Le squeeze casting des alliages d’aluminium

Squeeze casting aluminium

Squeeze casting aluminium.

Les deux principaux procédés de fonderie en moule métallique (le moulage coquille et la fonderie sous pression) ont chacun des limitations. De ce point de vue, le squeeze casting offre des avantages intéressants pour les pièces en aluminium de forte épaisseur. Plus développé en Asie qu’en Europe, le squeeze casting, inventé dans les années 60, reste encore un procédé assez mal connu des donneurs d’ordre. Nous nous sommes efforcés dans cet article d’en expliquer le principe et l’intérêt technique.

Pièces en squeeze casting indirect vertical.
Pièces en squeeze casting indirect vertical.

Les limitations des procédés traditionnels

Le moulage coquille ne permet pas de réaliser des pièces near-net-shape (avec une forte précision dimensionnelle)  mais conduit à de très bonnes caractéristiques mécaniques (après traitement thermique si nécessaire). A contrario, la fonderie sous pression amène une très bonne précision dimensionnelle mais avec en revanche un niveau de qualité en dessous de celui obtenu en moulage coquille (et pas de traitement thermique possible). Le squeeze casting, quant-à-lui, permet de conjuguer l’avantage des 2 procédés : précision dimensionnelle et caractéristiques mécaniques. Il est cependant limité à des pièces de forte épaisseur (vitesse de remplissage réduite).

Deux procédés de squeeze casting bien différents

Il existe deux procédés dits de squeeze casting assez différents : le squeeze casting direct et le squeeze casting indirect. Si le principe général de ces procédés reste assez proche, le type de machine (ou de moule) et le mode d’application de la pression diffèrent par contre notablement.

Principe du squeeze casting direct

Principe du squeeze casting direct.
Principe du squeeze casting direct.

Le principe du squeeze casting direct (Direct Squeeze Casting) est relativement simple. Une matrice inférieure est tout d’abord remplie d’aluminium liquide (par une louche de coulée). Puis l’on vient presser l’aluminium liquide par un poinçon supérieur qui permet de faire épouser au métal, et à faible vitesse, la forme de l’empreinte et donc la forme de pièce souhaitée. Une très forte pression (> 150 MPa) est ensuite appliquée pendant toute la phase de solidification. La pièce est enfin éjectée via la matrice inférieure.

Les avantages et limitations du squeeze casting direct

Machine 800 tonnes squeeze casting direct.
Machine 800 tonnes squeeze casting direct.

Le squeeze casting direct présente de nombreux avantages. Tout d’abord, la mise au mille – ratio entre la masse de la grappe et la masse des pièces – est minimale grâce à l’absence de tout système d’alimentation et de masselottes. Le parachèvement (élimination des appendices de coulée) est de ce fait quasi-inexistant. La précision dimensionnelle est très bonne (near-net-shape). Le remplissage de la matrice supérieure est très lent, ce qui limite au minimum les entrainements d’air et les défauts ultérieurs de porosité inclus et la très forte pression appliquée pendant toute la solidification et sur une très grande surface de pièce permet d’éliminer les retassures. Les alliages transformés (AlSi7Mg), les très faibles défauts internes et une microstructure plus fine (très bonne conduction moule/métal liée à la pression) permettent in fine de réaliser des traitements thermiques et d’atteindre de très bonnes propriétés mécaniques.

Par contre, le procédé nécessite de doser avec une grande précision le métal versé dans la matrice inférieure, faute d’avoir une forte variation d’épaisseur de pièce qui nécessitera un usinage ultérieur. De plus, le nombre de fournisseurs maitrisant le squeeze casting direct est beaucoup plus réduit qu’avec les procédés de fonderie traditionnels et le support technique sur le process est relativement limité.

Le Forgeage liquide

En France, Renault a longtemps exploité le procédé de squeeze casting direct sous la dénomination de forgeage liquide. Les premiers travaux ont démarrés en 1985 pour une production industrielle à partir de 1993 avec en particulier, la coiffe support moteur de la Safrane qui a été produite en AlSi10Mg par ce procédé (presse verticale de 480 tonnes). Par rapport à la même pièce, de géométrie quasiment identique, réalisée en acier forgé, les gains étaient de 60 % sur le poids (730 g contre 1800 g en forgé) et de 25 % sur le coût de la pièce finale (réduction de l’usinage), malgré le surcoût matière de l’aluminium. Les caractéristiques mécaniques (A = 7 %, Rm = 340 MPa et Rp 0.2 = 270 MPa) et la précision dimensionnelle (de 0.05 mm sur une dent et de 0.1 mm cumulés sur la longueur de 12 dents) permettaient à la pièce de satisfaire le cahier des charges. Une autre pièce a été ensuite en fabrication avec une géométrie un peu plus complexe. Le forgeage liquide permettait de positionner des tiroirs latéraux (broches métalliques démoulables). La production en forgeage liquide a été arrêtée dans les années 2000.

Principe du squeeze casting indirect

Horizontal vertical squeeze casting - principe conteneur basculant.
Horizontal vertical squeeze casting – principe conteneur basculant.

Le squeeze casting indirect (Indirect Squeeze Casting) est dérivé de la fonderie sous pression. Mais il en diffère par plusieurs points. En effet, en squeeze casting indirect, le métal est injecté à faible vitesse (0,5 m/s) et on applique une très forte pression dans le moule (100 à 150 MPa) pendant la solidification. L’attaque de coulée, très épaisse (5 à 10 mm) permet d’appliquer la pression pendant une très longue durée et limite les défauts internes. L’attaque est ensuite éliminée par sciage. Ce procédé utilise majoritairement une injection verticale (avec un conteneur basculant), ce qui permet d’évacuer l’air du conteneur machine de manière plus complète que l’injection horizontale (quelquefois également utilisé en squeeze casting) mais également d’éviter les pré-solidifications dans le conteneur. Il y aurait environ 300 machines de production de squeeze casting indirect, majoritairement verticales, principalement en Asie (Japon, …).

Les alliages utilisés en squeeze casting indirect

Les alliages couramment utilisés en squeeze casting indirect sont l’AlSi7Mg0.3 ou l’AlSi10Mg (avec un traitement thermique T6 ou T7) pour les pièces à hautes caractéristiques mécaniques, une utilisation jusqu’à 150°C et une bonne tenue à la corrosion. L’hyper-silicié AlSi17Cu4Mg est utilisé pour la résistance au frottement et la tenue à plus haute température. Enfin, l’AlSi9Cu3 (ou l’AlSi11Cu2) est utilisé pour les pièces ne nécessitant pas de ductilité.

Les différentes technologies de squeeze casting indirect

Les technologies de squeeze casting indirect.
Les technologies de squeeze casting indirect.

Il existe trois technologies de squeeze casting indirect (tableau ci-dessus) en fonction de la direction d’injection (horizontal/vertical) et de la direction de fermeture de moule (horizontal/vertical). A noter que le squeeze casting horizontal peut se pratiquer sur une machine d’injection traditionnelle haut de gamme permettant d’avoir une faible vitesse d’injection et de fortes pressions. Il est cependant moins pertinent techniquement que le squeeze casting vertical indirect.

Les avantages et limitations du squeeze casting indirect

Par rapport au squeeze casting direct, le squeeze casting indirect conduit à une moins bonne transmission de la pression de multiplication car celle-ci ne s’applique pas directement sur toute la pièce, mais via le piston d’injection et les canaux d’alimentation. Par rapport à la fonderie sous pression, le squeeze casting indirect est plus pointu techniquement. Il nécessite en effet une désoxydation et un dégazage du bain, une solidification dirigée (décroissance des sections depuis la pastille puis l’attaque et la pièce), un poteyage graphité ou un poteyage blanc spécifique, une machine spéciale dérivée de la fonderie sous pression et une thermorégulation du moule optimisée. Le squeeze casting indirect est réservé à la fabrication de pièces relativement massives. Les parois inférieures à 4 mm d’épaisseur sont très délicates à réaliser ainsi que des parties moulante évidées (broche) de diamètre inférieur à 8 mm. Enfin, des squeeze pins additionnels sont quelquefois utilisés localement pour densifier la matière en zones très massives éloignées des attaques de coulée.

Les pièces multi-empreintes en squeeze casting indirect

SQI en multi-empreintes.
SQI en multi-empreintes.

Pour les petites pièces, il est indispensable, pour avoir une rentabilité économique, de réaliser une production avec un moule multi-empreintes (2, 4 ou 6 pièces). De ce point de vue, le squeeze casting indirect vertical offre de nombreux avantages. En effet, les empreintes peuvent être réparties de manière uniforme et homogène autour de la pastille et les longueurs de canaux étant plus courts, la pression peut être plus facilement appliquée pendant la solidification. Le squeeze casting direct en multi-empreinte est plus complexe à maitriser, sans être impossible cependant.

Les propriétés mécaniques

Les caractéristiques mécaniques (Rm et allongement) des pièces en squeeze casting indirect sont plus élevées que celles atteignables en moulage coquille. Il est généralement admis également que le squeeze casting apporte un gain en tenue en fatigue (limite d’endurance) en moyenne supérieur de 15 % par rapport au moulage en coquille. Un comparatif entre le moulage sable, le moulage coquille et le squeeze casting pour l’AlSi7Mg0.6 montre des meilleurs performances en tenue statique (Rm et A% et indice de qualité) entre le sable et la coquille et un gain encore important entre le moulage coquille et le squeeze casting indirect.

Procédé
(alliage AlSi7Mg0,6)
RmA %Q (indice de qualité)
Moulage sable226 MPa1,6 % 257
Moulage coquille
313 MPa6,9 %439
Squeeze casting Ind.347 MPa9,3 %492

Elaboration de CMM par squeeze casting

Piston Toyota avec fibres courtes SiC infiltrées par l'aluminium.
Piston Toyota avec fibres courtes SiC infiltrées par l’aluminium.

Les CMM (Composites à Matrices Métalliques) peuvent être avantageusement réalisés par squeeze casting direct ou indirect. Pour cela, une préforme en céramique est disposée dans le moule et l’aluminium vient ensuite infiltrer la préforme afin d’obtenir un CMM. Les très fortes pressions utilisés en squeeze casting permettent d’infiltrer efficacement la préforme.

Le Metal compression forming

Sur la base d’un procédé de fonderie sous pression, le Metal Compression Forming consiste, une fois la pièce injectée à appliquer, via une empreinte mobile à appliquer une forte pression sur toute la surface de l’empreinte via une zone d’empreinte mobile. Thompson Aluminium Castings Company (USA) a obtenu un contrat de Delphi Chassis System pour la fabrication de 400.000 supports moteurs (pour GM).

Les gains économiques

Comparatif économique
(AlSi7Mg0,6)
Roue automobile
(basse pression)
Cylindre de frein
(moulage coquille)
Gain obtenu avec le
Squeeze casting indirect
21 %10 %

Par rapport à d’autres procédés de moulage en moule métallique, le squeeze casting indirect peut apporter des gains économiques. Par exemple, pour un alliage AlSi7Mg0.6, pour des roues automobile, le gain est de 21 % par rapport à un procédé de moulage basse pression et le gain est de 10 % pour des cylindres de frein réalisés en moulage coquille.

Concurrence du squeeze casting indirect

Nous l’avons dit, le squeeze casting indirect est davantage répandu en Asie qu’en Europe ou en Amérique du Nord. Probablement du fait de la forte culture technique du Japon en fonderie sous pression puisque le squeeze casting indirect vertical est dérivé de la fonderie sous pression. En Europe, où la culture du moulage coquille gravité (ou basse pression) est très présente, les pièces épaisses en aluminium et à hautes performances mécaniques sont traditionnellement réalisées par ce dernier procédé.

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