La coulée à la cire perdue est un procédé dans lequel une coquille céramique est construite en couches autour d'un modèle en cire jetable, la cire est fondue et évacuée, et le métal en fusion est versé dans la coquille monobloc cuite, qui est ensuite brisée pour libérer la pièce coulée. “ Investir ” est l'ancien terme pour désigner l'enrobage du modèle dans une barbotine céramique ; le même procédé est aussi appelé coulée à la cire perdue. Le modèle et le moule sont tous deux consommés à chaque cycle.
Ce que la coquille permet d'obtenir est la raison même pour laquelle on choisit ce procédé. Un moule monobloc n'a pas de plan de joint et ne nécessite pas de dépouille, et sa fine couche intérieure reproduit la surface du modèle presque exactement. Pour les pièces ferreuses, cela signifie des surfaces brutes de coulée et des tolérances qu'un moule en sable n'atteint pas, des parois descendant jusqu'à 1/16 po, et une usinage limité aux caractéristiques qui le nécessitent. Le compromis est une matrice en cire au lieu d'un modèle, une coquille construite couche par couche, et davantage de travail après coulée par pièce.
Comment fonctionne la coulée à la cire perdue
La coulée à la cire perdue fonctionne en injectant un modèle en cire, en soudant les modèles sur un arbre, en construisant une coquille céramique sur l'arbre couche par couche, en fondant et évacuant la cire, en cuisant la coquille, en la coulant à chaud, puis en brisant la coquille et en découpant les pièces coulées de l'arbre pour la finition. Le modèle en cire et la coquille monobloc sont tous deux détruits à chaque cycle, et toutes les autres différences par rapport à la coulée en sable en découlent.
Étape 1 : Injecter le modèle en cire
La cire est injectée dans une matrice métallique en deux parties, un modèle par pièce coulée, généralement avec son canal de coulée déjà attaché. La matrice est l'outillage du programme : elle fait le travail du modèle et des boîtes à noyaux dans un travail au sable, et c'est là que réside le coût d'outillage plus élevé de la coulée à la cire perdue. Pour les prototypes et les premières pièces, les modèles peuvent être imprimés par SLA ou SLS à la place, de sorte qu'une conception peut être validée avant la découpe de la matrice.
Étape 2 : Assembler l'arbre
Les modèles sont soudés à la cire sur une attaque de coulée centrale en cire pour former un grappe, ou arbre, qui est traité et coulé comme un seul moule. Les petits modèles de quincaillerie sont montés par dizaines ou centaines ; un grand modèle est installé et coulé seul. Dans une coquille chaude, l'attaque de coulée assure généralement aussi l'alimentation, de sorte que les masselottes séparées nécessaires à une coulée en sable sont moins courantes.
Étape 3 : Construire la coquille céramique
L'arbre est trempé dans une barbotine céramique, égoutté pour former un film uniforme, et saupoudré de grain réfractaire plus grossier encore humide ; chaque couche sèche avant que la suivante soit appliquée. La première couche est fine et devient la face du moule, reproduisant chaque détail du modèle ; les couches extérieures ajoutent la résistance pour contenir le métal.
Étape 4 : Décirage de la coquille
La coquille est placée dans un autoclave à vapeur, ou directement dans un four chaud, de sorte que la cire à la surface du modèle fonde et s'écoule avant que la masse du modèle ne puisse chauffer. La cire se dilate plusieurs fois plus que la céramique qui l'entoure ; chauffez la coquille lentement et le modèle la fissure de l'intérieur.
Étape 5 : Cuisson et préchauffage
La coquille vide est cuite à 1600 à 2000 °F pour brûler la cire résiduelle et fritter la céramique, et pour l'acier elle est coulée à partir de cette même plage de température.
Étape 6 : Coulée
La plupart des pièces coulées à la cire perdue sont coulées par gravité à partir d'un four à induction. La chaleur est vérifiée par spectromètre, comme pour une coulée au sable.
Étape 7 : Démoulage et découpe
Après solidification, la coquille est martelée, la céramique résiduelle est décapée par grenaillage des cavités, et chaque pièce coulée est découpée de l'arbre avec une meule abrasive et son embout de canal de coulée est meulé à ras. C'est ici que la structure de coûts diverge du sable : les opérations après coulée représentent généralement 40 à 60 pour cent du coût d'une pièce coulée à la cire perdue. Chaque pièce sur l'arbre est découpée, meulée, grenaillée et inspectée individuellement, de sorte que la forme quasi nette ne se traduit pas par une finition bon marché.
Étape 8 : Finition et inspection
Le traitement thermique suit la spécification du matériau, puis l'usinage est confiné aux caractéristiques dont la tolérance ne peut pas être maintenue brute de coulée — une face d'étanchéité, un alésage, un orifice fileté. L'inspection est par magnétoscopie pour les alliages ferreux, radiographie là où la spécification l'exige, et MMT pour les dimensions ; sur la fonte ductile, la nodularité est vérifiée sur le premier et le dernier arbre de chaque coulée.
Coulée à la cire perdue vs. coulée en sable
La coulée à la cire perdue achète la finition de surface, la tolérance et l'épaisseur de paroi qu'un moule en sable ne peut pas fournir ; la coulée en sable achète un coût d'outillage plus faible, un délai d'outillage plus court et aucune limite supérieure sur la taille des pièces.
| Caractéristique | Moulage à la cire perdue | Coulée en sable |
|---|---|---|
| Moule | Coquille céramique | Moule en sable |
| Modèle | Généralement en cire | Bois, métal, plastique, etc. |
| État de surface | Excellente | Plus rugueux |
| Précision dimensionnelle | Élevée | Moderate |
| Géométrie complexe | Excellente | Bonne |
| Parois minces | Plus facile à produire | Plus difficile |
| Coût d'outillage | Plus élevé | Plus faible |
| Processus de production | Plus complexe | Plus simple |
| Exigence d'usinage | Généralement plus faibles | Généralement plus élevées |
La finition de surface est la ligne sur laquelle la plupart des gens s'interrogent en premier, et le chiffre honnête est une bande de comparaison, pas un Ra. Les surfaces brutes de coulée sont jugées à l'œil et au toucher par rapport à un standard de micro-finition de coulée. Sur le comparateur C-9 que de nombreuses fonderies utilisent, les pièces coulées à la cire perdue se situent entre 60 et 200 RMS, le moulage en carapace entre 120 et 300, et le sable vert ferreux entre 560 et 900.
La précision dimensionnelle se sépare par au moins trois grades de tolérance. Les tables de tolérance de la SFSA pour les pièces coulées en acier placent la coulée à la cire perdue à CT 5–7 et la plupart des pièces moulées en sable à CT 10–12 ; sur une dimension de 100–160 mm, cela représente une tolérance totale de 0,62–1,2 mm contre 3,6–7 mm. Les deux sont des points de départ pour un accord avec la fonderie, pas des tolérances de dessin, et la capabilité varie encore d'une fonderie à l'autre et d'un travail à l'autre.
Le plan de joint explique une grande partie de la différence de tolérance. Un moule en sable ajoute environ ±0,030 po à toute dimension qui traverse le plan de joint ; une coquille n'a pas de plan de joint, donc cette pénalité n'existe pas.
Les parois minces viennent de la coquille chaude. La section minimale pour une pièce coulée en acier à la cire perdue est de 1/16 po (1,6 mm) contre 1/4 po (6,4 mm) en sable vert.
L'exigence d'usinage est plus faible, pas nulle. Les grades de surépaisseur d'usinage ISO 8062 vont de E pour la coulée à la cire perdue contre G–K pour le sable moulé à la main — sur une pièce coulée de 250–400 mm, 1,8 mm de matière contre 3,5–10 mm — mais toute caractéristique tolérée plus serrée que ce que le procédé maintient devrait encore porter de la matière et être finie par usinage.
L'outillage et les délais vont dans l'autre sens. Une matrice à cire coûte plus cher qu'un modèle en sable et prend plus de temps à fabriquer. Une fois la matrice réalisée, le délai de production est de quelques jours ou semaines ; le facteur limitant est l'outillage, et les petites séries paient des frais de mise en train et un prix majoré en plus.
Matériaux courants de la coulée à la cire perdue
Tous les types d'acier — au carbone, faiblement allié et inoxydable, y compris le 17-4 PH — et la fonte ductile sont les alliages ferreux couramment coulés à la cire perdue; la fonte grise et la fonte malléable ne le sont généralement pas, pour des raisons économiques. Tout alliage coulable peut passer par une coquille, y compris les nuances qui ne peuvent pas être forgées ou sont difficiles à usiner, donc la liste des alliages est déterminée par ce qui est rentable, et non par ce que le procédé peut supporter.
L'exclusion de la fonte grise surprend les acheteurs qui s'approvisionnent en sable. Les pièces pour lesquelles la fonte grise est choisie — contrepoids, volants d'inertie, bâtis de machines, carters — sont lourdes, desservies par CT 10–12, et peu coûteuses à mouler en sable ; une carapace ajouterait du coût sans rien apporter que ces pièces utilisent. Fonte ductile passe bien par la coulée à la cire perdue, coulé à l'air comme l'acier.
La spécification du matériau ne change pas avec le procédé. Un de l’acier au carbone corps de vanne selon ASTM A216 nuance WCB, ou un aciers inoxydables austénitiques body to A351, is the same grade whether it is sand cast or investment cast; what changes is the common-requirements specification that rides with it.
Investment castings for pressure-containing parts fall under ASTM A985/A985M in place of A703, and general industrial parts under A957/A957M in place of A781.
Nickel- and cobalt-base superalloys, titanium, aluminum, and copper alloys are investment cast as well, but they belong to a different kind of foundry.
Applications typiques
Investment casting fits ferrous parts from a few grams to more than 300 kg (660 lb) whose surfaces, tolerances, or wall sections would otherwise have to be machined into a sand casting or cut from bar: valve bodies and trim, pump impellers and small pump housings, hydraulic and pneumatic fittings and manifolds, oil-well tool components, and hand-tool and machine-tool parts. In heavy equipment, agriculture, construction, oil and gas, and materials handling, that is the small, feature-dense end of the casting bill of materials.
Any one of four conditions usually justifies the die:
- An as-cast surface that has to serve: flow passages, cam tracks, and sealing lands that in sand would be machined or left rough.
- Walls under 1/4 in: sections a sand mold cannot fill reliably, or fills only with metal the part does not need.
- Many machined features on a small part: when the machining on a sand casting costs more than the casting, a near-net investment casting takes most of it out.
- Quantity on a tree: small parts in the hundreds per pour, where the die amortizes quickly and per-part processing is what matters.
Conversions from other manufacturing routes are the other steady source of investment-casting work. Fabrications assembled from many pieces convert to single-piece castings at substantial savings, and so do parts hogged from bar stock. One caution: the cast grade is usually not the wrought grade and is generally not as strong, so a conversion carries a design check, not just a drawing change.
Pour les pièces lourdes, et pour toute pièce que les parois de CT 10–12 et 1/4 po desservent — contrepoids, volants d'inertie, gros carters de boîte de vitesses et de paliers — le moulage en sable coûte moins cher en outillage, est plus rapide jusqu'à la première pièce, et n'a pas de coquille à construire.