L’opération de poteyage en fonderie sous pression

En fonderie sous pression, le poteyage doit assurer plusieurs fonctions primaires (agent refroidisseur, lubrifiant, agent de démoulage, protection du moule contre le métal liquide), mais doit aussi posséder certaines qualités ou propriétés d’usage qui rendent son utilisation aisée pour le fondeur. Dans cet article, nous faisons le point sur cette partie importante du cycle de production.

Le poteyage, agent refroidisseur complémentaire du refroidissement interne

Modèle de refroidissement de moule par le poteyage.

Modèle de refroidissement de moule par le poteyage à partir d un plan d’expériences (montage expérimental mono-buse).

En fonderie sous pression, pour atteindre une stabilité thermique régulière compatible avec des cadences de production élevées, les moules métalliques nécessitent d’être refroidis de manière interne (circuit d’eau) ou externe (poteyage). Il est clair que l’évacuation de calories par des canaux de refroidissement internes doit être recherchée de manière privilégiée, car ce mode de refroidissement a l’avantage de ne solliciter que très peu en fatigue thermique les couches superficielles du moule et de limiter la consommation d’eau. Cependant, le refroidissement interne est bien souvent insuffisant (pièce massive, canaux de refroidissement difficiles à positionner et éloignés de la surface, petites broches ou zones de moule peu accessibles par des canaux). Les calories sont également évacuées par le refroidissement externe naturel par convection/rayonnement, mais l’action de ce moyen est très faible (sauf à très hautes températures 400 – 500 °C). Le poteyage reste donc, à ce jour, et en particulier en production automatisée, le mode de refroidissement le plus efficace et de permet de moduler de manière souple la thermique du moule.

Refroidissement moule - bloc moteur AlSi9Cu3.

Refroidissement moule – bloc moteur AlSi9Cu3 – poids pièce 14 kg – machine 2000 t, comparatif production manuelle et automatisée.

Le poteyage est donc dans la plupart des cas, et en particulier pour les pièces massives en alliage d’aluminium, l’élément indispensable au bon refroidissement du moule, mais ce rôle provient davantage de l’eau de dilution que du produit de poteyage proprement dit. L’action refroidissante du poteyage tire en effet une grande partie de son efficacité de la vaporisation de l’eau. Afin d’améliorer ce processus, les poteyages contiennent des tensio-actifs, éléments toujours présents dans la composition des produits, qui permettent au liquide de mieux s’étaler sur la surface du moule et de se vaporiser ainsi plus complètement. Il est à noter qu’en fabrication automatisée, 50 à 80 % des calories est évacué par le poteyage, le reste étant évacué par les circuits de refroidissement internes et par rayonnement/convection.

Poteyage de partie mobile de moule - manifold et buses de pulvérisation.

Poteyage de partie mobile de moule – manifold et buses de pulvérisation.

Pour que le refroidissement ait un maximum d’efficacité, les gouttes d’eau doivent tout d’abord entrer en contact avec le moule, y rester et s’évaporer. La dynamique du refroidissement par pulvérisation sur des surfaces à hautes températures obéit à des lois complexes et est fonction de nombreux paramètres. On peut néanmoins distinguer 3 modes de refroidissement différents (convection, évaporation et caléfaction) qui dépendent avant tout de la température du moule.

Température en surface de moule lors du poteyage.

Température en surface de moule lors du poteyage (0,5 mm et 3 mm sous la surface).

En « mode convection », le moule est trop froid et les gouttelettes de poteyage coulent sur le moule sans s’évaporer. Le refroidissement s’effectue alors uniquement par convection forcée et est dès lors très faible. Ensuite, en « mode évaporation », lorsque la température du moule en surface est dans une plage de température adéquat – qui permet aux gouttelettes de rester sur le moule et de s’évaporer – le refroidissement est alors maximum car on tire alors partie de la chaleur latente de vaporisation de l’eau. Puis, lorsque le moule est trop chaud, en « mode caléfaction » , il se forme une couche de vapeur en surface qui empêche les gouttelettes d’atteindre la surface et d’y rester et le refroidissement est très faible. La température en dessous de laquelle les gouttes s’accrochent sur le moule est appelée température d’accrochage ou de mouillage ou encore « point Leidenfrost ».

Le poteyage, agent lubrifiant pendant le remplissage

L’autre action, toute aussi importante, est le rôle de lubrifiant que rempli le poteyage tout au long de la phase de remplissage de l’empreinte. En effet, le film de quelques microns déposé en surface du moule diminue le coefficient de frottement du moule et facilite ainsi le passage du métal liquide à vitesse élevée. Cette phase de lubrification, encore appelée « lubrification hydrodynamique » – lubrification à vitesse élevée et sous faible charge – est en générale très courte (quelques dizaines de millisecondes) car elle se termine aussitôt que le métal se fige dans l’empreinte. Dans le cas de la pastille, des canaux d’alimentation et des attaques où une grande quantité de métal passe et dans le cas de pièces épaisses où le métal se fige moins vite, cette phase de lubrification hydrodynamique peut devenir plus importante.

Le poteyage, agent démoulant pendant l’éjection de la grappe

Une fois le remplissage de l’empreinte terminé, commence la phase de « lubrification hydrostatique », c’est à dire une lubrification à vitesse très faible, mais sous charge élevée. Le poteyage doit en premier lieu résister aux forces de compression (50 à 100 MPa ou davantage) qui résultent de la surpression de 3ème phase. Puis, le poteyage joue un rôle d’agent de démoulage lors de la phase d’éjection. En effet, en s’interposant entre le moule et la pièce, le film de poteyage, de par ses qualités lubrifiantes (faible coefficient de frottement), facilite l’extraction de la pièce. Si la quantité de poteyage est insuffisante ou si le film a été arraché par endroits lors de la phase de remplissage, il y a des risques d’accrochage et de « collage » (appelée aussi quelquefois étamage) à l’éjection.

Le poteyage, agent de protection physico-chimique du moule

Enfin, le poteyage est une barrière physique qui empêche le métal liquide (alliage d’aluminium de zinc ou de magnésium) d’attaquer la surface du moule ou du moins limite très fortement cette attaque. L’aluminium liquide en particulier est en effet très agressif vis à vis de l’acier, ce qui nécessite d’avoir un troisième corps qui s’interpose entre le moule et le métal pour empêcher la diffusion progressive de l’aluminium dans l’acier du moule et la formation de composés intermétalliques Fe3Al, FeAl,Fe2Al5 et FeAl3. De plus, le poteyage, ayant une conductivité thermique et une diffusivité beaucoup plus faible que celle de l’acier du moule (X38CrMoV5), ralentit les échanges thermiques moule-métal, ce qui est indispensable pendant la phase de remplissage pour maintenir le métal en phase liquide le plus longtemps possible et garantir ainsi la qualité de la pièce.

Les différentes qualités d’un poteyage

Outre les fonctions primaires qu’il assure, le poteyage, pour pouvoir être utilisé au jour le jour en production sans problèmes majeurs, doit posséder certaines propriétés ou facilités d’usage particulières. Le poteyage ne doit pas corroder des éléments de la machine ou le moule, ce qui entraînerait un coût de maintenance des machines très pénalisant. Le coût du poteyage par pièce produite doit donc être maintenu dans des limites acceptables. A noter cependant que si le prix du poteyage (€ /litre) doit être pris en compte, ce n’est cependant qu’un élément du coût global qui englobe la quantité de produit pulvérisé par cycle  (n’est-elle pas surabondante ?), les arrêts machine liés au collage (zones de moule ou le poteyage n’a pas été appliqué), …, la facilité de recycler le produit usé. Les poteyages ne doivent pas non plus créer de dépôts solides, ni encrasser les buses de pulvérisation ou les circuits et installations de la fonderie. Les produits de poteyage doivent ensuite être aisés à stocker (durée de conservation, stabilité de l’émulsion, comportement au gel, facilité de dilution, …) et ne pas présenter d’effets incommodants pour les conducteurs de presses (odeur, allergies, …). Le produit doit être, soit biodégradable en partie, soit pouvoir être recyclé facilement et à un coût réduit. Enfin, le poteyage ne doit pas avoir d’impact négatif (traces, porosité, …) sur la qualité des pièces produites.

La composition des produits de poteyage

Cinétique de décomposition de trois produits de poteyage sur moule chaud en fonction du ratio silicone/cire.

La composition chimique des poteyages évolue encore fortement pour s’adapter à des exigences de qualité et de productivité sans cesse accrues, mais aussi sous la pression de préoccupations environnementales. Si les poteyages graphités ont été utilisés jusque dans les années 1970, ils présentaient de nombreux inconvénients (encrassement, dépôts, problèmes environnemantaux et de conditions de travail). On leur préfère aujourd’hui des poteyages miscibles à l’eau et sans pigments qui se composent essentiellement de substances organiques et synthétiques qui sont décomposées et craquées lors du contact avec l’aluminium. Les produits de poteyage sont composés de nombreux corps que l’on peut regrouper en 2 catégories;  les éléments de bases et les additifs.

Produits de poteyage (source CONDAT).

Produits de poteyage (source CONDAT).

Les éléments de base que sont les huiles minérales ou de synthèse, les cires ou les silicones, donnent aux produits de poteyage leurs propriétés indispensables de lubrifiant à températures élevées. Les huiles minérales ou végétales, de poids moléculaire élevé,  basent leur action sur la production de carbone et de suies, agents lubrifiants. Les huiles ou hydrocarbures de synthèse, plus récentes, sont des produits d’origine pétrochimique. Ils sont le plus souvent à base de glycols ou d’éthers de glycols et de polymères de type Polyoléfine tels que le  polyéthylène (PE), polypropylène (PP) ou le  polyisobutylène (PIB). On peut citer les polyéthylène-glycols (CH2 = CH2), les polypropylène-glycols ou encore les polyisobutylènes. Ces huiles de synthèse sont stables thermiquement jusqu’à 250 – 350°C. Elles présentent de plus l’avantage de pouvoir être fabriquées sur mesure afin d’obtenir des propriétés chimiques et physiques spécifiques, ce qui n’est pas possible avec les huiles minérales, dont les caractéristiques résultent de la composition. Par rapport aux huiles minérales, les huiles synthétiques ne provoquent ni fumées, ni résidus à base de carbone. Par contre, elles sont d’un coût supérieur.

Les cires paraffiniques de pétrole, de très haut poids moléculaire, sont plastiques à température ordinaire. Ces cires aident au démoulage. Par contre, elles ont l’inconvénient d’être responsables potentiellement de l’encrassement des installations et du bouchage des buses de pulvérisation. Les silicones sont caractérisés par des liaisons silicium-carbone et silicium-oxygène d’où ils tirent leurs noms (contraction de « silicon-kétones »). Les nombreuses liaisons Si-O confèrent aux silicones utilisés dans les poteyages (siloxanes et organosiloxanes) une remarquable inertie chimique avec les matières organiques (fluides, graisses, …), peu d’affinité avec l’aluminium liquide et une excellente résistance à l’oxydation et à l’hydrolyse. Les silicones sont non toxiques et possède une bonne tenue aux agents atmosphériques, aux radiations, moisissures et bactéries. Leur caractéristique principale est leur stabilité thermique exceptionnelle qui leur permette d’être utilisé sans modification de propriétés jusqu’à 250 °C à 320 °C. Utilisés seuls, les silicones ont l’inconvénient d’être cher et de créer des dépôts durs de polymères siliconés. Par contre, en association avec des huiles ou des cires, les silicones forment un film séparateur qui a une bonne stabilité thermique. Sur les pièces de fonderie, les poteyages à base de silicone peuvent conduire à un dépôt qui oblige dans certains cas à procéder à un grenaillage ou un nettoyage préalable en cas de peinture.

Poteyage -plan d'expérience sur montage d'essai (CTIF).

Poteyage -plan d’expérience sur montage d’essai (CTIF) et importance relative des différents paramètres sur la quantité de chaleur évacuée.

Outre les éléments de base, les produits de poteyage sont constitués de nombreux additifs – agents tensioactifs, bactéricides, produit anticorrosion, … – qui leur confèrent des propriétés particulières. Les agents mouillants sont des produits du type tensio-actifs qui améliorent la capacité du produit à s’étendre sur le moule. Ils sont à base de composés d’acides gras et favorisent la formation et la cohésion d’un film à la surface du moule, même à des températures élevées. Les émulsifiants, quant-à-eux, favorisent la formation et la conservation de l’émulsion. Ils sont à base de sulfonates, esters d’acides gras ou d’alcools. Les stabilisants évitent la floculation et l’agglomération des particules fines dans les cuves. Les bactéricides, appelés aussi biocides, protègent les poteyages contre les micro-organismes, ou du moins retardent et limitent la prolifération bactérienne, responsable de la dégradation rapide des propriétés du poteyage. Les bactéricides sont quelquefois directement mélangés au produit de base par le fournisseur. Le plus souvent, c’est au fondeur de les rajouter au moment de la dilution ou au niveau de la centrale de poteyage, soit en action préventive et systématique (2, 3 fois/an ou plus si nécessaire), soit en curatif. Ces bactéricides sont à base de fongicides, de dérivés de triazine, d’isothiazolone ou d’imidazoline.

Mise en œuvre du poteyage

La mise en œuvre du poteyage recouvre l’ensemble des pratiques et dispositifs qui permettent l’application du produit sur le moule : le type de distribution du produit aux machines (individuel ou centralisé), le mode de dosage (par cuve ou pompe doseuse), le mode d’application (manuelle ou automatisée), la méthode de pulvérisation ou les différentes étapes du cycle de poteyage.

Poteyage individualisé par machine ou centralisé

Manifold de poteyage avec grand nombre de buses

Manifold de poteyage avec grand nombre de buses.

Il existe ainsi deux principaux types de distribution du poteyage en fonderie sous pression : la distribution individuelle et la distribution centralisée. Dans la distribution individuelle, chaque machine est alimentée individuellement en poteyage par une cuve de produit qui jouxte la machine à couler sous pression. C’est historiquement la pratique la plus ancienne. Elle présente des avantages – produit bien adapté à chaque pièce et chaque gamme de température de moule, pas d’impact d’un développement de bactéries sur le reste de la production, … – mais a également des limites (tendance est à multiplier le nombre de produits de poteyage, suivi qualité sur chaque machine plus lourd).

Chaque machine possède donc sa cuve, ou réservoir de produit qui peut comporter un système de surveillance du niveau, un dispositif de mélange automatique, une mise sous pression du réservoir tout entier ou une pompe de mise en pression du produit de poteyage. On peut utiliser également une distribution par pompe doseuse dans laquelle le produit concentré n’est mélangé qu’au dernier moment à l’eau à la concentration voulue (réglable entre 0.2 et 4%), qui peut être ajustée finement lors du démarrage d’une nouvelle fabrication. La consommation du produit de poteyage est alors quasi-instantanée, supprimant ainsi pratiquement tout risque de dégradation dans le temps et de développement de bactéries. La pompe doseuse, relativement récente dans le domaine de la fonderie sous pression, permettrait d’augmenter la qualité et la régularité du produit pulvérisé de manière importante. La distribution individuelle par machine est bien adaptée à des fonderies ayant des fabrications diversifiées qui exigent un produit adapté à chaque famille de pièces.

A contrario, la distribution centralisée en produit de poteyage est assurée depuis une centrale unique qui répartit le même produit déjà dilué à toute une ligne de presses à injecter par l’intermédiaire d’un réseau de canalisations. Il n’y a alors qu’un seul produit pour toute la fonderie qui peut être ainsi suivi et contrôlé plus aisément et peut être acquis à un tarif plus avantageux (effet volume). La gestion centralisée a des contraintes (coût d’installation de la centrale et du réseau de distribution non négligeable, contamination bactérienne à l’ensemble de la production possible nécessitant des lavages réguliers des circuits et canalisations de distributions, produit non adapté à des moules trop chauds ou trop froids, …). Du coup, la distribution centralisée est davantage adaptée aux fonderies qui réalisent des mono-produits.

Application manuelle ou automatisée

Robot de poteyage positionné au dessous de la machine.

Robot de poteyage positionné au dessous de la machine à couler sous pression avec manifold de poteyage.

Deux modes d’applications des produits de poteyage sont pratiqués, l’application manuelle et l’application automatisée. L’application manuelle du produit de poteyage, bien que présentant bon nombres d’inconvénients, reste utilisée encore couramment sur des petites machines, pour des petites séries ou dans certains pays à plus faible coût de main d’oeuvre. Cependant, elle implique impérativement un opérateur par machine. De plus, la qualité et la régularité de l’application est fonction de l’habileté de l’opérateur et enfin le temps de cycle machine est plus long qu’en poteyage automatisée et ceci d’autant plus que le poids de la grappe est important. L’application automatisée du poteyage, souvent appelée « poteyage automatique », est généralisée dans la plupart des pays industrialisés. Il est bien évident que l’unité de pulvérisation automatique n’a d’intérêt qu’au sein d’un chantier de production lui même automatisée (louche automatique, bras robot d’extraction de la grappe).

Banc d'essais de pulvérisation du poteyage.

Banc d’essais de pulvérisation du poteyage et mesure de la température par thermocouples insérés.

Dans la technique de « poteyage automatique », on distingue cependant des variantes ; les systèmes dits « fixes » et les unités de pulvérisation mobiles. Le système le plus simple de poteyage automatisé est la pulvérisation à partir de buses fixées sur les plateaux de la machine. Ce système très peu coûteux (en coût initial et en entretien), présente l’avantage de ne pas augmenter le temps de cycle et est assez fiable (peu de déréglage possible). La pulvérisation à partir de buses fixées sur la machine, opérationnelle pour des petites pièces et des empreintes peu profondes, ne peut plus être appliquée lorsqu’il est nécessaire de poteyer des zones difficiles d’accès. De plus, le réglage manuel de la position et de la direction des buses risque de manquer de reproductibilité en cas de changement fréquent de fabrication. Ce système est très peu utilisé.

Dans la très grande majorité des cas, lorsque le poteyage est automatisé, on utilise une unité de pulvérisation mobile dans laquelle l’unité de poteyage (dit manifold), pilotée par un bras manipulateur, peut se déplacer et se rapprocher des zones nécessitant une pulvérisation soutenue. Sur un chantier de moulage automatisée, l’unité de pulvérisation peut être implanté soit latéralement, soit au-dessus de la machine, selon la place disponible ou d’autres exigences techniques. Le poteyage par unité de pulvérisation mobile présente l’avantage de la reproductibilité d’une fabrication à l’autre, par contre il nécessite une maintenance des installations et peut en cas de dysfonctionnement du bras robot devenir une cause d’arrêt machine importante.

Influence d'un arrêt sur la quantité de chaleur évacuée par le poteyage.

Influence d’un arrêt de manifold (par va et vient) sur la quantité de chaleur évacuée par le poteyage.

La programmation du mouvement du bras manipulateur (ou robot) permet d’envisager plusieurs techniques : la pulvérisation « fixe » où l’unité de poteyage se positionne à la position adéquate et n’en bouge plus pendant toute la phase de pulvérisation. Les buses sont plus nombreuses qu’en pulvérisation mobile et surtout doivent être orientées convenablement pour refroidir toutes les parties de l’empreinte. A l’inverse, en pulvérisation « mobile », la pulvérisation du produit s’effectue avec un mouvement de va et vient du bras manipulateur. Cette technique aurait l’avantage d’évacuer davantage de calories du moule et d’assurer un refroidissement homogène et plus régulier du moule, même lorsque certaines buses sont bouchées. Ces techniques – pulvérisation fixe et pulvérisation mobile – sont toutes deux utilisées en fonderie sous pression.

La gamme de poteyage (poteyage et soufflage)

Manifold de poteyage avec buses de pulvérisation et buses de soufflage.

Manifold de poteyage avec buses de pulvérisation et buses de soufflage.

Le cycle de poteyage se décompose en général en plusieurs phases; un refroidissement préalable à l’eau (optionnel), le poteyage proprement dit et le soufflage final. Sur les moules très chauds (aluminium, grosses machines), il peut être en effet avantageux dans une première phase d’effectuer un refroidissement du moule uniquement avec de l’eau. Cette technique, très peu utilisée, et bien que nécessitant un cycle et des installations plus complexes (circuit d’eau indépendant), permet d’économiser du produit de poteyage. La phase de poteyage proprement dite permet de refroidir le moule et de déposer un film lubrifiant et protecteur en surface d’empreinte. C’est la seule phase véritablement obligatoire dans le cycle de poteyage. La plupart du temps, après la phase de poteyage, de l’humidité résiduelle reste dans certaines zones de d’empreinte. L’aluminium liquide ou l’alliage de zinc injecté provoquerait alors une quantité très importante de dégagement gazeux et des risques de défauts de type soufflures ou piqures. Il est donc indispensable, pour des problèmes de qualité de pièces, de procéder à un soufflage afin d’éliminer toute trace d’eau en surface de moule, et ce d’autant plus que la quantité de produit pulvérisée est importante. Le soufflage permet également d’éliminer des bavures d’aluminium de l’injection précédente et restées sur l’empreinte.

Les paramètres majeurs de l’opération de poteyage

Cartographie infrarouge de moule - avant poteyage.

Cartographie infrarouge de moule – avant poteyage.

La phase de poteyage dépend d’un certain nombre de paramètres qu’il est important de connaitre pour les mettre sous contrôle et les maîtriser. Les paramètres qui ont une importance non négligeable sont au nombre d’une dizaine environ : la température du moule, le débit de poteyage, la durée de pulvérisation, la nature du produit de poteyage, la concentration du produit, la distance de pulvérisation, la pression d’air et de produit, l’angle de pulvérisation et le programme de poteyage (mouvements de va-et-vient et position des buses)

La température du moule est sans conteste, et toutes les études réalisées sur le sujet le confirment, le principal paramètre qui contrôle l’efficacité du produit aussi bien dans son rôle d’agent refroidisseur que comme agent lubrifiant. La température du moule constitue – avec la durée de pulvérisation et le débit de poteyage – l’un des trois facteurs qui impactent le plus le refroidissement du moule.

La température du moule n’est pas simple à appréhender car elle est difficile à mesurer hormis par une cartographie infra-rouge à chaque cycle (lourde et complexe), elle est loin d’être homogène partout dans l’empreinte (points chauds) et enfin elle varie constamment au cours d’un cycle. Il faudra donc en premier lieu choisir la nature du poteyage en fonction de la température du moule. Il est clair qu’il existe pour chaque produit de poteyage une zone de température de moule pour laquelle le refroidissement du moule est maximal.

Efficacité thermique de deux produits de poteyage.

Efficacité thermique de deux produits de poteyage (comparée à de l’eau) fonction de la température de moule.

En comparant divers poteyages entre eux, on s’aperçoit de plusieurs choses : les poteyages sont plus efficaces que de l’eau – sauf à très faible température 100-150 °C- du fait de la présence de certains composants en particulier des tensioactifs, la largeur de la plage d’efficacité thermique maximale est différente d’un poteyage à l’autre et fonction des éléments constitutifs du produit (cire, silicone, huiles de synthèse, …) et de leur proportion respective et enfin certains produits sont plus refroidissant que d’autres et conservent leur efficacité à plus haute température. La température du moule interagit en outre très nettement avec la durée de pulvérisation et le débit de produit. Ce qui signifie en particulier que sur moule trop chaud, on peut obtenir un refroidissement correct en augmentant la durée de pulvérisation ou le débit de produit.

Les poteyages du futur

Si le présent article traitait des pratiques courantes en fonderie, les poteyages continuent encore d’évoluer de nos jours aussi bien dans leurs formulations chimiques que dans leurs techniques d’applications sous la pression de contraintes de qualité (moins de porosité), économique (temps de cycle réduit et augmentation de la durée de vie des outillages) ou environnementales (moins d’eau à recycler). On parle ainsi depuis quelques années de poteyage sec (ou sans eau). Mais c’est une autre histoire qui fera l’objet d’un autre article à paraître dans quelques temps sur ce blog.

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