Le moulage en sable façonne le métal à l'état liquide, coulé dans un moule en sable et solidifié en place ; le forgeage le façonne à l'état solide, comprimé entre des matrices jusqu'à ce qu'il prenne leur forme. Toute autre différence découle de celle-ci — la résistance de la pièce et sa direction, les formes et tailles possibles, le coût de l'outillage, et la quantité de surépaisseur d'usinage. Cette comparaison concerne les boîtiers, corps, bras ou brides ferreux où quelqu'un a demandé “ pourquoi ne pas le forger ? ” et la réponse doit tenir sur le dessin.
Qu’est-ce que le moulage en sable
Le moulage en sable coule du métal en fusion dans une cavité formée dans du sable aggloméré, le laisse se solidifier, puis brise le sable pour récupérer la pièce. La cavité provient d'un modèle — bois, plastique ou métal, selon la durée de production — et tout passage interne provient d'un noyau en sable placé dans le moule avant sa fermeture. Une fois le métal coulé, la solidification fait le reste ; le travail de la fonderie réside dans la préparation.
Le métal liquide se rétracte en se solidifiant, donc chaque section épaisse doit être alimentée par une masselotte qui reste liquide plus longtemps que la section qu'elle alimente ; si le col de la masselotte est trop petit, le dernier métal à se solidifier attire une cavité de retrait en lui-même. Le grain qui se forme est équiaxe et orienté aléatoirement, c'est pourquoi une pièce moulée a les mêmes propriétés dans toutes les directions.
Ce que le procédé offre en retour, c'est la liberté géométrique. Les noyaux forment des passages et des cavités fermées, l'épaisseur de paroi peut varier sur la pièce, et les bossages, nervures et contre-dépouilles ne nécessitent qu'un plan de joint et environ 1,5° de dépouille pour retirer le modèle. La taille est limitée par le châssis de moulage et la coulée que vous pouvez verser, non par le tonnage de la presse.
Qu'est-ce que le forgeage
Le forgeage chauffe une barre ou une billette d'acier et la déforme entre des matrices, sous un marteau ou une presse, jusqu'à ce qu'elle remplisse l'empreinte de la matrice ; la bavure expulsée au plan de joint est ébarbée ensuite. Le métal ne fond jamais. Il arrive sous forme de barre laminée dont la porosité a été fermée à l'usine, et le travail à chaud affine davantage le grain et l'étire en un flux de grain qui suit la direction de la déformation.
Ce flux de grain est la propriété définissante du forgeage. Là où le flux suit le contour de la pièce — le long d'une bielle, autour d'un épaulement d'arbre — la ductilité, la résistance aux chocs et la résistance à la fatigue sont plus élevées dans cette direction que transversalement. Une pièce forgée est la plus résistante le long de son grain et la plus faible en travers ; une pièce moulée est identique dans toutes les directions.
La matrice est la contrainte du forgeage. Les matrices pleines ne peuvent pas former de cavité fermée, donc il n'y a pas de passages noyautés ; l'empreinte nécessite 5 à 10° de dépouille externe et plus sur les surfaces internes pour le démoulage, et les angles vifs dans la matrice échouent rapidement, donc chaque bord porte un rayon généreux. Les alésages, contre-dépouilles et trous transversaux sont usinés ensuite ou pas du tout.
Moulage en sable vs forgeage
Le forgeage l'emporte sur la résistance le long du grain, la durée de vie en fatigue et la finition ; le moulage en sable l'emporte sur la géométrie, la taille, le coût de l'outillage et les courtes séries. Le tableau donne une vue ligne par ligne. Trois de ses lignes — résistance, précision dimensionnelle et usinage — nécessitent des précisions avant de les reporter sur un dessin.
| Caractéristique | Coulée en sable | Forgeage |
|---|---|---|
| Principe de fabrication | Métal en fusion coulé dans un moule en sable | Métal solide comprimé en forme |
| État du matériau | Liquide | Solide ou semi-solide |
| Résistance de la pièce | Moderate | Élevée |
| Résistance à la fatigue | Moderate | Excellente |
| Risque de porosité interne | Relativement élevé | Très faible |
| Structure du grain | Aléatoire | Flux de grain suivant la géométrie de la pièce |
| Complexité des formes | Excellente | Moderate |
| Cavités internes | Faciles avec des noyaux en sable | Difficile |
| Grandes pièces | Excellente | Possibles, mais exigeantes en équipement |
| Précision dimensionnelle | Moderate | Bonne |
| État de surface | Plus rugueux | Meilleure |
| Coût d'outillage | Faible à modérée | Moderate to high |
| Petites séries de production | Très adapté | Généralement moins économiques |
| Grands volumes de production | Adapté | Excellente |
| Exigence d'usinage | Souvent plus élevée | Généralement plus faibles |
| Produits typiques | Boîtiers de pompes, blocs moteurs, bases de machines | Arbres, engrenages, bielles, essieux |
Les lignes sur la résistance et la fatigue sont vraies, mais les chiffres généralement cités pour les prouver comparent l'acier forgé à la fonte ductile. Ce sont de véritables écarts — entre deux matériaux différents.
Le même acier fabriqué des deux manières est une course plus serrée. Données de la Steel Founders’ Society of America pour le 8630 moulé contre le 8640 corroyé à dureté égale placent les deux à 138 ksi de résistance à la traction ; l'avantage de la barre corroyée est l'allongement, 27% contre 15%, et la durée de vie en fatigue dans les sections non entaillées. Dans les sections entaillées, les deux courbes de fatigue coïncident presque.
Ce qui survit à une comparaison à alliage égal, c'est la direction. La ductilité, la résistance aux chocs et la durée de vie en fatigue d'une pièce forgée sont plus élevées le long du flux de grain et plus faibles en travers ; celles d'une pièce moulée sont identiques dans toutes les directions et, pour des alliages équivalents, se situent entre les valeurs longitudinales et transversales de la pièce forgée. Chargez une pièce le long d'un axe et la directionnalité du forgeage est un avantage. Chargez-la depuis plusieurs directions, comme la plupart des boîtiers, et elle ne l'est pas.
La précision dimensionnelle et la surépaisseur d'usinage sont là où le tableau exagère l'écart. Le forgeage est plus précis, mais contre une pièce moulée en machine avec un modèle métallique, il est à environ un degré de tolérance près ; l'écart plus large — trois à cinq degrés — concerne le moulage à la main en courte série. Les deux voies laissent une surépaisseur d'usinage sur chaque face fonctionnelle.
| Voie | Tolérance totale sur une dimension de 100 à 400 mm (classe ISO 8062:1994) | Surépaisseur d'usinage par surface, pièce de 250 à 400 mm |
|---|---|---|
| Forgeage en matrice fermée, qualité normale, 10 à 50 kg | 2,8 à 4,0 mm | 2,5 mm minimum |
| Moulage en sable, moulé en machine, acier au carbone | 1,8–9 mm (CT8–12) | 2,5–5 mm |
| Moulage en sable, moulé en machine, fonte ductile | 1,8–9 mm (CT8–12) | 1,8–3,5 mm |
| Moulage en sable, moulé à la main, acier au carbone | 5–16 mm (CT11–14) | 3,5–10 mm |
| Moulage en sable, moulé à la main, fonte ductile | 5–16 mm (CT11–14) | 2,5–5 mm |
Les chiffres de forgeage concernent une forme simple en acier au carbone ; l’acier allié ou une empreinte complexe élargit la plage. Les chiffres de moulage dépendent plus de la méthode de moulage que de l’alliage : les séries courtes sur modèles en bois se classent dans les lignes de moulage à la main, et un modèle en métal sur une machine de moulage est ce qui permet d’obtenir les tolérances plus serrées.
Comment choisir entre le moulage en sable et le forgeage
Forgez la pièce lorsque sa charge principale s’exerce le long d’un axe, que sa forme est assez simple pour remplir une matrice, et que la série est assez longue pour amortir la matrice ; coulez-la lorsque la géométrie, la taille ou la quantité l’emportent, ce qui est généralement le cas pour les carters, les corps, les bases et les brides. Cinq questions tranchent la plupart des pièces.
- Chemin de charge: Un arbre, une bielle ou une tige de liaison porte sa charge le long d’un axe, et le flux de grain du forgeage place sa ductilité et sa durée de vie en fatigue supplémentaires exactement là. Un carter de boîte de vitesses ou de pompe est chargé depuis plusieurs directions à la fois, et les propriétés uniformes de la pièce coulée le servent aussi bien ou mieux.
- Géométrie: Les passages noyautés, les cavités fermées, les sections de paroi variables et les contre-dépouilles sont des caractéristiques de moulage. Les matrices ne se libèrent qu’avec 5 à 10° de dépouille et ne forment aucune cavité interne, donc une pièce forgée obtient ces caractéristiques à l’usinage ou pas du tout.
- Taille: Au-dessus de 250 kg ou 2,5 m, le forgeage en matrice fermée sort des tables de tolérances standard. La plupart des composants de machines moyens à grands sont coulés pour cette seule raison.
- Quantité et maturité de conception: Un modèle est peu coûteux à fabriquer et à modifier ; une matrice n’est ni l’un ni l’autre. Les prototypes, les séries courtes et les conceptions encore en révision sont des pièces coulées.
- Tolérance et budget d’usinage: Spécifiez le forgeage pour la précision uniquement si l’alternative est une pièce coulée à la main. Une pièce coulée en machine sur modèle en métal est à environ un degré près, et les deux pièces sont usinées sur leurs faces fonctionnelles de toute façon.
Passez les pièces mécaniques ferreuses habituelles à travers ces cinq critères et elles se classent nettement. Un de la fonte ductile carter de boîte de vitesses ou corps de pompe hydraulique — alésages noyautés, parois variables, charges arrivant par plusieurs sièges de roulements — est une pièce coulée sur tous les critères sauf la ligne de résistance, et cette ligne ne favorise le forgeage que le long du grain. L’arbre qui le traverse est une pièce forgée.
A de l’acier au carbone bride ou levier se situe entre les deux. Forgez-le s’il est produit en volume et porte un axe de charge unique ; coulez-le si la série est courte ou si la forme comporte des bossages et des passages.
Conclusion
La différence entre le moulage en sable et le forgeage réside dans l’état du métal lorsqu’il prend forme, et cela décide du reste. Une pièce forgée est plus résistante le long de son flux de grain et sort de la matrice avec un peu moins de matière à enlever ; une pièce coulée est identique dans toutes les directions, prend toute géométrie qu’un noyau peut former, et atteint des tailles et des longueurs de série qu’une matrice ne peut pas. Choisissez selon le chemin de charge, la géométrie, la taille et la quantité, et pesez l’argument de résistance par rapport au même alliage — pas par rapport à un autre.