Insertion à la coulée : les applications industrielles

Bras de suspension en fonte avec insert à la coulée en U et en V.

Bras de suspension en fonte avec insert à la coulée en U et en V.

Les applications industrielles de l’insertion à la coulée sont nombreuses. Dans un précédent article, nous rappelions les mécanismes et les paramètres pilotant la qualité de la liaison métallurgique entre l’insert et la matrice. Nous détaillerons maintenant les applications industrielles de l’insertion à la coulée dans l’automobile en particulier.

L’insertion à la coulée d’un insert en acier dans une pièce en fonte

La fonte à graphite sphéroïdal présente d’intéressantes propriétés de résistance mécanique, de résilience, de mise en forme et de coût. Son utilisation pour des pièces de sécurité : support d’axe de roue avant (porte-fusée), étriers de frein et bras de suspension, essentiellement, est courante chez de nombreux constructeurs automobiles. Toutefois, la fonte n’est pas soudable sans procédure stricte et délicate (préchauffage, métal d’apport, refroidissement). Il peut donc être intéressant d’insérer dans les zones des futurs cordons de soudure, une pièce en acier doux, le reste de la pièce restant en fonte pour les raisons évoquées précédemment. La technique de l’insertion est largement utilisée, pour des applications de haute technicité et garantissant la sécurité des personnes. En particulier, un constructeur français d’automobiles y a largement fait appel.

Bras de suspension

Bras de suspension en fonte avec insert en U et en V.
Bras de suspension en fonte avec insert en U et en V.

L’insertion d’une tôle en acier doux permet de raccorder par soudage et de manière traditionnelle un bras de suspension en fonte au reste du train. Les inserts sont revêtus de nickel, collés aux noyaux destinés à réaliser l’intérieur du bras, puis mis en place dans le moule. La qualité de ce type de pièce est totalement maîtrisée puisque les véhicules qui en sont équipés sont des véhicules de grande diffusion des années 1980. Sont ainsi garanties la liaison métallurgique ainsi que la bonne qualité dimensionnelle de l’ensemble pièce-insert (intégration de la pièce dans le train arrière du véhicule).

La solution de l’insertion de tôles d’acier dans des bras de suspension en fonte GS, un moment abandonnée au profit des bras en tôle emboutie, fait aujourd’hui l’objet d’un regain d’intérêt de la part des bureaux d’études.

Tambours et disques de frein

La fonte à graphite lamellaire est utilisée pour les disques et tambours de frein, en raison de sa conductivité thermique et de sa résistance à l’usure élevées.  La recherche d’un freinage plus souple (évitement des phénomènes de broutage) a conduit à réaliser le moyeu par l’insertion d’un voile en acier doux. L’accrochage mécanique est réalisé par un crantage de la périphérie de la tôle. La liaison métallurgique n’est pas indispensable, le bridage mécanique est suffisant pour éviter toute infiltration entre la fonte et l’acier qui pourrait donner lieu à de la « corrosion par crevasse ». La présence d’une lame d’air est cependant proscrite. Après extraction de la pièce du moule et séparation des attaques de coulée, la tôle est redressée au moyen d’une presse. Longtemps réservée aux tambours, la solution est maintenant considérée pour des disques ventilés par plusieurs constructeurs automobiles et sur plusieurs de leurs modèles « haut de gamme ».

Culasses et pistons de moteurs

Couronne de piston en fonte pour renforcer une matrice en aluminium.
Couronne de piston en fonte pour renforcer une matrice en aluminium.

Certaines zones des culasses (en particulier le « pont »  entre les sièges de soupapes) des moteurs Diesel suralimentés sont sollicitées mécaniquement et thermiquement au-delà des capacités des alliages d’aluminium traditionnels. De façon à conserver des caractéristiques proches du métal de base (coefficients de dilatation et conductivité thermique) et limiter l’endommagement par fatigue thermique, les inserts utilisés sont également en alliage d’aluminium. Ils sont réalisés par forge (affinement de la microstructure) ou dopés à l’aide de fibres de renfort (alumine).

La chaleur dégagée lors de la combustion du carburant est en majeure partie évacuée par la couronne périphérique du piston, au niveau de la gorge du segment pare-feu. Afin d’éviter les phénomènes de matage de cette gorge, plusieurs solutions ont été mises en œuvre. Tout d’abord, par insertion d’une couronne en fonte NiResist, dans laquelle est pré-usinée la gorge du segment. Puis par insertion d’une couronne en alliage d’aluminium forgé, renforcé de fibres d’alumine. Et enfin par insertion d’un circuit de refroidissement en cuivre, permettant d’assurer la circulation d’huile dans la zone sur-sollicitée. Dans cette dernière solution, le tube en cuivre d’un diamètre de 6 à 8 mm, est formé à froid et traité en surface, afin d’assurer la liaison métallurgique (le maintien de la conductivité thermique étant essentiel).

Fixation des contrepoids en fonte

Des inserts de forme permettant leur ancrage sont placés dans l’empreinte destinée à réaliser les contrepoids en fonte pour chariots automoteurs. Ces inserts sont préalablement percés et taraudés et assurent par la suite, la fixation du contrepoids. Cette technique dispense d’opérations ultérieures d’usinage et d’assemblage, et permet également de réaliser des filetages alors que la pièce en raison de ses dimensions et de sa masse, n’est pas accessible à l’usinage. Ces inserts sont généralement étamés afin de les protéger de l’oxydation avant la coulée, l’étain ne perturbant pas le processus de liaison.

Chauffage domestique avec résistance électriques insérées

insertion de résistances électriques dans un radiateur en fonte.
insertion de résistances électriques dans un radiateur en fonte.

Dans un tout autre domaine, l’insertion de résistances électriques dans un radiateur en fonte fait partie des innovations permettant d’homogénéiser la diffusion de la chaleur dans les radiateurs électriques modernes (objet par exemple, du brevet d’invention européen EP1 067 822 délivré en 2005 à la société AUER).

Coupe métallographique au niveau de l’interface fonte-résistance.
Coupe métallographique au niveau de l’interface fonte-résistance.

La préoccupation est ici d’obtenir une conductivité thermique élevée au niveau de l’interface et un bridage mécanique permettant d’éviter les « claquements » dus aux dilatations différentielles entre la fonte et la résistance. Une liaison métallurgique est donc impérative. La solution mise en œuvre est constituée d’une résistance entourée d’une gaine en acier inoxydable de type AISI 304. Localement, on observe la subsistance de zones non-liées avec à proximité, la trace de l’ancienne pellicule d’oxyde riche en chrome qui se forme spontanément à la surface de l’acier inoxydable.

Couronne de roulement

Liaison métallurgique avec un insert inséré à la coulée.
Liaison métallurgique avec un insert inséré à la coulée.

Plusieurs études de CTIF ont été réalisées pour différents partenaires industriels avec en particulier des liaisons fonte / acier. Il est ainsi possible de réaliser une liaison métallurgique sur la totalité de la surface de contact entre la fonte et l’acier, comme on peut le constater sur la tranche polie photographiée ci-dessus.

Piston en fonte GS

Zone d'insertion sur pièce industrielle.
Zone d’insertion sur pièce industrielle.

Une autre application est constitué par la tige de commande de piston. La solution initiale (tige filetée en acier à usinabilité améliorée, soudée sur le piston en acier) a été remplacée par l’insertion de cette tige lors de la réalisation du piston en fonte GS. La liaison métallurgique a permis d’obtenir un effort d’arrachement de la tige en torsion supérieur à la résistance en torsion de l’acier. Le chauffage de la tige lors de la coulée n’a pas dégradé ses caractéristiques. Lors de la coulée, la tige elle-même était noyée dans un noyau en sable aggloméré qui a assuré sa protection jusqu’à la fin du processus.

Soudabilité et étanchéité d’un container

Conteneur avec insert en acier dans une matrice en fonte.
Conteneur avec insert en acier dans une matrice en fonte.

L’insertion a été utilisée avec succès dans la réalisation de containers destinés au stockage de très longue durée, des déchets radioactifs issus de l’exploitation des centrales nucléaires (brevet  FR0350182). Ces containers sont réalisés en fonte à graphite sphéroïdal ; leur fermeture est assurée par soudage à l’arc d’un couvercle en acier. Afin d’éviter une soudure entre deux matériaux différents comme la fonte et l’acier (soudure délicate à réaliser surtout sur les grosses pièces), la zone d’appui du couvercle sur le container a été réalisée par insertion dans la fonte d’une collerette de la même nuance d’acier.

Une étanchéité parfaite étant requise pour l’ensemble du container et la soudure du couvercle, cette même étanchéité est évidemment demandée à la zone de liaison entre fonte et acier. La liaison métallurgique a été obtenue en « lavant » l’insert avec la fonte liquide. Le métal en excédent a été recueilli dans des réservoirs placés de manière à maintenir la zone comportant l’insert à haute température le plus longtemps possible, ceci afin de permettre la diffusion du carbone sur de longues distances (plusieurs millimètres). Des simulations numériques ont permis d’étudier le flux de métal à la jonction insert/matrice.

Insertion à la coulée -Interface fonte acier dans la zone de liaison d'une fonte GS et d'un acier
Insertion à la coulée -Interface fonte acier dans la zone de liaison d’une fonte GS et d’un acier.

Conclusions

Si l’industrie automobile utilise largement l’insertion à la coulée pour des pièces en alliage ferreux (fonte, acier) ce n’est, et de loin, pas le seul domaine industriel où l’insertion à la coulée trouve sa place. En effet, l’insertion présente l’avantage de pouvoir réaliser localement un matériau bi-métallique en évitant une opération supplémentaire de type soudure, souvent complexe avec des matériaux hétérogènes. Cependant, pour atteindre les performances mécaniques prévues, une liaison métallurgique doit être présente entre l’insert et la matière, ce qui requiert une maîtrise de la thermique et des conditions de remplissage autour de l’insert.

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