Porosité dans la fonderie sous pression de l'aluminium : causes et solutions

TL ;DR

La porosité en fonderie sous pression de l'aluminium désigne de petits vides ou cavités qui se forment dans le métal lors de sa solidification. Ce défaut de fabrication courant est principalement classé en deux types : la porosité gazeuse, causée par des gaz emprisonnés, et la porosité de retrait, résultant d'une réduction de volume pendant le refroidissement. La porosité compromet l'intégrité structurelle d'une pièce, son étanchéité à la pression et la qualité de surface, pouvant entraîner une défaillance du composant. Toutefois, elle peut être efficacement maîtrisée et minimisée grâce à un contrôle précis de la qualité du matériau, de la conception du moule et du procédé de coulée. Comprendre ses causes est la première étape à la prévention.

Définition de la porosité en fonderie sous pression de l'aluminium

Dans le monde de la fonderie sous pression, obtenir un composant parfait et homogène est l'objectif ultime. Cependant, un défi courant auquel sont confrontés les fabricants est la porosité. En termes simples, la porosité correspond à la présence de petits vides, trous ou poches d'air indésirables à l'intérieur d'une pièce coulée finie. Selon des experts en fabrication, ce défaut est une préoccupation majeure car il compromet directement les propriétés mécaniques et les performances du produit final. Ces vides peuvent réduire considérablement la résistance, la durabilité et la résistance à la fatigue de la pièce.

La porosité n'est pas un défaut unique ; elle se manifeste de plusieurs façons et affecte l'utilité d'un composant. Ces formes sont généralement classées selon leur emplacement et leur connectivité :

• Porosité aveugle : Ce sont des vides ouverts vers la surface de la pièce moulée, mais qui ne traversent pas complètement la pièce. Bien qu'ils puissent ne pas affaiblir structurellement le composant, ils peuvent retenir des liquides ou des produits chimiques de nettoyage provenant de traitements postérieurs tels que l'anodisation, ce qui peut entraîner des défauts de surface et une corrosion au fil du temps.
• Porosité traversante : Ce type crée un chemin de fuite continu d'une surface de la pièce moulée à une autre. Pour les composants devant être étanches à la pression, comme les réservoirs de fluide ou les boîtiers pneumatiques, la porosité traversante constitue un défaut critique qui rend la pièce inutilisable.
• Porosité entièrement fermée : Il s'agit de vides internes totalement scellés à l'intérieur des parois de la pièce moulée. Ils sont invisibles de l'extérieur et peuvent ne poser aucun problème, sauf s'ils sont mis à jour lors d'opérations d'usinage ultérieures, auquel cas ils deviennent des pores aveugles ou traversants.

Les conséquences de la porosité sont graves, notamment dans des applications critiques comme les composants automobiles et aérospatiaux. Une pièce poreuse peut casser sous contrainte, laisser fuir des fluides ou des gaz, ou présenter une mauvaise finition de surface après usinage. Par conséquent, comprendre ses origines est essentiel pour toute opération de fabrication de haute qualité.

Les principaux types : porosité par gaz contre porosité par retrait

Bien que divers facteurs puissent entraîner la porosité, les défauts remontent presque toujours à l'une des deux causes fondamentales suivantes : le piégeage de gaz ou le retrait du métal. Il est crucial de distinguer entre ces deux types pour un dépannage et une prévention efficaces, car leurs aspects et causes profondes sont différents. Chaque type présente des défis uniques et nécessite des solutions différentes.

Porosité Gazeuse

La porosité gazeuse est causée par l'entraînement de gaz dans l'aluminium liquide pendant les processus d'injection et de solidification. Les principaux responsables sont l'hydrogène, qui est très soluble dans l'aluminium en fusion mais pas à l'état solide, et l'air piégé dans la cavité du moule. Lorsque le métal refroidit, les gaz dissous sont expulsés de la solution, formant des bulles. Ces bulles restent définitivement piégées lorsque le métal durcit autour d'elles. Les pores gazeux se caractérisent généralement par leur forme lisse, sphérique ou ovale, et se situent souvent près de la surface de la pièce moulée.

Porosité de Retrait

La porosité de retrait se produit parce que l'aluminium, comme la plupart des métaux, est plus dense à l'état solide qu'à l'état liquide. Lorsque le métal fondu refroidit et se solidifie, son volume diminue. S'il n'y a pas assez de métal liquide disponible pour remplir les vides créés par ce retrait, des cavités se forment. Ce défaut est particulièrement fréquent dans les sections plus épaisses d'une pièce moulée, qui sont les dernières à se solidifier. Contrairement aux bulles lisses de la porosité gazeuse, la porosité de retrait apparaît sous forme de fissures irrégulières, angulaires ou linéaires. Elle résulte directement d'un alimentage insuffisant en métal fondu lors des dernières étapes de solidification.

Pour clarifier les différences, voici une comparaison des deux principaux types de porosité :

Causes principales et stratégies proactives de prévention

Prévenir la porosité est beaucoup plus efficace et économique que de traiter des pièces défectueuses après fabrication. Une stratégie de prévention réussie exige une approche globale prenant en compte la conception du moule, le matériau et le procédé de moulage lui-même. En maîtrisant les variables clés, les fabricants peuvent réduire considérablement l'apparition de défauts liés aux gaz et au retrait.

Traitement des causes liées aux gaz

La porosité due aux gaz provient de l'introduction ou de l'emprisonnement de gaz dans le métal. La prévention consiste à empêcher l'entrée de gaz.

• Contrôler la qualité du bain : Utilisez des matières premières propres et sèches afin d'éviter l'introduction d'humidité, qui génère du gaz hydrogène dans l'aluminium liquide. La dégazéification de la fonte à l'aide d'azote ou d'argon avant la coulée est une méthode très efficace.
• Optimiser l'application du lubrifiant : Bien qu'il soit nécessaire, un lubrifiant pour moule appliqué en excès ou de manière inadéquate peut se vaporiser pendant l'injection, créant un gaz piégé. Utilisez une quantité minimale de lubrifiant de haute qualité et appliquez-le uniformément.
• Assurer une ventilation adéquate : Le moule doit être équipé de canaux de ventilation et de débordements suffisants pour permettre à l'air présent dans la cavité de s'échapper lorsque le métal en fusion est injecté. Des canaux obstrués ou mal conçus sont une cause principale de piégeage d'air.
• Réguler le processus d'injection : Un remplissage turbulent peut entraîner de l'air dans le métal. L'optimisation de la vitesse de tir et du profil de pression assure un remplissage régulier et progressif qui pousse l'air devant l'écoulement du métal.

Contrôler les causes liées au retrait

La porosité de retrait est une lutte contre la physique, maîtrisée en contrôlant le refroidissement de la pièce moulée. L'essentiel est d'assurer un approvisionnement constant en métal liquide pour les sections épaisses jusqu'à ce qu'elles soient complètement solidifiées.

• Maintenir une pression élevée du métal : La phase de haute pression dans le moulage sous pression est cruciale pour lutter contre le retrait. Comme l'expliquent des experts du secteur, un système intensificateur applique une pression énorme pendant la solidification afin de forcer le métal liquide à pénétrer dans les vides de retrait en formation. Maintenir une pression statique et intensifiée adéquate est essentiel.
• Optimiser la température de la matrice : Un refroidissement inégal provoque des points chauds sujets au retrait. En utilisant des canaux de refroidissement et de chauffage placés stratégiquement dans la matrice, les fabricants peuvent favoriser une solidification directionnelle, où la pièce se fige progressivement vers la porte, permettant ainsi un alimentation continue en métal liquide.
• Améliorer la conception de la pièce et de la matrice : La meilleure façon d'éviter le rétrécissement est de concevoir des pièces avec une épaisseur de paroi uniforme. Lorsque des sections épaisses sont inévitables, elles doivent être situées près d'une porte. Les filets et les coins arrondis doivent être généreux au lieu des angles tranchants, qui peuvent créer des points chauds isolés.

En fin de compte, la prévention de la porosité commence par une conception et un processus de fabrication robustes. Il est essentiel de s'associer à un fournisseur qui démontre une expertise approfondie en contrôle de processus. Par exemple, les fournisseurs titulaires de la certification IATF16949 pour les pièces automobiles mettent l'accent sur un contrôle de qualité rigoureux et une conception interne des matrices, en s'attaquant directement aux causes profondes des défauts tels que la porosité dès le début du projet.

Méthodes d'inspection pour détecter la porosité

Étant donné que toutes les porosités ne sont pas visibles à la surface, les fabricants s'appuient sur une gamme de méthodes d'inspection pour garantir que les pièces répondent aux normes de qualité. Ces techniques, souvent appelées essais non destructifs (END), permettent de détecter les défauts internes sans endommager le composant. Le choix de la méthode appropriée dépend de l'importance de la pièce, du type de porosité suspecté et des contraintes budgétaires.

Les techniques d'inspection courantes incluent :

• Inspection visuelle : La méthode la plus simple, utilisée pour identifier les porosités en surface telles que les cloques ou les trous ouverts. Bien qu'elle soit facile à réaliser, elle ne permet pas de détecter les défauts internes.
• Inspection par rayons X (radiographie) : C'est l'une des méthodes les plus fiables pour détecter les porosités internes. La pièce est exposée à des rayons X, et l'image obtenue révèle les variations de densité. Les vides apparaissent comme des taches plus foncées sur la radiographie, ce qui permet aux inspecteurs de voir leur taille, leur forme et leur emplacement.
• Scanner par tomographie assistée par ordinateur (TOM) : Une forme avancée de radiographie, la scanographie CT crée un modèle 3D complet de la pièce, offrant une vue d'ensemble de toutes les caractéristiques internes et externes. Elle est très précise pour identifier le volume exact et la répartition des porosités, mais constitue également la méthode la plus coûteuse.
• Test de pression : Cette méthode est spécifiquement utilisée pour détecter les porosités traversantes dans des pièces conçues pour être étanches à la pression. La pièce est scellée et pressurisée avec de l'air ou un liquide. Une chute de pression ou l'apparition de bulles lorsqu'elle est immergée dans l'eau indique un trajet de fuite.

Dans de nombreux cas, des normes d'acceptation, telles que celles de ASTM International, définissent la quantité et la taille maximales admissibles de porosité pour une application donnée. Comme le soulignent les spécialistes de la fonderie, ces méthodes de contrôle non destructif sont essentielles pour vérifier que les composants répondent aux normes requises de qualité et de sécurité avant leur mise en service. Cette vérification constitue une étape critique du processus de fabrication .

Questions fréquemment posées

1. Quelles sont les causes des porosités dans la fonderie d'aluminium ?

La porosité dans la fonderie de l'aluminium est principalement causée par deux facteurs : la dissolution et la libération ultérieure du gaz hydrogène pendant la solidification (porosité gazeuse), ainsi que la réduction de volume ou le retrait du métal lorsqu'il refroidit en passant de l'état liquide à l'état solide (porosité de retrait). D'autres facteurs contributifs incluent l'air emprisonné dû à une mauvaise ventilation, un lubrifiant excessif pour moule, et une pression métallique irrégulière.

2. Quelle est la porosité du moulage sous pression ?

En fonderie sous pression, la porosité désigne la présence de petits trous, vides ou poches d'air au sein de la structure métallique d'une pièce moulée. Elle est considérée comme un défaut car elle réduit la densité et la résistance mécanique du composant, et peut créer des chemins de fuite dans les pièces devant être étanches à la pression.

3. Comment vérifier la porosité dans un moulage en aluminium ?

La porosité dans les pièces moulées en aluminium peut être détectée à l'aide de plusieurs méthodes d'essais non destructifs (END). L'inspection visuelle permet d'identifier les défauts de surface, tandis que l'essai de pression est utilisé pour détecter les fuites. Pour les vides internes, l'inspection par rayons X (radiographie) et la tomographie industrielle par ordinateur (CT) sont les méthodes les plus efficaces, car elles permettent de révéler la taille, la forme et l'emplacement de la porosité à l'intérieur de la pièce sans l'endommager.

4. Comment éviter la porosité dans le moulage ?

Éviter la porosité implique de maîtriser l'ensemble du processus de moulage. Les stratégies clés incluent l'utilisation d'un métal fondu propre, sec et correctement désaéré, la conception de la matrice avec des évents et débordements adéquats, l'optimisation de la vitesse et de la pression d'injection, le maintien d'une température uniforme de la matrice afin d'assurer un refroidissement homogène, ainsi que la conception de la pièce avec une épaisseur de paroi constante pour minimiser le retrait.