Presque chaque défaut sur une pièce moulée en sable ferreux provient de l'une des cinq causes suivantes : gaz que le moule ne pouvait pas évacuer, retrait que les masselottes ne pouvaient pas alimenter, sable qui s'est lessivé ou dilaté dans la cavité, métal qui a figé avant le remplissage du moule, ou parties du moule qui ont bougé après le tirage du modèle. Le tableau identifie chaque défaut par son apparence. Les sections qui suivent indiquent lesquels relèvent du processus de la fonderie à corriger, lesquels commencent sur le dessin, et lesquels sont cosmétiques sur une face qui est usinée de toute façon.
| Défaut | À quoi il ressemble | Causes courantes | Prévention |
|---|---|---|---|
| Porosité gazeuse / soufflures | Cavités lisses et arrondies à l'intérieur ou sur la pièce coulée | Humidité excessive, mauvaise évacuation des gaz, gaz dissous, faible perméabilité du sable | Contrôler l'humidité, améliorer l'évacuation des gaz, dégazer le métal, améliorer la perméabilité du sable |
| Cavité de retrait | Vides internes ou de surface irréguliers | Alimentation inadéquate pendant la solidification | Améliorer la conception des masselottes, utiliser des refroidisseurs, favoriser la solidification directionnelle |
| Inclusion de sable | Particules de sable incrustées dans la pièce coulée | Érosion du moule, sable faible, écoulement de métal turbulent | Améliorer la résistance du moule et la conception du système de coulée, réduire la turbulence |
| Reprise à froid | Fine couture ou ligne où deux flux de métal se rencontrent | Température de coulée basse, remplissage lent, mauvais système de coulée | Augmenter la température de coulée et la vitesse de remplissage, reconcevoir les canaux |
| Coulée incomplète | La pièce coulée est incomplète ou certaines zones manquent | Le métal se solidifie avant de remplir le moule | Augmenter la fluidité et la température de coulée, élargir les canaux, améliorer l'évacuation des gaz |
| Déchirure à chaud / fissure à chaud | Fissures irrégulières formées pendant la solidification | Retrait restreint, mauvaise géométrie de la pièce | Améliorer l'effondrabilité du moule, ajouter des congés, optimiser les transitions de sections |
| Metal penetration | Surface rugueuse avec pénétration de métal entre les grains de sable | Sable grossier, température de coulée élevée, surface de moule faible | Utiliser un sable plus fin ou des revêtements et optimiser la température de coulée |
| Croûte | Zone de métal irrégulière surélevée sur la surface de la pièce coulée | La surface du sable se soulève ou se fissure pendant la coulée | Améliorer la résistance du sable et le contrôle de l'humidité |
| Entailles et lessivages | Rainures ou zones érodées sur la pièce coulée | Métal en fusion à haute vitesse érode le moule | Réduire la vitesse du métal et améliorer la conception du canal de coulée et des canaux d'alimentation |
| Marques de queue de rat / flambages | Lignes de surface longues et peu profondes | Dilatation du sable de moule causée par la chaleur | Utiliser des additifs appropriés et des propriétés de sable adaptées |
| Gonflement | Surface bombée de la pièce coulée | La paroi du moule se déforme sous la pression métallostatique | Augmenter la dureté et la résistance du moule |
| Désalignement / décalage de moule | Les moitiés supérieure et inférieure de la pièce coulée ne s'alignent pas | Le châssis supérieur et le châssis inférieur deviennent désalignés | Améliorer l'alignement du châssis et les broches de positionnement |
| Décalage de noyau | Internal cavity is incorrectly positioned 2. Core movement during pouring 3. Improve core prints and core supports 4. Run-out 5. Molten metal leaks from the mold 6. Poor mold closure or damaged mold 7. Secure mold halves and inspect molds before pouring 8. Flash / fins 9. Thin metal projections along parting lines 10. Gaps between mold sections or excessive pressure 11. Improve mold closing and clamping 12. Drop 13. Irregular lump caused by sand falling from the cope 14. Weak mold sand or insufficient ramming 15. Increase sand strength and improve mold preparation 16. Gas porosity is gas that the mold or the melt could not shed before the skin froze: smooth, rounded cavities, from pinholes just under the surface to blowholes big enough to take a fingertip. The rounded wall is the tell. A shrinkage cavity is ragged. 17. In green sand the gas is mostly steam. The sand carries roughly 2–5% water, and the metal front turns that to steam in the first instant of contact; if permeability is low or the cope is not vented, the steam pushes back into the metal instead of out through the sand. 18. Every lever here is the foundry’s — moisture and permeability, vents in cope and cores, deoxidation and degassing practice at the furnace. The one thing the drawing can contribute is a blind core somewhere to vent to. Subsurface pinholes usually declare themselves on the first machined face, so a pressure-tight body should be 19. radiographed 20. before it goes to the machine shop, not after. 21. Shrinkage is contraction that nothing fed: irregular, rough-walled voids at the last place to freeze — the center of a heavy section, the root of a boss, the junction where two walls meet. It hides inside and shows up when the machinist breaks into it. 22. For steel the fix is feeding, and it is not optional. A |
Core movement during pouring | Improve core prints and core supports |
| Run-out | Molten metal leaks from the mold | Poor mold closure or damaged mold | Secure mold halves and inspect molds before pouring |
| Flash / fins | Thin metal projections along parting lines | Gaps between mold sections or excessive pressure | Improve mold closing and clamping |
| Drop | Irregular lump caused by sand falling from the cope | Weak mold sand or insufficient ramming | Increase sand strength and improve mold preparation |
Gas Porosity and Blowholes
Gas porosity is gas that the mold or the melt could not shed before the skin froze: smooth, rounded cavities, from pinholes just under the surface to blowholes big enough to take a fingertip. The rounded wall is the tell. A shrinkage cavity is ragged.
In green sand the gas is mostly steam. The sand carries roughly 2–5% water, and the metal front turns that to steam in the first instant of contact; if permeability is low or the cope is not vented, the steam pushes back into the metal instead of out through the sand.
Every lever here is the foundry’s — moisture and permeability, vents in cope and cores, deoxidation and degassing practice at the furnace. The one thing the drawing can contribute is a blind core somewhere to vent to. Subsurface pinholes usually declare themselves on the first machined face, so a pressure-tight body should be radiographed before it goes to the machine shop, not after.
Shrinkage Defects
Shrinkage is contraction that nothing fed: irregular, rough-walled voids at the last place to freeze — the center of a heavy section, the root of a boss, the junction where two walls meet. It hides inside and shows up when the machinist breaks into it.
For steel the fix is feeding, and it is not optional. A de l’acier au carbone tel que A216 WCB abandonne environ 3,6% de son volume entre liquidus et solidus, et ce métal doit provenir d’une masselotte qui reste liquide plus longtemps que la section qu’elle alimente, via un col qui ne gèle pas en premier. Des refroidisseurs à l’extrémité lourde et une conicité vers la masselotte font voyager le front de solidification dans un seul sens, de sorte que le dernier liquide se trouve dans la masselotte et non dans la pièce coulée.
La fonte grise ne suit pas cette règle. A série de mesures du Bureau of Standards (aujourd’hui NIST) a constaté que le changement de volume à la solidification variait d’une expansion de 1,65% dans la fonte grise à une contraction de 5,85% dans une fonte à faible teneur en carbone et en silicium : le graphite précipitant pendant la solidification pousse vers l’extérieur. Un contrepoids à haute teneur en carbone équivalent de la fonte grise peut être coulé sain sans aucune masselotte.
Lorsque la fonte grise rétrécit, la cause est généralement que l’expansion pousse la paroi du moule souple vers l’extérieur, de sorte qu’il ne reste pas assez de métal pour remplir la cavité agrandie. La rigidité du moule fait pour la fonte ce que la masselotte fait pour l’acier. La fonte ductile se dilate de la même manière et s’appuie sur le moule au moins aussi fort, c’est pourquoi un boîtier en fonte ductile qui rétrécit dans un moule en sable vert se coule souvent sain dans un moule rigide sans cuisson avec le même modèle.
Le retrait est aussi le défaut que le dessin cause le plus souvent. Une section lourde isolée, un bossage qu’une masselotte ne peut pas atteindre, une paroi qui passe de mince à épaisse sans transition — chacun crée un point chaud qui gèle en dernier et affame. Lorsque la fonderie demande d’ajouter un coussin de masselotte, de coniciser une section ou de placer un refroidisseur contre un bossage, c’est la demande à laquelle il faut dire oui.
Sand Inclusions
Les inclusions de sable sont du sable meuble que le métal a ramassé et transporté dans la pièce coulée : des grains ou des amas incrustés dans la surface, ou situés juste sous une face usinée comme une poche sombre et granuleuse. Le sable flotte dans la fonte et l’acier, donc les inclusions s’accumulent contre les surfaces de la chape et sous les noyaux, et leur position vous indique d’où vient le sable.
D’où qu’il vienne, la correction appartient à la fonderie — un système de coulée qui ralentit le métal à la cavité, la résistance et le durcissement du sable, et la manipulation du moule.
Le dessin ne contribue que par la géométrie : un angle intérieur vif ou une fine ailette sur le modèle rend le bord de sable friable, et un congé là ne coûte rien.
Cold Shut
Un rejet à froid est une couture où deux fronts de métal se sont rencontrés sans fusionner : une ligne fine à bord tranchant sur la surface, souvent avec des lèvres légèrement arrondies, qui pénètre dans la section comme une discontinuité semblable à une fissure. Chaque front porte une peau d’oxyde, et si aucun n’est assez chaud pour refondre celle de l’autre, ils se plaquent l’un contre l’autre et gèlent. Cela se produit partout où des courants convergent à froid — le côté éloigné d’un noyau, le sommet d’une paroi mince et haute alimentée par deux canaux de coulée, l’extrémité d’un long trajet d’écoulement.
Le réflexe est de couler plus chaud, et cela aide effectivement, mais pour une raison plus étroite que ce que la plupart supposent. La Steel Founders’ Society of America le dit clairement dans ses recommandations pour les concepteurs de pièces coulées: pour un alliage donné, la durée de fluidité n’augmente pas avec la surchauffe. Une coulée plus chaude ne fait pas mieux couler le métal ; elle ne fait que retarder le moment où la peau gèle.
Pour l’acier, il y a aussi peu de marge pour chauffer davantage. Les fenêtres de coulée ci-dessous sont celles auxquelles les quatre alliages que nous coulons fonctionnent réellement, et l’acier au carbone se situe déjà contre la limite réfractaire du sable lui-même, 3000–3330 °F (1650–1820 °C).
| Alliage | Température de coulée |
|---|---|
| Fonte grise | 2450–2700 °F (1340–1480 °C) |
| Fonte ductile | 2450–2700 °F (1340–1480 °C) |
| Acier inoxydable et acier fortement allié | 2700–2900 °F (1480–1600 °C) |
| Acier au carbone et acier faiblement allié | 2850–3100 °F (1565–1700 °C) |
Les solutions durables se trouvent dans le système de coulée et la section : plus de canaux d’alimentation pour que les fronts se rencontrent plus tôt et plus chauds, des trajets d’écoulement plus courts, un remplissage plus rapide, et sur le dessin une paroi assez épaisse pour que l’alliage parcoure la distance. Couler en haut de la fenêtre est un palliatif, et cela se paie ailleurs — un métal plus chaud signifie plus de porosité de retrait et un risque plus élevé de criques à chaud.
Misrun
Une coulée incomplète est un moule qui ne s’est jamais rempli : la pièce est complète jusqu’à un bord lisse et arrondi puis s’arrête — un coin manquant, une paroi qui se termine trop tôt, une patte absente. Le métal dans la section mince a gelé avant que le reste n’arrive.
Les parois minces éloignées du canal d’alimentation sont l’endroit où cela se produit, et cela s’aggrave avec une coulée lente — une descente de coulée étranglée, une poche trop petite pour le moule — et avec une cavité qui ne peut pas évacuer l’air devant le métal. L’acier présente plus de défauts de non-remplissage que la fonte : il coule près du haut des fenêtres dans le tableau ci-dessus et a une courte durée de vie à l’état liquide, tandis que la fonte grise remplit facilement les sections minces.
Les solutions durables sont un remplissage plus rapide, un canal d’alimentation placé dans la section mince plutôt qu’en amont de celle-ci, et un évent à l’extrémité de la cavité. Si une paroi ne se remplit toujours pas avec le métal en haut de sa fenêtre de coulée et que le système de coulée a déjà été retravaillé, la paroi est plus mince que ce que l’alliage peut parcourir sur cette distance, et c’est le dessin qui doit être corrigé.
Criques à chaud
Une crique à chaud est une fissure qui s’est ouverte alors que la pièce coulée était encore partiellement liquide : irrégulière, sombre avec de l’oxyde, suivant les joints de grains, et presque toujours à une jonction où une section épaisse a retenu une section mince lors de la contraction. Une fissure formée à froid est droite et brillante en comparaison.
Le mécanisme est la contrainte. La pièce coulée veut se contracter en refroidissant, le moule et les noyaux résistent — un noyau solide à l’intérieur d’un anneau, du sable compacté entre deux brides — et la contrainte se concentre à la jonction qui est encore pâteuse, ce qui est le point le plus faible de la pièce coulée.
L’acier est l’alliage le plus sujet aux criques des quatre que nous coulons car il se contracte lors de la solidification ; la fonte grise, qui se contracte à peine, ne se crique presque jamais. Couler plus chaud augmente la contrainte thermique et rend les criques plus probables, ce qui est le deuxième coût de la coulée en haut de la fenêtre.
Les criques à chaud sont plus souvent un défaut de conception qu’un défaut de procédé. Les angles internes vifs, les changements brusques de section mince à épaisse, et les longues âmes minces entre des brides épaisses créent chacun une jonction contrainte. Les congés et les transitions progressives éliminent le concentrateur de contraintes ; là où la géométrie ne peut pas changer, la fonderie ajoute des barres de maintien temporaires et les usine ensuite, et adoucit le mélange de noyau pour qu’il s’effondre au lieu de résister.
Pénétration du métal
La pénétration du métal est du métal qui s’est infiltré dans le sable au lieu de s’arrêter à sa surface : une surface rugueuse et encroûtée de sable où le métal a coulé entre les grains et les a verrouillés, de sorte que le grenaillage ne peut pas la nettoyer. La pièce coulée est aux dimensions en dessous ; la croûte est le problème.
Il y a un compromis ici : un sable fin ferme les pores entre les grains mais réduit la perméabilité et invite les défauts de gaz de la section 1, donc la réponse habituelle n’est pas un sable plus fin sur tout le moule mais un enduit réfractaire sur les faces qui en ont besoin et sur les noyaux.
Sur une face qui est usinée, la pénétration ne coûte rien. Sur une face d’étanchéité brute de coulée ou une face visible, c’est un revêtement ou un changement de sable à la fonderie, et il vaut la peine de marquer ces faces sur le dessin pour que la fonderie sache lesquelles revêtir.
Soufflures superficielles (scabs)
Une soufflure superficielle est une plaque mince et rugueuse de métal dépassant de la surface avec une couche de sable piégée en dessous : la face du moule s’est soulevée ou fissurée pendant la coulée et le métal s’est infiltré derrière. Elle se trouve sur les faces de la chape et sur les surfaces planes et larges que le métal a mis longtemps à recouvrir.
Le soulèvement est dû à l’expansion de la silice. La chaleur radiante du métal montant atteint la face de la chape avant le métal ; lorsque la peau de sable dépasse 573 °C, le quartz subit une inversion et se dilate brusquement tandis que le sable derrière est encore froid, donc la peau se déforme loin du moule et le métal remplit l’espace. Un excès d’humidité et un remplissage lent prolongent tous deux l’exposition et aggravent le problème.
Les soufflures superficielles sont à corriger par la fonderie — des additifs qui amortissent l’expansion, un contrôle de l’humidité et du compactage, et un remplissage plus rapide pour que la face de la chape soit recouverte avant qu’elle ne chauffe à travers. Le dessin peut aider en évitant une grande face de chape plate et continue lorsque l’orientation de la pièce le permet.
Érosions et lavages
Les érosions et lavages sont des rainures et des canaux érodés où le métal en mouvement a coupé le sable du moule : une surface rugueuse et striée en aval d’un canal d’alimentation, avec la pièce coulée surdimensionnée là où le sable était et le sable lui-même apparaissant comme des inclusions ailleurs. La pénétration du métal laisse la pièce coulée aux dimensions avec une croûte dessus ; un lavage la laisse surdimensionnée et rugueuse.
Le métal se déplaçait trop vite là où il rencontrait le moule, et le sable était trop faible pour le supporter — un canal d’alimentation dirigé vers une paroi de moule ou un noyau, un canal de distribution qui laisse le flux s’accélérer, du sable sous-compacté ou sous-polymérisé. La solution est dans le système de coulée : ralentir le métal à l’entrée, ne pas alimenter sur un noyau ou une paroi de moule mince, et revêtir les noyaux situés dans le flux. Ce que le dessin apporte, c’est de l’information — indiquer à la fonderie quelles faces sont critiques pour que les canaux d’alimentation soient placés ailleurs.
Traînées de rat et boucles
Les traînées de rat et les boucles sont la même défaillance d’expansion du sable qu’une soufflure superficielle, mais interceptée avant que le métal ne passe derrière la peau soulevée : des lignes peu profondes et irrégulières (traînées de rat) ou une large crête basse (boucle) sur une surface par ailleurs plane. Elles sont cosmétiques et disparaissent sur toute face usinée.
Les traînées de rat prédominent sur la face de la semelle, le plancher du moule que le métal chaud recouvre en premier et chauffe le plus rapidement ; les soufflures superficielles se trouvent sur la face de la chape, que le rayonnement chauffe avant l’arrivée du métal. L’emplacement du défaut vous indique lequel vous regardez.
La prévention est dans le sable, donc c’est la fonderie qui s’en charge : des additifs qui amortissent l’expansion, un compactage qui laisse aux grains de la place pour bouger, et, sur une face critique brute de coulée qui continue d’échouer, un sable de parement non siliceux qui n’a pas d’inversion à subir.
Gonflement
Le gonflement est une pièce coulée qui sort plus grande que le modèle : une paroi bombée, généralement une grande face verticale dans la semelle, où la pression métallostatique a poussé une paroi de moule molle vers l’extérieur avant que la peau ne soit assez solide pour tenir. Dans la fonte grise et de la fonte ductile l’expansion du graphite pendant la solidification ajoute sa propre poussée.
Le coût n’est pas le renflement. Le gonflement mange la surépaisseur d’usinage sur cette face, ajoute du poids, et — parce que le métal qui a rempli le renflement venait d’ailleurs — laisse souvent une cavité de retrait ailleurs dans la pièce coulée. Une pièce coulée en surpoids avec un retrait inexpliqué est un moule qui a bougé.
La prévention réside dans la rigidité du moule : un damage plus ferme, une compactabilité maintenue suffisamment basse pour que la paroi reste en place, ou un passage au no-bake pour les sections lourdes que la sable vert ne peut pas tenir. Rien sur le dessin ne le provoque, et rien sur le dessin ne l’empêche.
Désalignement du moule
Le désalignement est un décrochement au plan de joint : la moitié supérieure du moule (chape) est décalée par rapport à la moitié inférieure (noyau), de sorte qu’un bossage est à moitié en place et à moitié décalé, une paroi est épaisse d’un côté de la ligne et mince de l’autre, et un trou noyauté n’est pas concentrique avec l’extérieur.
Les deux moitiés du moule ne se sont pas alignées — broches ou bagues usées, châssis endommagé, moitiés de modèle non alignées sur la plaque, ou un moule qui a bougé pendant la fermeture et la manipulation. Tout cela relève de la maintenance de la fonderie.
Le dessin détermine le coût d’un désalignement donné : un plan de joint sur une surface plane, éloigné des références d’usinage et des éléments qui doivent s’aligner de part et d’autre, peut tolérer un décrochement qui mettrait au rebut une pièce séparée à travers un bossage. L’emplacement du plan de joint mérite d’être réglé avec la fonderie avant la découpe du modèle, pas après que la première pièce coulée montre un décrochement.
Déplacement de noyau
Le déplacement de noyau est un noyau qui a bougé avant que le métal ne se fige autour : la cavité interne est au mauvais endroit, donc une paroi sort épaisse et la paroi opposée mince, ou un passage noyauté est décentré par rapport à l’extérieur. Il est souvent détecté uniquement lorsqu’un contrôle d’épaisseur de paroi ou une coupe d’usinage révèle l’écart.
La poussée d’Archimède cause la plupart des dégâts. Un noyau en sable est bien plus léger que le fer ou l’acier qui l’entoure et soulève fortement pendant la coulée ; une portée de noyau trop petite ou trop lâche, ou un noyau long soutenu à une seule extrémité, le laisse flotter ou se plier. Les noyaux placés dans la mauvaise position ou écrasés à la fermeture expliquent le reste.
Les correctifs de la fonderie sont des portées de noyau plus longues ou plus serrées, des chaplets qui maintiennent le noyau contre la chape, et un noyau plus rigide. La contribution du dessin est la plus importante : une cavité traversante avec une portée à chaque extrémité se maintient d’elle-même, tandis qu’une cavité borgne suspendue à une seule portée dépend des chaplets pour rester en place.
Fuite de métal
Une fuite de métal est du métal qui a quitté le moule : la cavité s’est vidée à travers le plan de joint ou une fissure dans le moule, et ce qui s’est solidifié est une pièce courte ou mince avec une feuille de métal qui en découle. Vous ne recevrez pas une pièce avec fuite — elle est mise au rebut à la fonderie — mais un fournisseur qui en signale régulièrement a un problème de manipulation des moules, et cela vous parvient sous forme de livraisons manquées.
Bavures et ailettes
La bavure est une fine feuille de métal le long du plan de joint ou autour d’une portée de noyau : du métal qui s’est infiltré dans un espace entre les parties du moule et s’y est figé. À l’extérieur, c’est un coût de finition, ébarbé au nettoyage. À l’intérieur d’un passage noyauté sur un bloc hydraulique ou un corps de pompe, une ailette est une particule libre prête à se détacher en service, et il vaut la peine de spécifier que les passages noyautés sont inspectés pour les détecter.
L’espace provient de faces de joint qui ne se sont pas assises — sable sur le joint, plaque de modèle usée, chape se soulevant légèrement sous pression — ou d’un jeu entre un noyau et sa portée. Des bavures importantes sur un lot sont un avertissement : le même soulèvement qui a permis la formation de bavures permet aussi le désalignement et, à l’extrême, la fuite de métal, donc vérifiez ce lot pour un décrochement au plan de joint. La prévention est la fermeture et le serrage du moule, ce qui relève de la fonderie.
Conclusion
Les défauts de surface — pénétration, croûtes, queues de rat, boucles, coupures, gonflement, bavures — sont le sable et la coulée de la fonderie à contrôler ; ils coûtent du temps de finition, et ils disparaissent de toute face usinée. Ceux qui mettent les pièces au rebut sont internes ou structurels : porosité gazeuse, retassures, cernes de coulée et criques à chaud. Deux de ces quatre, les retassures et les criques à chaud, commencent sur le dessin aussi souvent que sur le sol de l’atelier, et un congé ou une conicité de section convenus avant la découpe du modèle coûte moins cher que n’importe quel masselotte.