La coulée en sable est le processus de formation d'une cavité dans du sable aggloméré autour d'un modèle, de coulée de métal en fusion dans cette cavité, puis de bris du sable une fois le métal solidifié. Le moule n'est utilisé qu'une fois ; le modèle qui l'a façonné retourne sur l'étagère pour le suivant. C'est pourquoi ce procédé assure la majorité des pièces ferreuses moyennes à lourdes : l'outillage est un modèle plutôt qu'une matrice en acier, et la limite réfractaire du sable de 1650 à 1820 °C couvre la température de coulée de toutes les qualités de fonte et d'acier.
Comment fonctionne la coulée en sable
La coulée en sable se déroule en sept étapes : outillage, moulage, noyautage et fermeture, fusion, coulée, refroidissement et décochage, et enfin ébarbage, traitement thermique et inspection.
Étape 1 : Modèle et boîtes à noyaux
Le modèle est une réplique de la pièce, construite surdimensionnée et remodelée afin que le sable puisse être formé autour et qu'il puisse être retiré. Il comporte trois surépaisseurs que le dessin de la pièce ne montre pas : le retrait pour la contraction du métal lors du refroidissement, la dépouille de 1° à 2° sur les faces perpendiculaires au plan de joint pour que le modèle se libère, et la surépaisseur d'usinage sur chaque surface qui sera usinée. Les boîtes à noyaux sont construites en parallèle pour former les noyaux en sable des passages internes.
La surépaisseur de retrait est le chiffre de la fonderie, pas celui d'un manuel : ce dont un modèle a réellement besoin dépend du procédé de moulage et de la mesure dans laquelle le moule contraint chaque caractéristique. Envoyez le dessin de la pièce et laissez la fonderie appliquer les surépaisseurs pour le procédé qu'elle utilisera.
Étape 2 : Moulage du châssis supérieur et du châssis inférieur
Le sable est tassé autour de chaque moitié du modèle dans son propre châssis, puis le modèle est retiré, laissant la cavité répartie entre le châssis inférieur (moitié inférieure) et le châssis supérieur (moitié supérieure). Les chenaux et les attaques sont formés dans le plan de joint en même temps.
Étape 3 : Noyaux et fermeture du moule
Les noyaux sont placés dans le châssis inférieur pour former les trous, passages et contre-dépouilles, le châssis supérieur est abaissé dessus, et le moule assemblé est serré ou chargé contre la force de levage du métal. Chaque noyau repose dans une empreinte de noyau, le renfoncement laissé par le modèle. Une caractéristique formée entre un noyau et le moule porte l'erreur de positionnement des deux pièces, c'est pourquoi l'épaisseur de paroi autour d'un alésage noyauté est la dimension sur laquelle une fonderie veut le plus de marge.
Étape 4 : Fusion
La charge — ferraille d'acier, retours, fonte brute et ferroalliages — est fondue dans un four à induction, et la chimie du bain est vérifiée par spectromètre avant que la poche ne soit coulée. La fonte ductile est traitée au magnésium dans la poche à ce stade. Une chimie hors de la plage de la qualité est corrigée dans le four, pas acceptée dans la pièce coulée, et les chiffres de cette vérification sont ceux qui apparaissent sur le rapport d'essai des matériaux.
Étape 5 : Coulée
Le métal est coulé de la poche dans la descente de coulée à une température fixée par l'alliage. Trop froid, les sections minces présentent des manques ; trop chaud, le métal érode le sable, absorbe du gaz et se rétracte davantage. Le rôle du système de remplissage pendant la coulée est de remplir la cavité rapidement mais sans turbulence, afin qu'aucun air ou sable meuble ne soit incorporé dans le métal.
Étape 6 : Refroidissement et décochage
La pièce coulée reste dans le moule jusqu'à ce que sa section la plus épaisse soit solidifiée et que toute la pièce ait suffisamment refroidi pour être manipulée, puis le moule passe sur une grille vibrante qui secoue le sable. Le temps de refroidissement est proportionnel à l'épaisseur de la section, donc un contrepoids lourd reste dans le sable bien plus longtemps qu'une bride. Les sections en acier et en fonte ductile épaisses ne sont pas décochées tôt : les retirer chaudes invite à la fissuration et à la déformation.
Étape 7 : Ébarbage, traitement thermique et inspection
Les masselottes et les jets sont cassés ou coupés, les zones de contact sont meulées à ras, et la pièce coulée est grenaillée ; puis elle est traitée thermiquement si la qualité l'exige, usinée et inspectée par rapport au dessin et à la spécification. L'inspection signifie la chimie et les propriétés mécaniques sur le MTR, les dimensions sur la MMT, et les END là où le dessin l'exige.
Composants principaux d'un moule en sable
Un moule en sable est composé de deux moitiés — châssis supérieur et châssis inférieur — se rejoignant au plan de joint, de noyaux placés dans les empreintes de noyau pour les caractéristiques internes, d'un système de remplissage qui amène le métal, de masselottes qui alimentent le retrait, et de refroidisseurs et d'évents qui orientent le refroidissement du métal.
Le châssis inférieur est la moitié inférieure du moule, le châssis supérieur la moitié supérieure, et le plan où ils se rejoignent est le plan de joint. Les scories, le gaz et le sable meuble remontent à la surface du châssis supérieur, donc une surface de châssis supérieur qui sera usinée nécessite au moins 6 mm (0,25 po) de surépaisseur, tandis que les surfaces du châssis inférieur et les parois latérales s'en sortent avec moins. Placez les faces usinées critiques dans le châssis inférieur lorsque la géométrie le permet, et attendez-vous à ce que toute dimension traversant le plan de joint porte le désalignement entre les moitiés.
Un noyau est une forme en sable aggloméré qui crée un passage interne ou une contre-dépouille que le modèle ne pouvait pas libérer ; l'empreinte de noyau est l'extension qui le place dans le moule. Les noyaux sont placés à la main ou par gabarit, donc une paroi entre un noyau et la cavité est plus épaisse ou plus mince selon le déplacement du noyau. Un grand noyau maintient mieux sa position que plusieurs petits se rejoignant à l'intérieur de la pièce coulée.
Le système de remplissage — bassin de coulée, descente de coulée, chenaux et attaques — est le chemin du métal vers la cavité. Les attaques laissent des marques visibles là où elles sont retirées, alors indiquez à la fonderie quelles faces doivent rester intactes.
Une masselotte est un réservoir de métal qui se solidifie après la coulée et alimente la contraction lorsque la section qu'elle dessert se fige. L'emplacement des masselottes, la taille du col et la possibilité d'atteindre un bossage épais sont déterminés lors de la conception du système de coulée et de masselottage, vérifiés par simulation de solidification avant la réalisation du modèle. Une section épaisse isolée sans chemin vers une masselotte est la cause la plus courante de porosité de retrait dans les carters.
Les refroidisseurs sont des inserts métalliques dans la face du moule qui extraient la chaleur d'une section épaisse afin qu'elle se fige avant la masselotte ; les évents sont des canaux qui laissent la vapeur et le gaz du liant s'échapper devant le métal. Ni l'un ni l'autre n'apparaît sur votre dessin, mais un refroidisseur laisse une zone localement plus dure et à grain plus fin sur la pièce coulée, ce qui importe si cette face doit être percée.
Types de coulée en sable
Trois systèmes de sable couvrent presque toute la coulée en sable des métaux ferreux, distingués par ce qui maintient le sable ensemble : sable vert (argile et eau), sable no-bake ou sable résine (un liant chimique qui durcit à température ambiante), et moulage en carapace (sable enrobé de résine durci contre un modèle métallique chauffé). Le choix détermine le coût de l’outillage, la taille de pièce que le moule peut contenir, et l’ampleur des variations dimensionnelles à prévoir.
Le sable vert est du sable de silice lié avec de l’argile bentonite, de l’eau et une petite quantité d’additif carboné, tassé autour du modèle et coulé humide. C’est le sable le moins cher à fabriquer et à réutiliser et le plus rapide à mouler, donc il l’emporte sur les travaux en volume et sur les pièces plus petites. Sa limite est que le moule n’est aussi rigide que le tassage, donc les grandes pièces lourdes et les poches profondes bougent davantage.
Le sable no-bake est mélangé avec de la résine et un catalyseur, compacté autour du modèle, et laissé à durcir chimiquement pour que le moule soit rigide avant que le modèle ne soit retiré. Il maintient les grandes et lourdes pièces que le sable vert ne peut pas et supporte les poches profondes et les noyaux avec moins de dépouille. Il comporte une pénalité que le sable vert n’a pas : les dimensions qui traversent le plan de joint accumulent environ 1 mm (0,040 po) de variation 6σ supplémentaire, donc gardez les dimensions critiques d’un seul côté du plan de joint.
Le moulage en carapace forme une fine coquille de sable enrobé de résine sur un modèle métallique chauffé et assemble deux coquilles en un moule. Il offre les tolérances les plus serrées et la meilleure surface des procédés en sable, mais la coquille est fine et le modèle est métallique, donc il est limité aux petites pièces et aux séries qui amortissent l’outillage.
Le choix entre eux suit la taille et la tolérance. En dessous d’environ 50 lb, les trois sont dimensionnellement similaires ; au-dessus de 200 lb le no-bake maintient plus serré que le sable vert; la carapace est la plus serrée mais limitée en taille.
Prenez cet ordre — coquille la plus serrée, puis sans cuisson, puis sable vert — de manière approximative. Dans la SFSA, étude de plus de 140 000 caractéristiques sur des pièces en acier moulé de production à travers 15 fonderies, l’écart entre les procédés était plus faible que l’écart entre les fonderies utilisant le même procédé. Demandez à une fonderie ses propres données de capacité plutôt qu’un grade de tolérance déduit du nom du procédé.
Quels métaux peuvent être coulés en sable
Tout métal qui peut être fondu peut être coulé en sable, mais le procédé fait l’essentiel de son travail dans les alliages ferreux — fonte grise, fonte ductile, acier au carbone et acier inoxydable — parce que le sable résiste à leurs températures de coulée. L’aluminium, le laiton et le bronze sont également coulés en sable, à des températures bien plus basses ; ils sont en dehors de ce que nous coulons.
Le choix de la famille suit ce que la pièce doit supporter. Le graphite de la fonte grise est en flocons, chacun agissant comme une fissure, donc elle est faible en traction mais amortit les vibrations et s’usine facilement — contrepoids, volants et carters qui ne subissent pas de chocs. La fonte ductile porte le même graphite sous forme de nodules, ce qui lui donne une ductilité semblable à l’acier aux températures de coulée de la fonte et au coût de la fonte — corps de pompes et de vannes, carters de roulements et de boîtes de vitesses.
L’acier coule plus chaud, rétrécit davantage et nécessite des masselottes plus lourdes, donc le même carter coûte plus cher en acier. Il est choisi là où la soudabilité, la résistance aux chocs ou une cote pression-température l’exigent, et l’acier inoxydable là où la corrosion l’exige.
| Métal | Spécification ASTM | Nuances nommées dans la spécification | Température de coulée | Pièces typiques |
|---|---|---|---|---|
| Fonte grise | A48 | Classes selon la résistance minimale à la traction d’une barre d’essai coulée séparément | 1340–1480 °C | Contrepoids, volants d’inertie, carters de boîtes de vitesses |
| Fonte ductile | A536 | 60-40-18, 65-45-12, 80-55-06, 100-70-03, 120-90-02 | 1340–1480 °C | Corps de pompes et de vannes, carters de paliers, blocs hydrauliques |
| Acier au carbone | A27 (général), A216 (pièces sous pression, service à haute température) | 60-30, 65-35, 70-36, 70-40 ; WCA, WCB, WCC | 1565–1700 °C | Brides, pièces structurelles soudables, corps de vannes |
| Acier inoxydable | A351 (pièces sous pression), A743 (service général contre la corrosion) | CF3, CF8M | 1480–1600 °C | Corps de pompes et de vannes pour service contre la corrosion |
La fonte ductile selon A536 est désignée par trois nombres — résistance à la traction, limite d’élasticité et allongement — et deux des cinq nuances, 65-45-12 et 80-55-06, sont fournies à l’état brut de coulée, la condition la moins chère. L’acier au carbone se divise en A27 pour les pièces générales et A216, où WCB est la nuance courante, pour les pièces sous pression qui seront soudées.
Conclusion
Le moulage en sable comprend un modèle, un moule en sable en deux parties avec des noyaux, une coulée contrôlée, et une chaîne de nettoyage, de traitement thermique et d’inspection qui aboutit à une pièce certifiée selon une nuance ASTM. Ce que la fonderie attend de vous, c’est le dessin de la pièce avec le matériau spécifié par norme et nuance, les surfaces usinées et les tolérances importantes marquées, et le processus laissé ouvert sauf si la taille ou la tolérance l’impose. Demandez ensuite les données de capacité propres à cette fonderie ; le nom du processus seul ne garantit pas une tolérance.