Moulage basse pression de pièce en alliage AlSiMg03 en moule permanent et en moule sable

par Franco Chiesa, Bernard Duchesne et Gheorghe Marin

Résumé. L’aluminium A356 (AlSi7Mg03) est l’alliage de fonderie le plus courant coulé dans des moules en sable ou métalliques (dit permanents) ou par le procédé à la cire perdue. En raison de sa teneur en magnésium, cet alliage répond au traitement de durcissement par précipitation. La combinaison résistance/ductilité de l’alliage peut varier à volonté en modifiant le traitement de vieillissement, qui suit la mise en solution et la trempe de l’alliage. En alimentant le moule par le bas, le procédé basse pression permet un remplissage calme de l’empreinte; le contrôle parfait du débit de métal liquide dans l’empreinte du moule est assurée par la programmation de la montée en pression appliquée à la surface du bain d’alliage. Ce procédé représente une nette amélioration par rapport au moulage gravité, où le remplissage turbulent est régi par la loi de la pesanteur et la géométrie du système d’alimentation.

1. Le procédé basse pression en moule permanent (coquille)

Le moulage en moule permanent basse pression (LPPM) [1], schématisé sur la Figure 1a et représenté sur les photos 1b et 1c, est un procédé produisant des pièces moulées de haute qualité grâce à ces deux caractéristiques principales :

1. Le remplissage parfaitement contrôlé par le bas du moule, par opposition à l’écoulement turbulent associé à la coulée gravité. De plus, le métal liquide est conduit par le tube de transfert depuis le dessous de la surface du bain, empêchant ainsi l’entraînement des oxydes de surface dans l’empreinte du moule.
2. L’alimentation très efficace via le tube de transfert qui monte du creuset au moule, qui est obtenue en appliquant une pression sur le bain par un gaz comprimé. Le rapport (masse pièce/masse coulée) est élevé, généralement de 80 à 90 %, par rapport à 50 à 60 % en coulée gravité. Cependant, le procédé basse pression ne permet pas de produire certaines formes géométriques.

Le moulage sable basse pression (LPS) est beaucoup moins courant que celui en moule permanent (moule métallique). Le moule en sable repose sur l’enceinte pressurisée, comme le montre la photo 1d. La similitude entre le LPPM et le LPS réside dans le remplissage lent et contrôlé du moule par un alliage propre puisé sous la surface du bain liquide. Les deux procédés partagent également la capacité de couler des parois plus minces que ne le ferait la coulée gravité.

Fig.1. Principe du moulage basse pression (a), avec un moule métallique (b,c), ainsi qu’avec un moule sable (d)

2. Conversion de la coulée d’une cloche de transmission en sable gravité en coulée permanent en basse pression

Quand la commande d’une cloche de transmission conçue pour des voitures de compétition a atteint mille unités par an, il devint économique de passer du moulage au sable au moule permanent. La  productivité du moule permanent est supérieure à celle du moulage au sable, cependant, les coûts en investissement et outillage sont plus élevés.

Comme nous le verrons, le moule permanent offre des propriétés mécaniques nettement supérieures à celles du moule sable, ce qui est particulièrement important pour ces pièces qui seront utilisées jusqu’à leur défaillance. Comme pour les jantes de roue des voitures particulières, la forme de la cloche de transmission se prête très bien au moulage basse pression.

2.1 La cloche de transmission originale moulée en sable

Le « bellhousing » mesure 400 x 350 x 165 mm et pèse 7,0 kg. En coulée sable gravité, la compensation du retrait de solidification est assurée par quatre masselottes isolées de 40 mm de diamètre et une descente conique de 30 mm de diamètre à sa base (Figure 2a). L’alliage  AlSi7Mg (A356) a été coulé à 740 °C après avoir été affiné avec du Al5Ti1B (15 ppm B) et dégazé à l’argon jusqu’à une densité du pion solidifié sous 0,1 atm. de 2,60, soit  environ 0,12 ml/100g de [H] ou 0,1 ppm. d’hydrogène [2]. Le système de remplissage (de rapport descente/canal/attaques 1 : 4 : 4) impose un temps de remplissage de 14 secondes. Deux pièces moulées ont été coulées à partir d’un alliage dont la composition est donnée dans la Table 1.

Fig. 2. (a) Modèle du moulage sable  –  (b) Séquence de solidification –  (c) Une des 2 pièces après décochage.

Table 1. Composition de la pièce en AlSi7Mg03 (A356) coulée en moule sable par gravité

Élément               Si           Fe         Cu          Mn        Mg         Zn          Cr          Ti           Sr

Masse %            6.56        0.05       0.01       0.00       0.31       0.06        0.00       0.12      0.001

Comme vu en Figure 2b, le temps de solidification dans la pièce varie de 1.2 à 8.0 minutes. Les pièces moulées en sable ont été traitées thermiquement  T6, c.a.d. mises en solution pendant 8 h at 540 °C, puis trempées et vieillies 4 h à 155 °C.

2.2 La cloche de transmission coulée en moule permanent basse pression

Contrairement à ce qui se passe en coulée gravité, le procédé basse pression donne une totale liberté quant au choix du temps de remplissage. Dans le cadre de cette recherche, on a choisi 4 secondes en appliquant une rampe de pression de 10 mB/s sur le bain liquide. Comme le montre le modèle de la Figure 3, le rapport poids de pièce/poids d’alliage coulé est plus élevé que dans la coulée gravité (0,87 contre 0,68), ce qui est typique de la coulée en moule permanent basse pression. Le graphique de la Figure 3 montre que  l’équilibre thermique dynamique est atteint après la coulée de 8 pièces ; la cadence de production est proche de 12 pièces/heure.

L’alimentation de la pièce est assurée en appliquant une pression de 900 mB dans le creuset, correspondant à la pression d’une colonne d’aluminium de 3600 mm, par rapport à 100 mm dans le moulage en sable. Le moule en fonte grise de grade 40 a été usiné aux dimensions de la cloche coulée par gravité. Lors des premiers essais, des retraits ont apparu à plusieurs endroits facilement identifiés comme des « points chauds » par modélisation de la solidification (Figure 4).

Fig. 4. Retraits lors des premiers tests et « points chauds » du modèle thermique.

En moulage sable, des masselottes et des refroidisseurs sont utilisés pour obtenir une solidification dirigée, ce qui n’est pas le cas en moule permanent à basse pression. Les solutions aux problèmes mis en évidence dans la Figure 4 ont été les suivantes :

1. Réduction de l’épaisseur de la base de 13 à 11 mm, ce qui a été possible en raison de la résistance supérieure de la pièce moulée en permanent.
2. Réduction de la masse de métal à l’emplacement R en moulant le trou de 10 mm (au lieu de le percer par la suite).
3. Épaississement de la pièce en X pour assurer un chemin d’alimentation vers le bas.

L’alliage a été dégazé à l’argon pendant 20 minutes, affiné avec 15 ppm de bore (Al5Ti1B) et modifiée avec 120 ppm de strontium (Al10Sr). Contrairement à la pratique du moulage au sable, où beaucoup considèrent que la modification augmente le risque de gazage, la modification est la règle dans la coulée en moule permanent. L’alliage a été coulé à 720 °C en raison du court temps de remplissage. La composition de l’alliage A356 coulé par basse pression est donnée à la Table 2. Comme le montre la Figure 5, le temps de solidification prévu dans la cloche varie de 0,20 à 3,6 minutes, un temps nettement plus court que dans la pièce moulée en sable.

Table 2. Composition de l’alliage A356 coulé en moule permanent (coquille) basse pression

Elément               Si           Fe         Cu          Mn         Mg        Zn          Cr          Ti           Sr

Masse %           7.14         0.12      0.03        0.02       0.34       0.04       0.01       0.10      0.012

Les pièces moulées en moule permanent basse pression ont été traitées thermiquement jusqu’à un état T61 plus dur et moins ductile que le T6, c’est-à-dire vieillies pendant 8 h à 155 °C au lieu de 4 h pour le T6. Cela a été possible parce que le procédé de moulage permanent produit une malléabilité plus élevée que le processus au sable pour des conditions de traitement thermique identiques.

3. Résistance des cloches moulées sable et moule permanent

La résistance mécanique peut varier considérablement à l’intérieur d’une même pièce moulée en raison de différentes conditions de solidification en chaque point de la pièce [3].  Les propriétés dépendent principalement du temps local de solidification et dans une moindre mesure, du gradient thermique en direction des points d’alimentation. Notez que le gradient thermique est mathématiquement lié à la vitesse d’avancé du solidus. Un gradient thermique élevé correspond à une faible vitesse du front du solidus si bien que l’un ou l’autre peut être utilisé pour prédire les propriétés métallurgiques et mécaniques à un emplacement donné de la pièce  moulée, comme cela sera montré plus loin .

Des éprouvettes de traction rondes et plates ont été excisés à 3 endroits sur 2 cloches de transmission produites par chacun des  procédés (c’est-à-dire : moule sable rempli par gravité et moule permanent rempli par le bas en basse pression); ces excisions ont été faites aux emplacements T, F et W indiqués sur la Figure 6. Les sections réduites des barreaux de traction avaient un diamètre de 6 mm pour les barreaux ronds et une section rectangulaire de 6 x 12 mm pour les barreaux plats. Étant donné que deux pièces moulées par procédé ont été utilisées, les moyennes des limites d’élasticité (YS), des résistances en traction (UTS) et des allongements (El) ont été calculés à partir des résultats de quatre échantillons aux positions T et F et de 8 échantillons en W.

Fig. 6. Position des éprouvettes de traction T, F, W excisées dans la cloche moulée par basse pression

Les résultats des essais de traction sont présentés sur le graphique de la Figure 7. La moyenne et l’écart type sont indiqués pour les trois endroits T, F et W et pour les deux procédés. La dispersion des résultats est plus élevée dans le moulage permanent basse pression, ce qui est particulièrement visible sur les résultats d’allongement. Ceci sera expliqué plus loin dans la présente section.

Sur les métallographies, l’espacement des bras secondaires des dendrites, le DAS, dépend uniquement du temps de solidification. Le DAS  est donc plus petit en moule permanent et plus petit dans les barreaux de traction minces W qui se sont solidifiés plus rapidement. La porosité est également moindre lorsque le temps de solidification est plus court.

La structure métallurgique plus fine et la plus faible porosité des cloches de transmission coulées en moule permanent expliquent leurs propriétés en traction supérieures à celles des pièces moulées en sable. Cependant, la répétabilité des propriétés en moulage sable est meilleure que celle en moulage permanent à basse pression, car la température initiale du moule (c’est-à-dire la température ambiante pour le moule sable) est beaucoup plus stable qu’en moule permanent. En moule métallique, le régime thermique peut être perturbé par des changements dans le temps d’ouverture du moule en raison d’incidents d’éjection, de nécessaires retouches du poteyage (protection) du moule (enduit réfractaire appliqué sur le moule) etc., de sorte que les fluctuations de l’équilibre thermique dynamique sont inévitables. L’historique thermique prédite sur la Figure 3 représente une situation idéale dans laquelle les temps de remplissage de la cavité, d’ouverture et de fermeture du moule sont répétés de manière identique à chaque cycle, ce qui ne se produit pas dans un contexte de production. Le temps de vieillissement plus long (8 heures) appliqué aux  pièces coulées en moule permanent basse pression se traduit par une limite d’élasticité plus élevée que celle des pièces moulées en sable (vieillies pendant 4 heures) tout en conservant une ductilité au moins égale à celle des cloches de transmission moulées en sable, représentée par l’allongement à la rupture de l’essai de traction.

4. Observations métallographiques

Des coupes des barreaux de traction ont été observées au microscope optique; le niveau de porosité a été mesuré par l’analyse d’image sur les mosaïque de la Figure 8. On y indique le niveau de porosité, ainsi que la finesse dendritique (DAS).

Fig. 8. Mosaïques des barreaux de traction T, F, W (de gauche à droite) et micrographies correspondantes.

5. Prédiction des propriétés locales en traction par modélisation de solidification

L’indice de qualité Q est un outil pratique pour évaluer la qualité métallurgique des alliage Al-Si-Mg (A356, 357).  Q incorpore la résistance et la ductilité et donne une valeur qui ne dépend pas du niveau de vieillissement [4] :

Q = UTS + 150 Log El   

Dans une étude antérieur [5], les auteurs ont montré que Q pouvait être prédit dans un moulage à partir de la modélisation de la solidification. Il a été montré que Q dépendait du temps local de solidification t_sl et de la vitesse du solidus V_s  par la relation:

Q (MPa) = 465 – 10 t_sl^2/3 V_s^1/5 – 60 t_sl^1/3

Pour un alliage A356-T6 dégazé à 0.1 ppm [H], t_sl et V_s étant exprimés en min et cm/s. Quand on applique cette équation aux résultats des modélisations, on obtient les cartes de la Figure 9 pour les cloches moulées en sable et en moule permanent.

Fig. 9. Distribution de l’indice de qualité Q pour les cloches moulées en sable (haut) et en moule permanent.

5.1 Calcul de UTS et El à partir de Q et YS

Dans les alliages A356/357, YS, UTS et El sont liés par la relation [6]: 

YS (MPa) = UTS – 60 Log El% – 13

Puisque UTS = Q – 150 Log El, l’équation ci-dessus peut être réécrite :

YS = Q – 210 Log El – 13

ou  Log El = (Q – YS – 13) / 210

Donc les valeurs de El % et UTS peuvent être calculées si on connait Q and YS:

El = 10 ^{(Q – YS – 13) / 210}                          (1)

UTS = Q – 150 (Q – YS -13) / 210     (2)

YS ne dépend que de la teneur en magnésium et du vieillissement appliqué; pour les conditions présentes, le graphe de la page 222 de [6] donne les résultats suivants :

Moulé sable:   % Mg = 0.31%, vieilli 4 h à 155°C

                       YS = 187 MPa

Permanent:      % Mg = 0.34%, vieilli 8 h à 155°C  

                        YS = 222 MPa

En appliquant les équations 1 et 2 avec

YS =187 MPa et YS = 222 MPa, on obtient les résultats de la Table 3.

Table 3. UTS et allongement en fonction de Q, pour les conditions de traitements thermiques “moulage sable” T6 (haut) et moule permanent T61. 

Quand on réduit la fourchette des échelles des cartes de la Figure 9, les valeurs de Q peuvent être déterminées précisément en T, F et W pour les cloches moulées « sable » et celles moulées  « permanent » à basse pression :

Sable:                    306, 301 and 365 MPa aux points F, T and W 

Permanent:           367, 388 and 396 MPa aux mêmes endroits

En se référant à la Table 3, on peut alors déterminer les valeurs de UTS et El. Ces valeurs prédites sont comparées aux valeurs mesurées en Figure 10.

Fig. 10. Comparaison des valeurs de YS, UTS et El prédites aux valeurs expérimentales à 3 endroits des cloches moulées en sable et en moule permanent.

L’accord entre les prédictions et les valeurs expérimentales est raisonnable. Les résultats montrent que les propriétés mécaniques peuvent être prédites avec confiance pour un moulage coulé avec un alliage Al-Si-Mg propre et dégazé. D’autre part, il est également possible de déterminer le vieillissement nécessaire pour obtenir un allongement donné dans une certaine zone d’une pièce moulée dans cette famille d’alliage.

6. Remplissage en basse pression d’une pièce moulée sable (réservoir)

Le moule de dimensions 1200 x 1800 x 1800 mm est représenté dans sa position de remplissage sur la machine à basse pression de la Figure 11 (image gauche). Après décochage, le réservoir est montré à droite de la même figure. Les canaux sont alimentés par un tube d’acier de paroi 1,6 mm. Aucune augmentation de la teneur en fer n’a été détectée dans la pièce (le temps de séjour de l’alliage liquide dans le tube est très court, de l’ordre d’une seconde). Un thermocouple placé dans le canal a permis de s’assurer que la solidification était complète avant de retirer le moule (après 12 minutes). Le temps de remplissage a été fixé à 20 secondes, soit une vitesse aux attaques de 0,32 m/s, bien inférieure à la vitesse critique (0,5 m/s) au-dessus de laquelle l’oxydation de l’aluminium se produit [7]. La température du front de métal liquide lors du remplissage est représentée sur la Figure 12 (a) lorsqu’il remplit la cavité du moule en basse pression ; on voit que la température du front liquide la plus basse est de 690 °C, soit 70 °C au-dessus de la température de début de solidification de l’alliage (liquidus).

Fig. 11. Le moule sur la machine basse pression (gauche); La pièce décochée avec le tube de remplissage (droite)

Fig. 12. Température du front de métal pendant le remplissage : a) par basse température; b) par gravité

Si l’on considère le remplissage du moule par gravité pour la même vitesse maximale aux attaques de 0,32 m/s, le temps de remplissage est augmenté à 30 secondes, car le remplissage ralentit à mesure que le métal liquide monte dans la cavité (il faut 7,5 secondes, soit 25 % du temps de remplissage pour remplir le dernier 10 % de la cavité du moule). Cette vitesse de remplissage est obtenue avec un diamètre de 40 mm au bas de la descente conique. La température du front de métal liquide qui en résulte est celle de la Figure 12b. En coulée gravité, le front de métal liquide le plus froid est de 674 °C, soit 16 °C de moins qu’en basse pression. Cela démontre la plus grande capacité du procédé basse pression à produire des pièces moulées à parois minces dans des moules en sable. Il a été montré qu’il en est de même pour les pièces moulées en moule permanent [8].

7. Conclusions

En raison de leur temps de solidification plus court, les cloches de transmission produites en moule permanent basse pression (LPPM) présentent une meilleure résistance en traction et au moins aussi bonne ductilité que celles coulées en moule sable. Cependant, en coulée à basse pression, la forme de la pièce coulée doit être telle que la solidification sera dirigée du haut vers le bas de la pièce, là où se trouve le tube d’alimentation. Dans le moulage au sable, la solidification non dirigée peut être traitée avec des masselottes ou des refroidisseurs, ce qui n’est pas le cas en moule permanent à basse pression. Par rapport à la coulée gravité, la basse pression injecte un métal plus propre dans le moule car l’alliage liquide est puisé sous la surface où flotte les oxydes. La coulée à basse pression donne une rapport (masse de la pièce/masse de métal coulé) de 80 à 90 % par rapport à 50 à 60 % pour la coulée gravité.

Le concept d’indice de qualité permet de prédire la limite d’élasticité, la résistance en traction et l’allongement des alliages AlSiMg lorsque la teneur en magnésium, les températures et temps de vieillissement sont connus.

Le moulage au sable basse pression est un procédé qu’il faut considérer pour produire de grandes pièces moulées de qualité supérieure. Le procédé doit également être envisagé lorsque des parois sont trop minces pour être obtenues par coulée gravité (par exemple, parois de 1,6 mm sur une hauteur de 400 mm). Cependant, la forme de la pièce moulée doit se prêter au procédé afin que la solidification dirigée soit maintenue tout au long de la solidification.

Remerciements

Les auteurs doivent reconnaitre le soutien du Conseil canadien CRSNG et du ministère MESI du Québec. Cette étude a été réalisée dans le cadre des activités du Centre de recherche sur l’aluminim  REGAL.

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RÉFÉRENCES

[1] D. Neff, S.P. Thomas, S.P., Aluminum Casting Technology, Third Edition, American Foundry Society Publications, ISBN-978-087433-456-2, 293 (2018)

[2] H. M. Mulazimoglu, N. Handiak and J.E. Gruzleski, J.E. (1989). Some Observations on the Reduced Pressure Test and Hydrogen Concentration of Modified A356 Alloy, AFS Transactions, 97, 225 (1989).

[3] F. Chiesa et al., “How Properties Vary Throughout a Casting”, Modern Casting, August 2018, 39 (2018)

[4] M. Drouzy, S. Jacob and M. Richard, M, Interpretation of Tensile Results by Means of the Quality Index, AFS International Cast Metal Journal, June 1980, 43 (1980)

[5] F. Chiesa, B. Duchesne and G. Morin, Proceedings of the International Symposium on Aluminium: From Raw Materials to Applications, CIMM Publications, 115 (2006)

[6] S. Jacob, Quality Index in Prediction of Properties of Aluminium Castings – A Review, AFS Transactions, 107, 811 (1999)

[7] J. Campbell, Complete Casting Handbook, Elsevier Publications. ISBN-13:978-1-85617-809-9, 46 (2011)

[8] F. Chiesa, J. Baril and P. Dubé P. (2009), Lights, Camera, Castings! Engineered Casting Solutions, March – April, 24 (2009)