Le retrait de la coulée métallique est le volume qu'une pièce coulée perd sur son trajet de la poche à la température ambiante, et il se présente en trois étapes qui sont compensées de deux manières totalement différentes : les étapes liquide et de solidification sont alimentées en métal par les masselottes, et l'étape solide est compensée en découpant le modèle en surdimension.
Le chiffre qui figure sur la commande du modèle est le deuxième type. C'est une valeur de départ, pas une propriété de l'alliage — la même nuance se contracte différemment selon la façon dont le moule et les noyaux la retiennent, et c'est pourquoi la première pièce, plutôt qu'un tableau, détermine ce que vos dimensions sont réellement.
Trois étapes du retrait de la coulée
Une pièce coulée se contracte en trois étapes — liquide, solidification et solide — et elles diffèrent d'un ordre de grandeur, de sorte que l'étape qu'un chiffre décrit importe plus que le chiffre. Pour l'acier moulé à bas carbone A216 WCB, la répartition est la suivante.
| Étape | Plage de température | Variation de volume |
|---|---|---|
| Liquide | coulée 1530 °C → liquidus 1495 °C | −0,4% |
| Solidification | liquidus 1495 °C → solidus 1430 °C | −3,6% |
| Solide | solidus 1430 °C → 25 °C ambiant | −6,0% |
Les trois sont des pourcentages volumiques, ce qui est là où la plupart des données de retrait publiées se trompent sur le chemin vers un atelier de modèles. La contraction solide de 6,0% n'est pas une tolérance de modèle de 6% ; sur une dimension linéaire, elle équivaut à 2,04%.
Retrait liquide
Le retrait liquide est la contraction du bain entre la température de coulée et le liquidus, et c'est la seule étape qui ne vous coûte rien. Dans l'acier, il reste en dessous de 1% et est alimenté par les masselottes tant que tout est encore liquide.
Retrait de solidification
Le retrait de solidification est le volume perdu lorsque le métal change d'état, et c'est l'étape qui produit des défauts plutôt qu'une erreur dimensionnelle — c'est le volume que les masselottes existent pour remplacer. Dans l'acier moulé, il va de 3,16% pour le fer pur jusqu'à environ 5% dans les aciers à bas carbone, augmentant avec la teneur en carbone à mesure que la température du solidus diminue.
La fonte ne suit pas l'acier ici. Le graphite occupe plus de volume en tant que précipité qu'il n'en occupe dissous dans le bain, de sorte que le changement net peut être positif : une série de mesures du Bureau of Standards sur de la fonte grise a trouvé une expansion de 1,65% à travers la solidification, tandis qu'une fonte à bas carbone et bas silicium dans la même série s'est contractée de 5,85%.
Le carbone agit donc dans des directions opposées dans les deux familles — le carbone dissous dans l'acier approfondit la contraction de solidification, le graphite précipité dans la fonte la compense. La fonte ductile se situe entre les deux : l'expansion du graphite annule une partie de la contraction mais pas la totalité, de sorte que les pièces coulées ont encore besoin d'être alimentées à moins que la rigidité du moule, la température de coulée et la précipitation du graphite ne soient délibérément équilibrées les unes contre les autres.
Retrait à l'état solide
Le retrait à l'état solide est l'étape que le modèle compense : la contraction depuis le solidus jusqu'à la température ambiante, et la seule étape qui se manifeste par une dimension hors tolérance. Mesurée sur des barres de fonte coulées en sable, la contraction linéaire allait de 0,67% à 2,08%, variant inversement avec la teneur en silicium et en carbone et avec la taille de la section — une section épaisse se contracte moins qu'une section mince dans la même fonte.
C'est aussi l'étape où un chiffre calculé cesse d'être fiable. Le métal est rarement libre de se contracter : les noyaux, les parois du moule et la géométrie propre de la pièce coulée le retiennent, et lorsque la contrainte résultante dépasse la résistance du métal, la pièce coulée se déforme au lieu de se contracter. La pièce peut sortir plus grande que prévu, pas plus petite.
Formule du retrait de coulée
Le modèle est découpé en surdimension de la tolérance de retrait linéaire S :
Dimension du modèle = dimension de la pièce coulée × (1 + S)
S est une fraction linéaire, donc une tolérance de 2,08% entre comme 0,0208. Les ateliers de modèles l'expriment comme une règle de retrait en pouces par pied à la place ; divisez par 12 pour convertir.
Les données de contraction publiées, en revanche, sont généralement une variation de volume, et une variation de volume n'est jamais une tolérance. Prenez d'abord la racine cubique :
Linéaire ≈ 1 − (1 − volumétrique)^(1/3)
Une contraction solide volumétrique de 6,0% devient 2,04% linéaire. Entrer le 6% directement met près de trois fois la tolérance dans l'outillage, ce qui est une façon coûteuse de découvrir la différence.
Une fois la première pièce existante, la tolérance cesse d'être une estimation. Mesurez les mêmes caractéristiques sur le modèle et sur la pièce coulée :
Retrait réel = (dimension du modèle − dimension de la pièce coulée) ÷ dimension de la pièce coulée
Appliquez-le caractéristique par caractéristique plutôt qu'une fois pour la pièce. Une longue dimension non retenue et une dimension entre deux bossages noyautés ne donneront pas la même valeur, et la différence entre elles est la correction du modèle.
Tolérances de retrait de coulée typiques
Les tolérances publiées de modeleur pour l'acier moulé vont de 7/32 à 5/16 pouce par pied — 1,82% à 2,60% — et l'extrémité sur laquelle vous tombez est décidée par la nuance, pas par le fait qu'il s'agit d'acier.
| Nuance | Type | Tolérance (po/pi) | Linéaire |
|---|---|---|---|
| HC (UNS S92605, 26–30 Cr ferritique) | résistant à la chaleur | 7/32 | 1.82% |
| HA (9Cr-1Mo, coulé A217 C12) | résistant à la chaleur | 1/4 | 2.08% |
| CA15 (UNS J91150, 12 Cr martensitique) | résistant à la corrosion | 1/4 | 2.08% |
| CE30 (UNS J93423, austénitique) | résistant à la corrosion | 5/16 | 2.60% |
| CF3 (UNS J92500, austénitique type 304L) | résistant à la corrosion | 5/16 | 2.60% |
Les nuances austénitiques nécessitent environ 43% de tolérance supplémentaire par rapport aux HC ferritiques. Le simple fait de conserver un numéro de moule lors d'une conversion en inox suffit à lui seul à rendre une longue face usinée hors cote.
Ces valeurs par nuance ne sont publiées que pour la série fortement alliée. Pour l'acier au carbone ordinaire et l'acier faiblement allié, de la fonte ductile et la fonte grise, il n'existe aucune tolérance publiée équivalente, et les tables de retrait qui circulent pour ces matériaux ne sont pas traçables à une mesure — utilisez plutôt les données de contraction comme référence : 2,04% linéaire pour l'acier moulé à bas carbone, et 0,67% à 2,08% pour les fontes coulées en sable selon la composition et la section.
Considérez chacune de ces valeurs comme une valeur de départ. Les recommandations de la SFSA destinées aux concepteurs de pièces moulées, émanant de l'organisme qui publie les tolérances par nuance, qualifie la variabilité du retrait du modeleur de “ considération de conception très importante ” et recommande une pièce de première article pour établir les dimensions réelles avant la production. Corriger l'outillage de moulage par une ou plusieurs étapes de rétro-ingénierie est une pratique normale d'outillage, et non une défaillance de la fonderie.
Quelles sont les causes des défauts de retrait ?
Un défaut de retrait est une contraction de solidification qui n'avait aucun chemin de métal liquide à sa disposition au moment où elle s'est produite. Le dernier métal à se solidifier dans une section tire sur tout le liquide qu'il peut atteindre ; lorsque le masselotte est déjà solide ou trop éloignée, le volume manquant subsiste sous forme de cavité ou de porosité répartie dans le réseau dendritique.
La cause la plus courante est une masselotte qui ne peut pas fournir suffisamment. Seuls 15% à 30% du volume d'une masselotte constituent du métal d'alimentation utilisable — le reste se solidifie sur place — de sorte qu'une masselotte qui semble généreuse sur le plan de coulée peut encore se vider avant que la pièce ne soit solide.
La deuxième est une masselotte qui se solidifie trop tôt. Son temps de solidification doit dépasser celui de la section qu'elle alimente, conventionnellement par un rapport de module de 1,2, et même à 1,2 la santé métallurgique n'est pas garantie, car l'alimentation interdendritique échoue selon ses propres termes une fois que le réseau dendritique se ferme. Sans aucune alimentation efficace, une section en acier peut contenir jusqu'à 7% de porosité.
La troisième est la géométrie, et celle-là relève du dessin plutôt que de la fonderie. Les expansions soudaines du volume de section et les jonctions massives créent des points chauds qui se solidifient en dernier et de manière isolée, et aucune disposition de masselottes ne sauve entièrement une pièce qui se solidifie loin de ses alimentations.
La déchirure à chaud est une défaillance distincte : c'est une contrainte d'origine thermique qui déchire un métal encore fragile, un problème de contrainte mécanique plutôt qu'un problème d'alimentation.
Comment réduire les défauts de retrait des pièces moulées
L'essentiel de ce qui réduit la porosité de retrait est décidé avant le devis de la fonderie — sur le dessin de la pièce, et dans l'alliage et le procédé de moulage que vous spécifiez. Supprimer les changements brusques de section et effiler les sections vers les masselottes permet à la pièce de se solidifier progressivement vers le métal encore liquide, ce qui élimine les points chauds d'emblée au lieu de les alimenter.
Tout ce qui suit relève de la distance d'alimentation : à quelle distance d'une masselotte une section reste saine. Ce n'est pas une propriété du métal seul. Par rapport à un cas de base en acier AISI 1025 dans un moule furanique sans cuisson coulé avec une surchauffe de 60 °C (140 °F), la simulation de plaques et de barres en acier situe les leviers aux valeurs suivantes.
| Changement par rapport au cas de base | Distance d'alimentation |
|---|---|
| Sable vert au lieu du furanique sans cuisson | × 1.09 |
| Sable de zircon | × 0.96 |
| Sable de chromite | × 0.88 |
| Surchauffe portée à 120 °C | × 1.12 |
| Surchauffe abaissée à 30 °C | × 0.94 |
| AISI 4340 au lieu d'AISI 1025 | × 0.86 |
| Refroidisseur d'extrémité ajouté | × 1.19 |
Un refroidisseur et un sable refroidissant sont des leviers opposés, ce qui surprend la plupart des gens. Un refroidisseur placé contre une section allonge la distance d'alimentation par effet d'extrémité, mais remplacer tout le moule par un milieu à haute conductivité tel que la chromite la raccourcit, et le sable vert — le moins conducteur des quatre — alimente plus loin que le sans cuisson.
La surchauffe se comporte de la même manière contre-intuitive. Elle ajoute de la contraction liquide, mais alimente plus loin, car la contraction liquide est l'étape peu coûteuse à alimenter et c'est le gradient thermique qui décide réellement jusqu'où la masselotte porte.
La teneur en alliage coûte plus cher que la plupart des ingénieurs ne l'imaginent. L'AISI 4340 alimente 14% plus court que le 1025 dans des conditions identiques, tandis que les autres nuances faiblement alliées courantes se situent à moins de 5% de l'acier au carbone ordinaire. Faire passer un carter du 1025 au 4340 pour la résistance n'est pas un changement direct : la disposition des masselottes qui produisait des pièces saines auparavant doit être retravaillée, et c'est une question légitime à poser à la fonderie au stade du devis.
Le retrait selon les différents procédés de moulage
Le procédé ne change pas l'ampleur de la contraction de l'alliage — il change la répétabilité avec laquelle cette contraction peut être prédite et maîtrisée, ce qui vous parvient sous la forme du grade de tolérance que vous pouvez spécifier.
| Condition du procédé | Grade de tolérance, longue série de production |
|---|---|
| Moulage en sable, grandes pièces, tous procédés possibles | CT 12–14 |
| Moulage en sable, la plupart des types de pièces et procédés | CT 10–12 |
| Moulage en sable, dans les limites de capacité mais pas pour tous les types de pièces | CT 8–10 |
| Moulage à la cire perdue | CT 5–7 |
Ces grades supposent une longue série de production, où le modèle a été corrigé par rapport à de vraies pièces. Une série courte est environ un grade plus lâche.
Parmi les procédés en sable, le classement dépend de la taille de la pièce. En dessous de 50 lbs, le sable vert est comparable aux autres ; au-dessus de 200 lbs, le sans cuisson tient généralement des tolérances plus serrées que le sable vert ; le moulage en carapace tient les tolérances les plus serrées de tous les procédés en sable mais est limité par la taille de pièce qu'il peut produire. Pour les pièces moyennes à grandes, cela place le sans cuisson en tête sur le plan dimensionnel, et le moulage à la cire perdue atteint CT 5–7 lorsque la tolérance justifie l'outillage.
Quel que soit le procédé, le surépaisseur d’usinage absorbe ce que la tolérance de retrait manque.