Système d'attaque en moulage au sable

Le système d'attaque dans le moulage en sable est l'ensemble des canaux moulés dans le sable qui transporte le métal en fusion de la poche dans la cavité du moule : le bassin de coulée, la descente, le puits de descente, le canal de coulée et les attaques, souvent avec un filtre céramique. Son rôle est de remplir complètement la cavité et dans les temps sans entraîner d'air, de laitier ou de sable libre dans la pièce. Les fonderies britanniques l'appellent le système de coulée.

La fonderie conçoit le système d'attaque et le monte de façon permanente sur le Le modèle. L'acheteur fournit les surfaces critiques du plan et les niveaux de défauts admissibles, qui indiquent à la fonderie où les attaques peuvent se situer et à quel point le métal doit arriver propre.

Ce qu'un système d'attaque doit faire

Un système d'attaque doit amener du métal propre et calme dans chaque partie de la cavité avant qu'il ne se solidifie, tout en laissant le moins de métal possible dans les canaux. Cela se décompose en cinq tâches :

• Remplir dans les temps: le métal qui arrive trop lentement se solidifie avant que la cavité ne soit pleine ; le métal qui arrive trop vite érode le sable.
• Maintenir un écoulement calme: le métal turbulent replie l'air et sa propre surface oxydée dans le bain, et ces films finissent en inclusions et en porosité.
• Retenir le laitier et les crasses: le laitier flotte sur la fonte et l'acier, donc le bassin, le canal de coulée et le filtre sont disposés pour le piéger avant les attaques.
• Alimenter les masselottes en métal chaud: le métal est généralement acheminé de sorte que la masselotte retienne le métal le plus chaud et que la pièce se solidifie vers elle.
• Gaspiller peu de métal: tout ce qui reste dans les canaux est découpé et refondu, donc le système est maintenu aussi petit que les autres tâches le permettent.

Composants d'un système d'attaque

Dans l'ordre où le métal les rencontre, un système d'attaque est constitué du bassin de coulée, de la descente, du puits de descente, du canal de coulée avec son prolongement, et des attaques, souvent avec un filtre dans le canal de coulée. La masselotte est généralement comptée séparément comme un réservoir d'alimentation qui compense le retrait, bien que certains manuels la listent comme un élément d'attaque parce que le métal s'écoule souvent du canal de coulée à travers la masselotte dans la pièce.

Bassin de coulée

Le bassin de coulée reçoit le jet de la poche et le stabilise, afin que la descente se remplisse sans aspirer d'air.

Descente

La descente est le canal vertical qui amène le métal du bassin jusqu'au plan de joint. Elle se rétrécit vers le bas parce qu'un jet qui tombe se rétrécit à mesure qu'il accélère ; une descente épousant la forme du jet reste pleine et n'aspire pas d'air le long de ses parois.

Puits de descente

Le puits de descente est une poche agrandie au bas de la descente qui absorbe l'impact du métal tombant et le dirige vers le canal de coulée.

Canal de coulée et prolongement du canal

Le canal de coulée transporte le métal horizontalement depuis le puits de descente et le répartit entre les attaques. Un canal de coulée d'une longueur suffisante laisse au laitier flottant le temps de remonter et de rester dans le canal avant d'atteindre la cavité.

Le prolongement du canal de coulée se poursuit au-delà de la dernière attaque comme un cul-de-sac. Le premier métal descendu dans le canal, le plus froid et le plus sale, y pénètre et y reste.

Attaques

Les attaques sont les courts canaux où le canal de coulée rejoint la cavité, et elles fixent la direction et la vitesse auxquelles le métal entre dans la pièce. Plusieurs attaques permettent à une grande pièce de se remplir de plus d'un côté à fort débit et à faible vitesse.

Les attaques pénètrent communément dans la section la plus épaisse, ou le métal est acheminé d'abord à travers la masselotte. Après le décochage, les attaques sont découpées et les amorces arasées à ras, donc leur emplacement importe sur une surface usinée ou d'étanchéité.

Filtres

Un filtre céramique siège généralement dans le canal de coulée près du puits de descente. Il piège le laitier et les inclusions non métalliques ramassés dans la poche et le bassin, et il ralentit et lisse l'écoulement en aval.

La position du filtre doit être conçue avec le puits de descente : un filtre placé là où le métal arrive en jet peut projeter de nouveaux jets en aval et former de nouveaux oxydes.

Types de systèmes d'attaque

Les systèmes d'attaque sont classés selon l'emplacement de l'étranglement, qui rend un système sous pression ou non sous pression, et selon l'endroit où le métal entre dans la cavité : en haut, en bas, au plan de joint ou par étages. L'étranglement est la plus petite section du système.

Systèmes sous pression et non sous pression

Dans un système sous pression, l'étranglement se situe aux attaques. La section totale diminue de la descente au canal de coulée puis aux attaques, de sorte que la contre-pression maintient chaque canal plein de métal.

Dans un système non sous pression, l'étranglement se situe à la base de la descente ou près d'elle et la section augmente après. Le métal ralentit, mais le canal de coulée et les attaques peuvent ne couler que partiellement pleins. Le rapport d'attaque, la section de la descente au canal de coulée au total des attaques, exprime la différence ; le matériel de cours de fonderie donne les ordres de grandeur indiqués dans le tableau.

Un système sous pression coule plein, donc il aspire peu d'air, et ses canaux plus petits laissent plus du métal coulé dans la pièce. Le métal quitte toutefois ses attaques à grande vitesse, avec turbulence aux angles et érosion du moule. Un système non sous pression délivre un métal plus lent et érode moins le moule, mais ses canaux partiellement vides aspirent de l'air et ses canaux de coulée plus grands réduisent le rendement.

Les praticiens préfèrent souvent les systèmes non sous pression pour un écoulement plus doux. Dans des essais de coulée sur un collecteur d'échappement en fonte, cependant, un système sous pression avec des canaux de coulée plus grands qui limitaient la vitesse aux attaques à 1,0 m/s a réduit le taux de défauts de dix fois.

Attaque en haut, en bas, au plan de joint et par étages

• Coulée en source: le métal tombe dans la cavité par le haut. Le métal le plus chaud se retrouve en haut, ce qui favorise la solidification vers les masselottes, mais le jet tombant érode le sable et est fortement turbulent.
• Coulée en fond: les attaques dans la semelle remplissent la cavité par le bas, et le métal monte régulièrement le long des parois avec peu de turbulence ou d'érosion et une bonne surface. Le coût est que le métal le plus froid se retrouve en haut, ce qui va à l'encontre de la solidification vers les masselottes, et une attaque qui gèle tôt peut étrangler l'écoulement avant que le moule soit plein.
• Coulée au plan de joint: les attaques sont découpées le long de la ligne de joint entre la chape et la semelle, l'endroit le plus facile pour les mouler. La cavité sous le plan de joint se remplit comme en coulée en source et la partie au-dessus comme en coulée en fond, de sorte qu'elle se situe entre les deux.
• Coulée par étages: un canal vertical alimente des attaques à plusieurs hauteurs sur une pièce haute, de sorte que chaque attaque supérieure prend le relais lorsque le niveau de métal l'atteint. Cela maintient la chute dans la cavité courte et amène le métal chaud à travers une pièce trop haute pour la seule coulée en fond.

Comment un système de coulée est dimensionné

Une fonderie dimensionne un système de coulée à partir du temps de coulée, car le calcul de l'étranglement nécessite le temps de coulée et tous les autres canaux sont dimensionnés à partir de l'étranglement :

1. Temps de coulée: fixé à partir du poids de la pièce et, pour la fonte grise, de son épaisseur de section.
2. Section d'étranglement: la plus petite section transversale qui délivre ce poids en ce temps.
3. Canal et attaques: dimensionnés à partir de l'étranglement via le rapport de coulée.
4. Vitesse à l'attaque: vérifiée par rapport à la limite pour l'alliage, avec des attaques élargies ou ajoutées si elle est trop élevée.

Avant la fabrication du modèle, la disposition dimensionnée est vérifiée par simulation de remplissage du moule et de solidification.

Temps de coulée

Le temps de coulée est fixé à partir de formules empiriques basées sur le poids de la pièce. Pour l'acier, la formule utilise le poids seul :

t = K × √W

Pour la fonte grise, la formule ajoute l'épaisseur moyenne de section T en pouces, et la racine change à 1 000 lb :

t = K × (0,95 + T / 0,853) × √W, pour les pièces de moins de 1 000 lb

t = K × (0,95 + T / 0,853) × ∛W, pour les pièces de plus de 1 000 lb

Dans chacune, t est le temps de coulée en secondes, W le poids de la pièce en livres et K un facteur de fluidité. K est la donnée propre de la fonderie pour son métal et sa température de coulée.

Section d'étranglement

La section d'étranglement est calculée comme la section transversale qui fait passer le poids de métal de la pièce dans le temps de coulée choisi, sous la charge de métal entraînant l'écoulement :

A = W / (c × d × t × √(2gH))

Ici A est la section d'étranglement, W le poids de la pièce, d la densité du métal liquide, t le temps de coulée, g l'accélération gravitationnelle et H la charge effective de métal. Le coefficient de buse c tient compte des pertes par frottement dans les canaux.

La charge effective dépend de l'endroit où le métal entre : avec la coulée en fond, elle diminue à mesure que la cavité se remplit. Comme K, le coefficient et la charge sont des données que la fonderie fixe pour sa propre disposition.

Vitesse du métal à l'attaque

Le fer doit entrer dans la cavité à pas plus d'environ 1,0 m/s (40 po/s), le maximum typique utilisé dans la conception de coulée de la fonte grise.

Une vitesse critique inférieure d'environ 0,5 m/s, au-dessus de laquelle la surface du métal se rompt et replie des films d'oxyde dans le bain, a été mesurée sur l'aluminium. Un article de simulation souligne qu'elle équivaut à une chute libre de seulement environ 12,5 mm, de sorte qu'un moule en sable coulé par gravité ne reste presque jamais en dessous.

Pour l'acier, les recommandations sont qualitatives : remplir à haut volume et basse vitesse. La fonderie contrôle la vitesse par la section totale des attaques : plus d'attaques ou des attaques plus grandes délivrent le même débit plus lentement.

Coulée de la fonte grise, de la fonte ductile et de l'acier

La fonte grise, la fonte ductile et l'acier utilisent les mêmes canaux mais sont coulés différemment car chacun forme un défaut différent lorsque son jet rencontre l'air, et nécessite donc que son écoulement soit maintenu calme à un degré différent.

Fonte grise

Fonte grise est coulée pour limiter la turbulence, car dans la fonte grise un remplissage rugueux affecte le graphite ainsi que les inclusions. Une étude publiée sur des barreaux d'essai ASTM A48 coulés des deux façons a trouvé plus de lamelles de graphite de type A, et plus fines, dans les barreaux remplis par le bas. Sa simulation de remplissage a également trouvé beaucoup plus d'air piégé dans le moule rempli par le haut. Le remplissage par le bas a coûté un peu de rendement : 43 % contre 50 % pour le moule rempli par le haut.

La coulée en source est encore utilisée sur la fonte grise là où la pièce tolère la turbulence.

Fonte ductile

Fonte ductile est coulée avant tout pour limiter les crasses, qui sont principalement un problème dans les grandes pièces telles que les carters ductiles lourds et les corps de vannes. La coulée empêche l'air d'entrer dans le jet, car chaque parcelle d'air repliée pendant le remplissage s'ajoute aux crasses, et un filtre après le puits de coulée capte une partie des crasses que la poche transporte.

Acier au carbone et acier inoxydable

Acier au carbone est alimenté pour remplir rapidement à travers un système complet avec des attaques de coulée en bas, car l'acier gèle rapidement et son principal défaut d'inclusion, la réoxydation, provient de l'air entraîné pendant la coulée. Simulations d'une pièce moulée en acier faiblement allié de 344 lb ont révélé que ces éléments réduisent l'air entraîné :

• Entrée régulière: un jet centré sur le bassin de coulée, ou un bassin de coulée décalé.
• Faible hauteur de charge: moins de hauteur pour que le métal tombe dans le bassin.
• Débit élevé: un remplissage plus court entraîne moins d'air.
• Masselottage sous pression: surface d'attaque maintenue suffisamment petite pour que le système reste plein pendant la majeure partie du remplissage.
• Attaques de coulée en bas: une attaque en haut entraîne plus de cinq fois l'air d'une attaque en bas.

Le masselottage par le bas nécessite une longue descente de coulée et un moulage spécial tel que des canaux en tuiles céramiques, c'est pourquoi les pièces moulées en acier sont souvent masselottées au plan de joint à la place.

Dans l'acier, la plupart des inclusions proviennent de la poche et du bassin de coulée plutôt que des canaux, donc un bon système de masselottage fonctionne aussi comme un piège. Dans 36 pièces moulées en acier expérimentales, un bassin décalé, une descente de coulée conique, un canal d'alimentation profilé et une attaque de coulée conique en bas ont donné 2,5 fois moins de surface d'inclusion qu'un bassin, une descente de coulée et un canal surdimensionnés et une attaque de coulée latérale haute.

L'acier inoxydable est masselotté selon les mêmes principes.

Défauts causés par un mauvais masselottage

Le défauts de coulée qui remontent au système de masselottage sont ceux formés pendant que le métal s'écoule dans le moule :

• Films d'oxyde et inclusions de réoxydation: une vitesse d'attaque élevée brise la surface du métal et replie son oxyde dans le bain.
• Inclusions de laitier et de crasse: laitier que le bassin, le canal et le filtre ne retiennent pas, et dans la fonte ductile, crasse formée par l'air entraîné.
• Porosité gazeuse due à l'air piégé: air aspiré par une descente de coulée ou un canal partiellement vide, ou par le métal tombant à l'intérieur de la cavité.
• Inclusions de sable et érosion: un jet rapide ou tombant érode les parois du moule et entraîne le sable meuble dans la pièce moulée.
• Manques de coulée et jonctions froides: un remplissage trop lent, ou des trajets d'écoulement trop longs, de sorte que le métal gèle avant que la cavité ne soit pleine.
• Retrait: un écoulement lent, irrégulier ou à long trajet apporte du métal froid aux masselottes et perturbe l'alimentation.