Comprimer l’aluminium en phase pâteuse

Pression de multiplication en fonderie sous pression aluminium en phase pâteuse.

Pression de multiplication en fonderie sous pression aluminium en phase pâteuse.

En fonderie sous pression, l’alliage est fortement comprimé en phase pâteuse afin de garantir une compacité et une santé interne conformes au cahier des charges. Pour cela, après la phase de remplissage, on applique une phase de compression sur le métal encore en phase pâteuse qui permet de densifier la matière. De nombreux paramètres (niveau de pression, température du métal, …) influent cependant sur l’efficacité de cette phase importante du process.

Le principe de la phase de compression

Microstructure d'un alliage d'aluminium en fonderie sous pression
Microstructure d’un alliage Al Si9Cu3(Fe) en fonderie sous pression – dendrites d’aluminium (en blanc).

En fonderie sous pression aluminium, l’alliage (Al Si9Cu3Fe ou Al Si12Cu) est d’abord injecté en phase liquide à grande vitesse (50 m/s aux attaques de coulée) dans le moule en acier (X38CrMoV5) puis on lui applique une pression importante (800 à 1000 bars) en phase pâteuse pendant toute la durée de la solidification pour « densifier » la matière. En effet, en phase pâteuse (dans l’intervalle de température Liquidus-Solidus), les dendrites d’aluminium commencent d’abord à se solidifier au sein d’un liquide inter-dendritique. Peu à peu les dendrites solides grossissent et se contractent (phénomène de retrait à la solidification) laissant apparaitre des micro-retassures. La phase de compression, par l’application d’une pression via le piston d’injection et les attaques de coulée, a pour objectif de déplacer le liquide inter-dendritique entre les dendrites solides vers les zones à combler afin de limiter au maximum ces défauts.

Suivi des courbes de pression dans l’empreinte en phase pâteuse

Phase de compression (signal carré généré) et suivi par les capteurs du moule.
Phase de compression (signal carré généré) et suivi par les capteurs du moule.

Un moule éprouvette a été conçu et instrumenté avec des capteurs de pression d’empreinte qui ont permis d’enregistrer la transmission de pression dans la pièce tous les 65 mm. Un plan d’essais a été mené avec enregistrement des courbes de pression, enregistrement des courbes d’injection machine (600 tonnes) et analyse de la porosité (par méthode de double pesée) dans les différentes zones de pièces (zones minces et zones massives) proches ou éloignées des attaques. Un signal de pression carré (figure ci-contre) permet de visualiser clairement la décroissance de la pression dans le moule en fonction du temps et la difficulté de transmission de cette pression pour les capteurs très éloignés de l’attaque de coulée.

Les paramètres importants mis en évidence

De nombreux paramètres, liés à la phase de compression, ont une influence sur la qualité de pièce. Ils peuvent se classer en 4 grandes familles : l’alliage utilisé, la forme de la pièce, la conception du moule et enfin les paramètres de production.

Influence du retard avant application de la pression.
Influence du retard avant application de la pression.

Il a été mis en évidence tout d’abord que le taux de porosité des éprouvettes en Al Si9Cu3(Fe) est plus faible que celui obtenu avec l’AlSi12, que ce soit en zone massive ou en zone fine. En effet, l’intervalle liquidus-solidus de l’AlSi9Cu3Fe est plus important que celui de l’AlSi12Cu (proche de l’eutectique), ce qui laisse plus de temps à la phase de compression pour être effective avant solidification complète. De plus, il a été mis en évidence qu’une température d’injection de métal plus basse (660°C) est plus favorable qu’une température plus élevée (700°C) qui accroit la sensibilité à la retassure.

Zone mince et zone massive

Influence du retard a la multiplication sur la porosité interne.
Influence du retard a la multiplication sur la porosité interne.

La forme de la pièce doit ensuite être adaptée au process de fonderie sous pression. En particulier, on constate que les zones massives (20 mm) sont beaucoup moins saines que les zones fines (3 mm) car elles cumulent des défauts de soufflure (air emprisonné) et surtout des défauts de retassure (contraction volumique à la solidification). La pression de multiplication ne permet pas d’atteindre en zone massive une santé équivalente à celle des zones fines. Ensuite, on met clairement en évidence que la transmission de la pression (et le niveau de qualité) diminue lorsque l’on s’éloigne de l’attaque de coulée, ce qui complique l’alimentation des pièces de grande taille dans les zones à l’opposé aux attaques de coulée.

Importance de l’épaisseur d’attaque

Influence de la pression de multiplication.
Influence de la pression de multiplication.

La conception du moule est également un point clef pour transmettre correctement la pression dans toutes les zones de pièce. En particulier, une faible épaisseur d’attaque (1 mm ou moins) entraîne une solidification rapide de cette zone et l’arrêt de la transmission de la pression de multiplication dans l’empreinte. Des attaques massives sont ainsi à privilégier. Enfin, concernant les paramètres de fabrication, les forts niveaux de pression appliquée (1 000 bars) sont nettement plus favorables que les faibles niveaux (600 bars). De plus, l’augmentation du retard avant application de la pression est clairement défavorable sur l’état de santé interne et au-delà de 400 ms, la pression transmise devient très faible.

Effet sur les retassures et les soufflures

La pression de compression permet de supprimer les défauts de type retassure et de comprimer les défauts de type soufflures. Mais les soufflures, qui résultent d’un emprisonnement d’air, ne sont pas supprimées pas comme le montre un test ultérieur de cloquage à chaud qui fait réapparaitre ces défauts.

Le squeeze casting indirect

Squeeze casting indirect - impact de la distance à l'attaque et du temps de remplissage.
Squeeze casting indirect – impact de la distance à l’attaque et du temps de remplissage.

En changeant la partie mobile du moule, on a augmenté l’épaisseur de la pièce (de 3.5 mm à 10 mm), ce qui permet de réaliser l’injection avec des paramètres proches du squeeze casting indirect (alliage Al Si7Mg0.6, très forte épaisseur d’attaque 5 mm et 10 mm, vitesse de remplissage lente, très forte pression de multiplication). Le squeeze casting indirect a pour avantages de conduire à un niveau de qualité du même ordre que le moulage coquille avec un temps de cycle et une précision dimensionnelle issus de la fonderie sous pression. Par contre, l’attaque de coulée très épaisse devra être sciée et ne pourra plus être découpés sur presse comme en fonderie sous pression conventionnelle. Les essais conduit, sur la même pièce que précédemment, mais épaissie à 10 mm, ont permis de montrer (figure ci-dessus) qu’un temps de remplissage de 1000 ms (une seconde) allié à une pression de 150 MPa permet de limiter au minimum les défauts internes dans les zones proches de l’attaque comme dans les zones davantage éloignées. Si le niveau de qualité est atteignable en fonderie sous pression traditionnel dans les zones proches des attaques, il est beaucoup plus complexe a atteindre en zones éloignées dans artifices spécifiques (squeeze pin, jet-cooling, … tirages d’air massif ou sous vide). Evidement, le squeeze casting indirect n’est applicable que sur pièce massive.

Optimiser le design des pièces et des outillages

Si la phase de compression permet de combler les défauts de type retassure ou micro-retassure en production, il s’avère encore plus judicieux d’optimiser en amont le design des pièces (pour éviter autant que possible les zones massives) et d’utiliser la simulation numérique pour la conception du moule afin de maitriser le positionnement des circuits de refroidissement internes et de positionner les zones d’attaques au mieux.

3 commentaires

  1. Luc Milhem dit :

    Ces informations sont vraiment intéressantes, je me permets quand même de faire une petite remarque : je pense qu’il est plus intéressant de suivre le travail de la force appliquée par le groupe d’injection que la valeur de la pression appliquée pendant la phase de multiplication. Ce travail peut en effet indiquer si l’attaque s’est solidifiée prématurément ou au contraire si toute la pièce à bien été compactée. En utilisant les courbes d’évolution de la masse volumique en fonction de la température, et notamment en analysant le saut entre le tronçon liquide et le tronçon solide, il devient même possible d’estimer analytiquement le travail à appliquer.

    • Le métallonaute dit :

      Bonjour Luc et merci pour votre commentaire très intéressant. Je suis assez d’accord avec vous. Les capteurs de pression empreinte utilisés ici dans un projet de R&D ont le gros avantage de donner une mesure directe de la pression dans l’empreinte en différentes endroits. Ils nous ont été, en particulier, très utiles pour comprendre les phénomènes physiques et pour appréhender la transmission de la pression dans les zones éloignées des attaques (ce que nous n’aurions pas pu appréhender avec la seule courbe d’injection). Par contre, ils sont difficilement utilisables en production alors que les courbes d’injection (déplacement, vitesse et pression issues du groupe d’injection) donnent effectivement de très nombreuses informations.

  2. […] 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 […]

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