métaux, caractérisée par la formation de vides dus aux gaz piégés dans le métal en cours de solidification. Lorsque le métal liquide se refroidit, sa capacité à retenir les gaz dissous, tels que l'hydrogène dans les alliages d'aluminium, diminue considérablement. Ce gaz excédentaire est expulsé de la solution et forme des bulles, qui sont piégées lorsque le métal se solidifie autour d'elles. Ces défauts peuvent compromettre l'intégrité structurelle et l'étanchéité à la pression de la pièce finale, rendant ainsi essentielle leur prévention pour les applications hautes performances.

L'apparition de porosités gazeuses est l'une de ses caractéristiques les plus révélatrices. Les vides sont généralement sphériques ou allongés, avec des parois internes lisses, souvent brillantes. Cette morphologie s'explique par le fait que les bulles de gaz se forment dans le métal liquide ou semi-liquide, ce qui permet à la tension superficielle de les modeler en une forme sphérique, de faible énergie, avant que la structure environnante ne devienne rigide. Ces pores peuvent se manifester sous diverses formes, notamment des soufflures sous-jacentes, des cloques à la surface de la pièce moulée, ou des micro-porosités fines et dispersées, souvent localisées dans les sections supérieures du moulage.

Les causes profondes de la porosité gazeuse sont variées, mais elles sont presque toujours liées à l'introduction de matériaux ou de conditions générant des gaz durant les phases de fusion et de coulée. Un diagnostic efficace exige un examen minutieux de toute la chaîne de production. Parmi les causes les plus fréquentes, on trouve :

• Gaz dissous dans le bain : Le métal en fusion peut absorber des gaz provenant de l'atmosphère ou de matériaux de charge humides ou contaminés. L'hydrogène est un coupable principal dans de nombreux alliages non ferreux.
• Turbulence lors de la coulée : Un remplissage à haute vitesse ou turbulent du moule peut piéger physiquement de l'air dans le métal en fusion, ce qui crée ensuite des cavités.
• Humidité et contaminants : Toute humidité provenant de moules, noyaux, poches ou outils mal séchés peut se vaporiser au contact du métal en fusion, créant de la vapeur qui reste piégée dans la pièce moulée. Les lubrifiants et les liants peuvent également se décomposer et libérer des gaz.
• Faible perméabilité du moule : Si le matériau du moule ou du noyau ne permet pas d'évacuer correctement les gaz présents dans la cavité, ceux-ci risquent davantage d'être piégés par le métal en cours de solidification.

Comprendre la porosité de retrait : causes et caractéristiques

La porosité de retrait provient d'un mécanisme fondamentalement différent : la contraction volumétrique du métal lorsqu'il passe d'un état liquide à un état solide. La plupart des métaux sont plus denses à l'état solide, ce qui signifie qu'ils occupent un volume moindre. Si du métal en fusion supplémentaire, appelé métal d'alimentation, ne peut pas atteindre continuellement les zones qui se solidifient en dernier, la contraction du matériau créera des vides. Ces défauts résultent directement d'une interruption du chemin d'alimentation pendant les dernières étapes de la solidification.

Contrairement aux vides lisses de la porosité gazeuse, la porosité de retrait se caractérise par sa forme angulaire et irrégulière ainsi que par ses surfaces internes rugueuses. Cela s'explique par le fait que les vides se forment dans les espaces tortueux et étroits restants entre les structures cristallines entrelacées en forme d'arbre, appelées dendrites, qui se développent lors de la solidification. La cavité résultante n'est pas une bulle, mais plutôt un vide suivant le motif complexe et fracturé de ces espaces interdendritiques. Les défauts de retrait peuvent apparaître sous forme de cavités ouvertes plus grandes en surface (tuyauteries) ou comme des réseaux internes interconnectés de fines fissures (retrait en éponge ou filamenteux).

La cause principale de la porosité de retrait est l'incapacité à gérer efficacement le processus de solidification. Lorsqu'une pièce est coulée, elle doit idéalement se solidifier de manière directionnelle, en se figeant progressivement depuis le point le plus éloigné de la source de métal liquide vers le masselot ou le système d'alimentation. La porosité de retrait survient lorsque ce processus est perturbé. Les facteurs contributifs principaux incluent :

• Système d'alimentation inadéquat : Les réhausseurs trop petits ou qui gèlent avant la pièce principale ne peuvent pas fournir le métal en fusion nécessaire pour compenser le retrait.
• Points chauds : Les sections épaisses d'une pièce se refroidissent plus lentement que les sections adjacentes fines. Ces « points chauds » peuvent devenir des poches isolées de métal liquide, et lorsqu'elles se solidifient enfin et rétrécissent, il n'existe aucun chemin permettant au métal d'alimentation de remplir le vide résultant.
• Gradients thermiques insuffisants : Une répartition incorrecte de la température dans tout le moule peut empêcher la solidification dirigée, conduisant à des régions liquides isolées sujettes au retrait.
• Géométrie de la pièce : Les conceptions complexes avec des changements brusques d'épaisseur de section sont par nature plus sensibles à la formation de points chauds et de défauts de retrait.

Comparaison directe : Porosité gazeuse contre porosité de retrait

La distinction entre la porosité due aux gaz et celle due au retrait est la première étape cruciale pour diagnostiquer les défauts de fonderie. Bien que les deux affaiblissent la pièce finale, leurs causes distinctes exigent des solutions différentes. La méthode la plus fiable d'identification consiste en un examen visuel de la morphologie des pores. Les cavités provoquées par les gaz sont généralement sphériques avec des parois lisses, tandis que celles dues au retrait sont angulaires et rugueuses. Une comparaison détaillée révèle d'autres différences quant à leur formation et leur emplacement.

Le tableau suivant présente une comparaison directe des caractéristiques clés permettant de distinguer ces deux défauts courants de fonderie :

Le moment de leur formation est un facteur différenciant crucial. La porosité gazeuse peut se former relativement tôt dans la zone pâteuse, dès que la température du métal baisse suffisamment pour réduire sa solubilité en gaz. Les pores se forment sous forme de bulles dans un environnement encore liquide ou semi-liquide. En revanche, la porosité par retrait est un défaut de stade avancé. Elle apparaît profondément dans la zone pâteuse, lorsque le réseau dendritique est bien établi et dense, rendant difficile l'écoulement du métal liquide restant et son alimentation vers les dernières zones à se solidifier. Cette différence explique pourquoi les pores gazeux sont lisses et ronds, tandis que les pores de retrait adoptent la forme complexe des espaces interdendritiques.

Stratégies de prévention et d'atténuation de la porosité dans les pièces moulées

La prévention efficace de la porosité nécessite une approche ciblée en fonction du type spécifique de défaut identifié. Les stratégies contre la porosité gazeuse se concentrent sur le contrôle des sources de gaz, tandis que celles visant la porosité de retrait portent sur la gestion de la solidification et de l'alimentation. Une stratégie complète de contrôle qualité prend en compte les deux types.

Prévention de la porosité gazeuse

La réduction de la porosité gazeuse implique un contrôle rigoureux des matériaux et des procédés afin d'éviter l'introduction ou l'absorption de gaz dans le métal liquide. Les mesures préventives clés incluent :

1. Traitement de la fonte : Utiliser des techniques de dégazage, telles que le dégazage rotatif ou l'apport de flux, pour éliminer l'hydrogène dissous et autres gaz de la fonte avant le coulage.
2. Préparation des matériaux et des outils : Sécher et préchauffer soigneusement tous les matériaux de charge, outils, poches et moules afin d'éliminer toute source d'humidité. S'assurer que les matériaux de charge sont propres et exempts de corrosion ou d'huile.
3. Conception optimisée du système de remplissage et coulée : Concevoir le système de coulée afin d'assurer un écoulement régulier et non turbulent du métal dans la cavité du moule. Cela minimise l'entraînement physique de l'air pendant le remplissage.
4. Ventilation adéquate du moule : Veiller à ce que le moule et tous les noyaux disposent de canaux de ventilation suffisants pour permettre à l'air et aux autres gaz de s'échapper de la cavité lorsqu'elle se remplit de métal en fusion.

Prévention de la porosité par retrait

La clé pour éviter le retrait consiste à assurer un approvisionnement continu en métal liquide vers toutes les parties de la pièce moulée jusqu'à la fin de la solidification. Cela s'obtient grâce à une conception soignée et à un contrôle précis du procédé :

1. Conception efficace des masselottes et du système de coulée : Dimensionner les masselottes suffisamment grandes pour qu'elles restent à l'état liquide plus longtemps que la section de pièce qu'elles alimentent. Le système de coulée doit favoriser une solidification directionnelle, où la pièce se fige progressivement vers la masselotte.
2. Contrôler la solidification à l'aide de plaques réfrigérantes et de manchons : Utilisez des noyaux (inserts métalliques) pour accélérer le refroidissement dans les sections épaisses et éviter les points chauds. Des manchons isolants ou exothermiques peuvent être utilisés sur les masselottes afin de les maintenir à l'état liquide plus longtemps.
3. Modifications géométriques : Lorsque cela est possible, modifiez la conception de la pièce pour éviter les variations brusques d'épaisseur de section et créer des transitions plus douces, réduisant ainsi la probabilité de points chauds.

Pour les industries comme l'automobile où la défaillance d'un composant n'est pas envisageable, il est essentiel de s'associer à des spécialistes de la mise en forme avancée des métaux. Par exemple, des fournisseurs comme Technologie métallique de Shaoyi (Ningbo) illustrent le niveau d'ingénierie de précision et de maîtrise des processus, depuis la conception des outillages jusqu'à la production de masse, nécessaire pour fabriquer des composants sans défaut, dans leur cas pour la forge automobile. Cet engagement en faveur de la qualité est essentiel pour limiter les défauts tels que la porosité et garantir la fiabilité dans les applications critiques.

Questions fréquemment posées

1. Quelle est la différence entre la porosité et le retrait ?

La principale différence réside dans leur cause et leur apparence. La porosité, spécifiquement la porosité gazeuse, est causée par un gaz piégé et se traduit par des cavités lisses et rondes. Le retrait, ou porosité de retrait, est dû à la contraction volumétrique du métal pendant le refroidissement, en l'absence de métal liquide suffisant pour combler le vide, ce qui donne des cavités rugueuses et angulaires.

2. Quelle est la cause de la porosité de retrait ?

La porosité de retrait est causée par la contraction volumétrique du métal lors de sa solidification. Si l'écoulement du métal en fusion est interrompu dans une section de la pièce avant qu'elle ne soit complètement solidifiée, cette contraction crée un vide. Cela est souvent dû à une alimentation insuffisante depuis les masselottes ou à la formation de points chauds isolés dans les sections épaisses.

3. Quelle est la définition de la porosité gazeuse ?

La porosité gazeuse fait référence à des vides présents dans une pièce moulée en métal, formés par l'entraînement de bulles de gaz. Ce gaz peut provenir de gaz dissous dans la matière fondue et rejetés lors du refroidissement, d'air emprisonné pendant un coulage turbulent, ou encore d'humidité et d'autres contaminants qui se vaporisent au contact du métal chaud.

4. Comment savoir si les cavités dans une pièce moulée sont dues à de la porosité ou à un retrait ?

Le moyen le plus efficace de les différencier consiste à examiner visuellement la morphologie de la cavité. Les cavités dues à la porosité gazeuse sont généralement sphériques et ont des parois internes lisses, semblables à des bulles. En revanche, les cavités dues au retrait sont angulaires et présentent des surfaces rugueuses et cristallines, car elles se forment dans les espaces entre les dendrites en cours de solidification.