EVISTO, un concept de pièce mince en moulage coquille

Pièce mince en moulage coquille par une conception innovante d outillage.

Pièce mince en moulage coquille par une conception innovante d outillage.

Depuis plusieurs années, et afin d’alléger les ensembles mécaniques, les concepteurs de pièces et les fondeurs ont la volonté de concevoir et de réaliser des pièces intégrant des parois les plus minces possibles. Pour parvenir à cet objectif, différentes solutions ont été développées en moulage coquille par gravité sans pour autant être généralisées ni éprouvées. En effet, sans modifier les conditions de coulée des pièces à parois minces, les fondeurs s’exposent à une solidification rapide des zones minces et à des risques de malvenues. Le concept Evisto, qui utilise une lame d’air proche de la surface moulante, permet de lever ces verrous techniques.

Qu’est-ce que le concept Evisto ?

Le moulage coquille par gravité permet de produire des séries importantes de pièces d’épaisseurs minimales proches de trois millimètres. Dans l’optique de produire des pièces beaucoup plus fines, de l’ordre du millimètre, CTIF a développé le concept Evisto. Ce dernier consiste à créer une lame d’air proche de la surface moulante afin de conserver la chaleur (les calories apportées par les pièces coulées) en surface de moule et de faciliter ainsi le bon remplissage de zones minces.

Un régime thermique stationnaire de l’outillage

Profil de température au sein d'un outillage métallique.
Profil de température au sein d’un outillage métallique.

De manière générale, l’objectif des fondeurs est d’éviter les malvenues au cours du remplissage. Cela nécessite un régime thermique stationnaire de l’outillage pour garantir une bonne répétition des températures lors des coulées successives et une capacité thermique suffisante pour limiter l’impact de variations des conditions de coulée (temps de cycle, température de l’outillage, température de l’alliage de coulée, …, vitesse d’écoulement du métal). Un régime thermique stationnaire se caractérise par des températures stationnaires sur la face extérieure de l’outillage. Cette stabilité est atteinte pour une épaisseur de paroi comprise entre quatre et six fois l’épaisseur de la pièce et par des amplitudes de température de plus en plus importantes proches de l’empreinte pièce.

Choix de l’isolant thermique

Conductivité thermique à 300°C.
Conductivité thermique à 300°C.

L’isolation thermique d’une paroi de moule se matérialise par des échanges thermiques réduits. La propriété thermique qui caractérise au mieux cette notion est la résistance thermique qui dépend principalement de la conductivité thermique de la paroi isolante. Dans le cas du moulage coquille gravité, la paroi de référence est celle des empreintes constituées généralement en acier GX35CrMoV5. Le tableau ci-dessus présente la conductivité thermique pour l’acier, pour des céramiques techniques employées pour calorifuger en fonderie et pour l’air. L’air a été retenu car il offre une efficacité thermique très performante (700 fois moins conducteur qu’un acier et 6 à 42 fois moins conducteur qu’une céramique technique) pour une mise en œuvre bon marché.

Quelle épaisseur de lame d’air retenir ?

Temps de solidification fonction de l'épaisseur de la lame d'air.
Temps de solidification fonction de l’épaisseur de la lame d’air.

Un précédent projet mené à CTIF sur le calorifugeage des masselottes a mis en évidence l’impact d’une isolation thermique avec un évidement d’air sur le temps de solidification d’une masselotte coulée en alliage d’aluminium. Pour une masselotte d’épaisseur 25 mm, l’épaisseur de l’évidement d’air a une influence sur la résistance thermique jusqu’à 8 mm puis l’effet se stabilise au-delà. La figure ci-dessus illustre cette évolution avec une tendance asymptotique au-delà de 8 mm pour l’épaisseur d’air. Par similitude, l’épaisseur de l’évidement d’air a été prise proche de 10 mm.

Application expérimentale sur une plaque

Face arrière de l'empreinte pièce.
Face arrière de l’empreinte pièce.

Dans un premier temps, le concept Evisto a été appliqué à une plaque de dimensions 130 x 200 mm et d’épaisseur 1 mm. La géométrie de la pièce expérimentale a été voulue volontairement simple pour faciliter sa venue lors du remplissage et ce, malgré une épaisseur très faible. L’outillage a été conçu pour produire une grappe de coulée constituée d’une seule pièce remplie en source. Aucun système d’éjection n’a été prévu en raison de la simplicité de la pièce et de son épaisseur très faible. Les empreintes ont été réalisées en acier GX38CrMoV5 et les carcasses en acier type G40CrMnMo8. Pour garantir un régime thermique stationnaire de l’outillage, l’empreinte a été réalisée quatre fois plus épaisse que la pièce, soit 4 mm, et isolée thermiquement avec un évidement d’air d’épaisseur minimale de 11 mm. La figure ci-dessus illustre la face arrière de l’empreinte de la pièce.

Les paramètres de production de la plaque

Grappe de la pièce mince
Grappe de la pièce mince

Le mode opératoire des essais menés à CTIF a conduit aux paramètres suivants : une montée en température de l’outillage à 400°C à l’aide d’un brûleur gaz à flammes indirectes, la coulée d’une dizaine de pièces pour obtenir un régime thermique de l’outillage proche de 390 ± 4 °C avec une prise de température à 4 mm de l’empreinte pièce , un temps de remplissage moyen de la grappe de 1 seconde, un temps de maintien de la grappe dans l’outillage de 35 secondes et enfin un temps de cycle moyen de 75 secondes. Plusieurs fusions ont été menées à la fonderie de CTIF pour évaluer la faisabilité de couler la plaque d’un millimètre d’épaisseur en moulage coquille gravité. L’alliage coulé a été un AlSi7Mg0,6 affiné avec 0,15 % de Ti et modifié avec 100 ppm de Sr. Deux températures se sont révélées importantes au cours des coulées : la température du moule de 390 °C (standard coquille) et la température de l’alliage de coulée de 715 ± 5 °C, soit 100 °C au-dessus du liquidus. Dans ces conditions de coulée, la température extérieure de l’outillage s’est stabilisée à 240 °C dès la dixième pièce. Cette stabilisation caractérise un régime thermique stationnaire de l’outillage et un équilibre thermique entre la quantité de chaleur apportée par l’alliage d’aluminium liquide à chaque coulée et la quantité de chaleur échangée avec l’air ambiant et la coquilleuse. On remarquera que ces températures du moule et de l’alliage coulé sont inférieures à celles rencontrées généralement en fonderie pour couler des pièces d’épaisseurs supérieures à 5 mm.

Analyse des plaques coulées

Densité et taux de porosité calculé.
Densité et taux de porosité calculé.

Les plaques coulées ont ensuite été caractérisées par des analyses de laboratoire : mesure de la densité et du taux de porosité, radiographies aux rayons X, caractérisation mécanique (Rm, Rp0,2, allongement et calcul de l’indice de qualité), dureté Brinell et analyse de la microstructure (mesure de la finesse dendritique). Les mesures de densité et de porosité ont été réalisées sur 68 plaques coulées. Un taux de porosité moyen calculé de 0,27 % est très satisfaisant et se situe en dessous des valeurs généralement rencontrées en fonderie coquille gravité (environ 0,5 %) et ce malgré l’absence d’un système de masselottage.

Classe d'indication de la plaque mince.
Classe d’indication de la plaque mince.

Les examens radiographiques aux rayons X (selon la norme NF EN 12681 – clichés types de référence ASTM E 155) révèlent principalement des retassures cavité et des retassures spongieuses. On peut voir que 54 % des plaques présentent des remarques de classe maximale 2. Ce taux passe à 71 % pour des remarques de classe maximale 3. Ce niveau de qualité est bon pour des pièces non masselottées d’épaisseur très faible.

Les caractéristiques mécaniques

Caractéristiques mécaniques de la plaque mince -avec et sans traitement thermique T6.
Caractéristiques mécaniques de la plaque mince -avec et sans traitement thermique T6.

Les plaques ont été caractérisées à partir d’éprouvettes de dissection plates prélevées dans des zones sans défaut de retassures. Pour respecter la norme sur le tracé des éprouvettes de traction NF EN 10002-1, les dimensions maximales des éprouvettes ont été 200 x 20 mm pour une section centrale de 12,5 x 1 mm. Par ailleurs, l’influence d’un traitement thermique a été étudiée en testant deux lots : 1er lot sur 18 éprouvettes ayant subi un traitement thermique T6 (mise en solution : 4 heures à 540 °C, trempe à l’eau froide en moins de 5 secondes et revenu de 8 heures à 160 °C) et un deuxième lot de 21 éprouvettes sans traitement thermique.

Caractéristiques mécaniques sur éprouvettes coulées à part (extrait de la norme EN 1706).
Caractéristiques mécaniques sur éprouvettes coulées à part (extrait de la norme EN 1706).

Les caractéristiques mécaniques obtenues avec les plaques traitées respectent la norme NF EN 1706 mais sont dans une fourchette basse des valeurs généralement rencontrées en fonderie coquille gravité pour des épaisseurs de pièces supérieures. En effet, l’impact d’un défaut d’une taille donnée est beaucoup plus important dans une pièce de faible épaisseur que dans une pièce plus épaisse. Dans ces conditions, il est cohérent d’obtenir des caractéristiques mécaniques globalement plus faibles sur des pièces ultra-minces.

Pour des éprouvettes prélevées dans des pièces moulées, un abattement de 30 % est accepté pour la résistance à la traction et la limite conventionnelle d’élasticité et un abattement de 50 % pour l’allongement. Cependant, le diamètre minimal des éprouvettes doit être de 4 mm, ce qui est impossible dans le cas de la plaque d’épaisseur 1 mm.

Dureté Brinell sur plaques minces.
Dureté Brinell sur plaques minces.

Des mesures de dureté Brinell ont été réalisées sur cinq plaques ayant subi ou non un traitement thermique T6. La charge appliquée a été de 187,5 kg avec une bille de 2,5 mm de diamètre. Le tableau ci-dessus indique les duretés obtenues sur cinq plaques de chaque lot. Le traitement thermique T6 permet d’accroître de 45 % les duretés des plaques coulées pour atteindre des niveaux importants de l’ordre de 100 HB.

Investigation structurale

Micrographie sur coupe de la plaque mince de 1 mm.
Micrographie sur coupe de la plaque mince de 1 mm.

Des investigations structurales ont été réalisées pour évaluer les finesses dendritiques des pièces. La figure ci-contre montre une coupe micrographique d’une plaque ayant subi un traitement thermique T6. Les finesses dendritiques mettent en évidence les vitesses de refroidissement des pièces coulées. Plus une pièce est refroidie rapidement, plus sa structure est fine conduisant généralement à des caractéristiques mécaniques plus élevées. La finesse dendritique a été évaluée par le biais du DAS (Dendrite Arm Spacing) qui correspond à la distance entre deux bras de dendrites consécutifs.

Le DAS moyen relevé sur les éprouvettes est de 12 μm et correspond aux valeurs généralement rencontrées en fonderie sous-pression. En fonderie coquille gravité, les valeurs oscillent généralement entre 25 et 50 μm pour des épaisseurs de pièces plus élevées (entre 5 et 10 mm). Ce faible DAS caractérise des vitesses de refroidissement élevées favorables à l’obtention de bonnes propriétés mécaniques.

Application industrielle : un dossier automobile

Plan du siège en aluminium pièce mince.
Plan du siège en aluminium pièce mince.

La société Grupo Antolin a proposé un dossier de siège automobile de son catalogue en prenant comme critère la possibilité de réduire la masse de la pièce, la possibilité d’intégrer le maximum de fonctions sur une seule pièce (structure dossier, guide appui tête, …) et enfin la possibilité de couler un alliage présentant des caractéristiques mécaniques intéressantes et un coût limité (alternative au dossier en magnésium). La figure ci-dessus présente le plan du dossier où l’épaisseur principale est de 1,2 mm.

Conception de l’outillage

L’outillage a été conçu pour produire une grappe de coulée constituée d’un seul dossier et remplie en source. Les empreintes du dossier ont été réalisées en acier GX38CrMoV5 et les carcasses en acier type G40CrMnMo8. Pour garantir un régime thermique stationnaire de l’outillage, de nouveau l’empreinte a été réalisée quatre fois plus épaisse que la pièce, soit 4,8 mm, et isolée thermiquement avec un évidement d’air d’épaisseur minimale de 10 mm.

Simulation numérique du remplissage de la grappe de coulée

Evolution du remplissage - simulation numérique dossier de siège.
Evolution du remplissage – simulation numérique dossier de siège.

Le système de remplissage de la grappe de coulée a été validé par des simulations numériques réalisées avec le logiciel QuikCast. Les simulations numériques ont permis d’optimiser les conditions de coulée : température de l’alliage de coulée Al Si7Mg de 790 °C, température de l’outillage de 375 °C., poteyage réfractaire d’épaisseur 80 μm sur l’empreinte pièce, poteyage réfractaire d’épaisseur 400 μm sur l’empreinte du système de remplissage. La figure ci-contre présente le remplissage de la grappe de coulée qui dure deux secondes.

La température du front de métal décroît rapidement pour se stabiliser à une température comprise entre le liquidus et le solidus dès le remplissage à mi-hauteur de l’empreinte. La seconde partie du remplissage de l’empreinte progresse avec un front de métal pâteux qui n’empêche pas sa progression. Les empreintes ont été réalisées en acier X38CrMoV5 traité à 45 HRC et les carcasses en acier type G40CrMnMo8. L’outillage a fait l’objet de plusieurs aménagements, dont une isolation thermique performante au dos des empreintes et des joints de dilatation importants entre les empreintes et les carcasses pour pallier les fortes différences de température.

Mode opératoire des fusions

Préchauffage de l'outillage - dossier de siège aluminium.
Préchauffage de l’outillage – dossier de siège aluminium.

Le mode opératoire des essais a été le suivant : préchauffage de l’outillage à une température comprise entre 350 et 485 °C à l’aide d’un brûleur gaz positionné au plan de joint (figure ci-contre), température de l’empreinte stabilisée entre 375 et 400 °C au cours des coulées, temps de remplissage moyen de la grappe de 2,5 secondes, temps de maintien de la grappe dans l’outillage de 50 secondes, temps de cycle moyen de 170 secondes. Plusieurs fusions ont été menées à la plateforme de fonderie de CTIF et sur les moyens industriels d’AB Fonderie pour réaliser les dossiers automobiles ultraminces en moulage coquille gravité.

L’alliage coulé a été un Al Si7Mg affiné avec du titane et modifié avec du strontium. Le bain a été constitué de 50 % de lingots de deuxième fusion et de 50 % de retour et dégazé et désoxydé avec un rotor. Pour assurer la bonne venue des dossiers, deux températures se sont révélées de nouveau importantes : la température du moule de 375 à 400 °C et la température de l’alliage de coulée de 785 °C (170 °C de surchauffe par rapport au liquidus). Le suivi du régime thermique de l’outillage a été réalisé à l’aide de trois thermocouples situés à 5 mm de l’empreinte au niveau du centre géométrique et aux tiers supérieur et inférieur du dossier.

Analyse des dossiers coulés

Une analyse approfondie des dossiers automobiles coulés a été réalisée et a porté sur la santé interne en réalisant des radiographies aux rayons X, la caractérisation mécanique (Rm, Rp0,2 et l’allongement), la dureté Brinell et l’analyse de la microstructure. La masse de la grappe de coulée est de 2,9 kg pour une masse du dossier de 1,4 kg, soit une mise au mille de 2,1. 45 ébauches d’éprouvettes (220 x 30 mm) ont été prélevées sur les dossiers selon la figure ci-dessous.

Eprouvettes prélevées de 30 x 220 mm dans les dossiers de sièges.
Eprouvettes prélevées de 30 x 220 mm dans les dossiers de sièges.

A partir de ces ébauches, des éprouvettes de traction ont été usinées selon la norme NF EN 10002-1 avec des dimensions maximales d’éprouvettes de 200 x 20 mm pour une section centrale de 12,5 x 1 mm. Deux lots d’éprouvettes ont été établis : un 1er lot sur 33 éprouvettes ayant subi un traitement thermique T6 (mise en solution : 4 heures à 540 °C, trempe eau froide en moins de 5 secondes et revenu de 8 heures à 160 °C) et un 2ème lot sur 12 éprouvettes n’ayant pas subi de traitement thermique.

Vue d'un lot d'essai de dossiers ébavurées
Vue d’un lot d’essai de dossiers non ébavurées

Examen radiographique

Examen radiographique des dossiers automobiles.
Examen radiographique des dossiers automobiles.

Des examens radiographiques aux rayons X ont été réalisés sur les ébauches avant la réalisation du traitement thermique. Les remarques ont été classées selon la norme NF EN 12681 à l’aide des clichés type de la norme ASTM E 2422 (version numérique de l’ASTM E 155). Les remarques internes (défauts internes) détectées ont été principalement des piqûres et des soufflures. La figure ci-dessus indique que toutes les ébauches présentent des remarques de classe maximale 2. Par ailleurs, deux dossiers ont été radiographiés dans leur ensemble et des inclusions de classe 6 ont été observées proches de l’attaque de coulée. L’écoulement turbulent provoqué par le profil accidenté de la pièce est certainement à l’origine de ces remarques.

Caractérisation mécanique des pièces

Caractéristiques mécaniques éprouvettes prélevées dans les dossiers.
Caractéristiques mécaniques éprouvettes prélevées dans les dossiers.

Le tableau ci-contre présente les moyennes et les écarts types des caractéristiques mécaniques. Les caractéristiques mécaniques obtenues sur les éprouvettes traitées thermiquement sont globalement supérieures aux valeurs indiquées dans la norme en vigueur NF EN 1706 de mai 2010. Les allongements sont particulièrement faibles certainement dus à un taux de fer important (0,22 % comparé à 0,12 % pour des lingots de 1ère fusion) et au fait que l’épaisseur des éprouvettes n’est pas constante ce qui a tendance à entraîner une localisation rapide de la déformation. La présence de porosités et parfois de peaux d’oxydes peut expliquer également les faibles allongements. Les forts écarts types sont dus aux prélèvements des éprouvettes dans deux lots de fusions distinctes donc de qualité métallurgique quelque peu différente. Pour les éprouvettes brutes de fonderie, les contraintes sont faibles et l’écrouissage est relativement important. Un allongement moyen de 1,8 % paraît faible. Pour les éprouvettes traitées thermiquement, les contraintes sont plus élevées, l’écrouissage est faible et l’allongement apparaît plus important.

Dureté Brinell des dossiers de siège.
Dureté Brinell des dossiers de siège.

Le tableau ci-contre présente les moyennes des duretés Brinell obtenues sur les parties coupées des ébauches des éprouvettes. Cela a concerné six ébauches pour le lot 1 et trois ébauches pour le lot 2. Cinq mesures ont été réalisées par échantillon. La charge appliquée a été de 187,5 kg avec une bille de 2,5 mm de diamètre. Les duretés sont supérieures à celles imposées par la norme EN 1706. Les duretés des éprouvettes traitées thermiquement sont naturellement plus fortes (+ 35 %) que celles des éprouvettes brutes de coulée. Il semble donc que les résultats des essais de dureté sont globalement conformes aux résultats des essais de traction.

Investigation structurale

Micrographie éprouvette brute de fonderie.
Micrographie éprouvette brute de fonderie.

Des échantillons d’éprouvettes découpés ont été utilisés pour la caractérisation microstructurale. Ils ont été enrobés à plat (plan de l’éprouvette) et sur chant (dans l’épaisseur) et polis au papier abrasif puis à la silice colloïdale. Aucune attaque n’a été réalisée. La figure ci-dessus montre la microstructure ; la phase primaire riche en aluminium apparaît dendritique équiaxe et elle est entourée du mélange eutectique qui est très fin. Aucune différence n’a été observée entre les deux plans d’observation. Quelques porosités sont présentes, surtout visibles dans l’épaisseur. Après traitement thermique, la phase Si a globulisé et quelle que soit l’éprouvette, la même microstructure a été observée. Des mesures du DAS ont été réalisées dans le plan (20 μm) et dans l’épaisseur (19 μm) des éprouvettes des essais mécaniques. Ces valeurs sont la moyenne d’une quarantaine de mesures obtenues sur des bras secondaires. De nouveau, ces faibles DAS caractérisent des vitesses de refroidissement élevées.

Des pièces minces avec une conception innovante d’outillage

La mise en place d’une isolation thermique performante au sein d’un outillage de moulage coquille gravité a permis de produire des pièces en alliage d’aluminium (Al Si7Mg0,6) d’épaisseurs très faibles, de l’ordre du millimètre. Avec un coût de mise en œuvre limité, l’isolation thermique avec une paroi d’air offre une efficacité thermique performante. Pour garantir une production de pièces dans de bonnes conditions, l’outillage doit également intégrer des joints de dilatation entre les empreintes et les carcasses pour pallier les différences de température. Cette conception innovante des outillages a permis de produire des plaques d’épaisseur 1 mm sur une étendue de 130 par 200 mm et des dossiers automobiles d’épaisseur 1,2 mm sur une étendue de 390 par 576 mm. Les propriétés mécaniques des pièces ainsi coulées ont respecté la norme EN 1706 relative aux pièces moulées en alliages d’aluminium.

Remerciements à nos partenaires Grupo Antolin Loire et AB Fonderie.

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