Moulage des métaux – Définition, processus et types

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Le moulage des métaux est un processus de fabrication qui implique de fondre des métaux et de les couler dans des moules pour former des formes spécifiques. Il est principalement utilisé dans l’industrie manufacturière pour produire diverses pièces, mais aussi dans les beaux-arts tels que la sculpture et la fabrication de bijoux. En 2020, le marché du moulage des métaux en fer et en acier était évalué à 145,97 milliards USD. Le marché devrait croître à un rythme de CAGR de 5,4 % entre 2021 et 2027.

Le processus de coulée des métaux remonte à plus de 7000 ans. Au fil des siècles, le processus de coulée a été continuellement développé et affiné. Aujourd’hui, il permet de la production reproductible de formes très complexesdont certaines seraient impossibles à réaliser par d’autres méthodes.

Son utilisation est aujourd’hui si répandue qu’il est impossible d’éviter les produits moulés, quel que soit le type d’environnement dans lequel vous vous trouvez. Les blocs moteurs, les bouches d’incendie, les moteurs, les outils, les feux de signalisation, les bouches d’égout, les canalisations, les vannes et divers raccords sont autant d’exemples de produits métalliques coulés.

Dans cet article, nous allons explorer le processus de moulage des métaux pour comprendre ce qu’il est, explorer ses types et comment ils fonctionnent.

Qu’est-ce que le moulage ?

Le processus de coulée permet de produire des pièces métalliques aux formes souhaitées en chauffant les métaux au-delà de leur température de fusion et en versant le métal liquide dans des moules. Le métal en fusion s’écoule dans les cavités vides en épousant la forme du moule. Une fois que le métal a refroidi et s’est solidifié, il est démoulé et envoyé en post-traitement. Lors du post-traitement, la finition et l’aspect de la surface sont améliorés et tous les revêtements de protection nécessaires sont appliqués.

Le moulage des métaux n’est limité que par l’imagination du fabricant. Il permet de réaliser des formes très complexes.

Le moulage est préféré pour les géométries complexes parce qu’il est plus rentable et que le processus est plus simple que, par exemple, l’usinage CNC dans de tels cas. Mais elle est aussi largement utilisée pour les formes les plus simples en raison de sa rapidité d’exécution et de sa grande capacité de production.

Les méthodes modernes de moulage peuvent produire des formes presque nettes, ce qui réduit considérablement la nécessité de l’ébavurage et d’autres opérations de post-traitement.

Processus de coulée des métaux

La raison pour laquelle le processus de coulée des métaux est devenu si populaire est sa simplicité inhérente. Il n’était pas nécessaire d’utiliser des machines modernes ou des processus complexes pour obtenir des produits finis.

C’est pourquoi même les armées anciennes ont pu l’utiliser pour la fabrication d’armes et d’outils. Mais au fil des ans, les progrès réalisés dans le domaine de la fonte ont permis d’ajouter certaines étapes au processus afin de garantir que les produits finis soient de la meilleure qualité possible. Examinons le processus typique de coulée des métaux utilisé aujourd’hui dans l’industrie.

Étape 1 : Création du moule

La création du moule est sans doute l’étape la plus cruciale du processus de moulage des métaux. La qualité du moule a un impact direct sur la qualité du produit fini.. La méthode de création du moule varie en fonction du type de métal, de la géométrie de la pièce, de la capacité de production et de la finition souhaitée. Une fois ces spécifications définies, les matériaux appropriés et la méthode peuvent être déterminés.

Le moule est créé comme une empreinte négative de la pièce souhaitée. Il est fabriqué dans un matériau qui peut non seulement résister aux températures élevées de la matière en fusion, mais aussi se séparer facilement de la pièce métallique solide après refroidissement. Parmi les matériaux utilisés pour les moules figurent le sable, le plâtre, les boues réfractaires et les liquides céramiques. Certains moules ne peuvent être utilisés qu’une seule fois, tandis que d’autres peuvent être utilisés à plusieurs reprises.

Étape 2 : Fusion et coulée du métal

Le métal de coulée est chauffé au-dessus de son point de fusion pour créer un liquide fluide. Ce liquide doit être exempt de contaminants et de crasses dans la mesure du possible. Des dispositifs peuvent être ajoutés au moule pour empêcher l’entrée de crasses dans la coulée. Le métal en fusion est versé dans un bassin de coulée situé au sommet du moule. Le métal liquéfié pénètre ensuite dans la carotte (canal vertical) et est distribué dans la cavité du moule par des glissières (canaux horizontaux) et des portes (entrées des cavités).

Les métaux moins visqueux peuvent s’écouler facilement dans le moule et former des motifs plus fins. Les métaux à haute viscosité présentent un écoulement non turbulent, ce qui permet d’éliminer les défauts tels que la porosité. La vitesse de solidification et la force motrice sont également influencées par la viscosité du métal en fusion.

Étape 3 : Démoulage du métal coulé

Dans le cas d’un moule à usage unique, le moule est cassé pour récupérer la pièce métallique.

Dans le cas d’un moule permanent, il y a plusieurs ouvertures sur le moule pour accéder à la pièce et la récupérer. Le moule peut ensuite être réutilisé pour les lots suivants.

Étape 4 : Finition et post-traitement

La pièce de fonderie démoulée ne peut pas être utilisée en l’état. Lorsque le métal en fusion est versé dans le moule, le métal liquide se solidifie également dans la carotte, les canaux de coulée, les colonnes montantes et les évents. Tous ces appendices sont coupés. Une finition de surface peut également s’avérer nécessaire.

La pièce est ensuite envoyée au nettoyage et au revêtement si l’application le nécessite.

Types de procédés de moulage

Les pièces moulées peuvent être créées à partir de différents métaux tels que l’aluminium, le zinc, l’acier et le fer. Chaque métal possède des caractéristiques uniques, ce qui nécessite des ajustements dans la technique de moulage afin d’obtenir le meilleur produit possible.

La technique de moulage dépend également de paramètres tels que la composition de l’alliage, la géométrie de la pièce, le coût, la qualité finale souhaitée, la taille de la production et les critères de performance.

Les procédés de coulée sont divisés en deux catégories : la première est la suivante basée sur la durée de vie du moule (moulage de moules consommables et non consommables) et la seconde est la suivante la méthode d’injection d’alliage (coulée par gravité, sous pression ou sous vide). Dans cet article, nous classerons les processus de moulage en deux catégories : les moulages à usage unique et les moulages à usage unique.

Processus de moulage en moule consommable

Les procédés de moulage en moule expansible utilisent des moules qui ne peuvent être utilisés qu’une seule fois. Ces moules sont utilisés dans divers procédés de moulage tels que le moulage en sable, le moulage en coquille et le moulage à la cire perdue, entre autres. Il convient toutefois de noter que ces moules ne sont pas toujours mis au rebut après utilisation. Les fabricants peuvent essayer de récupérer les moules lorsqu’il est possible de les reformer.

Examinons de plus près certains des procédés utilisant des moules non réutilisables :

Moulage au sable

Dans le moulage au sable, le sable est utilisé comme matériau de moulage. Le sable est bon marché, facilement disponible, souple et peut résister à une chaleur élevée mieux que la plupart des matériaux. Le sable vert (humide) et le sable sec sont les matériaux les plus appropriés pour le processus de moulage.

Un moule en sable de la forme négative de la pièce souhaitée est créé, puis le métal fondu y est versé. Une fois le métal solidifié, le sable est retiré pour récupérer la pièce.

Le moulage au sable est l’une des plus anciennes méthodes de moulage. Elle reste très populaire à ce jour en raison de ses caractéristiques suivantes de sa simplicité, de sa polyvalence et de son coût abordable.

Le moulage en sable permet de fabriquer des produits dont la taille varie de quelques centimètres à plusieurs dizaines de mètres. Les produits peuvent peser de 75 g à plusieurs tonnes.

Toutefois, le moulage au sable ne permet pas d’obtenir la meilleure finition de surface et convient donc mieux aux produits de grande taille qui peuvent être affinés ultérieurement pour obtenir une finition plus lisse.

Le moulage en plâtre est une méthode de moulage au sable dans laquelle le plâtre est utilisé pour construire le moule au lieu du sable.

Moulage en coquille

Le moulage en coquille est un type de procédé de moulage en sable. Toutefois, au lieu de sable libre, le métal est coulé à l’intérieur d’une coquille de sable dur à parois minces.

Pour créer cette coquille, il faut d’abord créer un modèle. Un modèle est un objet qui a la forme de la pièce souhaitée. Le modèle est chauffé et placé dans le sable mélangé à une résine thermodurcissable. Le sable entourant le modèle prend la forme de la pièce et la résine la durcit. La coquille est ensuite durcie au four. Une fois que la coquille est prête, elle est placée dans le matériau de cuisson et le métal en fusion y est versé. Le moulage est récupéré après solidification.

Le moulage en coquille offre des avantages tels qu’une main-d’œuvre moins importante (lorsqu’il est automatisé), une capacité de production accrue et une meilleure précision dimensionnelle.

Cependant, le moulage en coquille est légèrement plus cher que le moulage en sable en raison de la résine utilisée. La résistance du matériau peut également être plus faible et les problèmes de porosité élevés. Les coûts de main-d’œuvre peuvent également s’avérer très élevés si le processus n’est pas automatisé.

Coulée à la cire perdue

La fonte à la cire perdue, également appelée fonte de précision, utilise la cire pour créer des pièces de fonte précises et constantes.

Le processus commence par un modèle en cire obtenu à l’aide de matrices métalliques. Plusieurs modèles en cire sont assemblés avec des portes, des coulisses et une carotte de coulée. Cela permet de couler plusieurs pièces simultanément.

L’assemblage de modèles en cire est plongé ou « investi » dans une boue réfractaire qui prend la forme de l’assemblage.

Le modèle en cire, ainsi que l’enveloppe de boue, sont ensuite chauffés. La cire s’écoule de l’enveloppe et peut être récupérée pour être réutilisée.

La coquille de barbotine forme alors le moule pour le processus de coulée. Le métal en fusion est versé dans le moule, où il se solidifie pour former la pièce souhaitée.

Le moulage à la cire perdue est très précis. Il est utilisé pour les pièces complexes qui nécessitent des pièces précises, telles que les rotors de turbocompresseurs. Il permet également d’obtenir un très bon état de surface.

En revanche, ce procédé est plus coûteux que le moulage au sable et le moulage en coquille. Il présente des limites pour certaines caractéristiques, telles que la taille et la profondeur des trous. Le moulage à la cire perdue peut être difficile à réaliser lorsqu’il s’agit de noyaux.

Processus de moulage en moule non extensible

Ces techniques de moulage utilisent des moules permanents des moules qui peuvent être réutilisés plusieurs fois. Il n’est pas nécessaire de préparer un nouveau moule pour chaque coulée, comme c’est le cas pour les moules à usage unique. Cela peut être avantageux pour les pièces moulées qui nécessitent une finition de surface fine, une grande précision dimensionnelle et des formes complexes.

Les procédés de moulage suivants peuvent être classés comme non consommables :

Moulage sous pression

Le procédé de moulage sous pression utilise une matrice métallique pour couler d’autres métaux. La matrice est généralement constituée d’alliages non ferreux d’aluminium, de cuivre et de zinc, mais des matrices en métaux ferreux sont également utilisées.

Le les matrices métalliques sont coûteuses à fabriquer mais elles durent très longtemps. C’est pourquoi le moulage sous pression est plus adapté à la production en grande série.

Le moulage sous pression, comparé aux autres techniques de moulage des métaux, est plus adapté aux pièces de petite et moyenne taille qui nécessitent une finition de surface de haute qualité.

Les procédés de moulage sous pression sont de deux types principaux : le moulage sous pression et le moulage par gravité. Le moulage sous pression par gravité utilise la force de gravité pour remplir le moule de métaux en fusion. Les canaux et les cavités du moule sont conçus de manière à permettre au métal de s’écouler naturellement dans les poches.

Le moulage sous pression consiste à injecter du métal en fusion à haute pression pour remplir le moule. Ce procédé offre une plus grande souplesse dans la conception des moules, mais il est plus coûteux et nécessite plus de compétences.

Le moulage sous pression convient mieux aux géométries complexes, tandis que le moulage par gravité est plus avantageux pour les conceptions plus simples.

Moulage centrifuge

Coulée centrifuge utilise la force centrifuge pour couler des pièces circulaires. Ce procédé est généralement utilisé pour créer des pièces coulées de taille standard, telles que des tuyaux, et non des produits finis.

Comme le procédé s’appuie sur la gravité et la pression, il permet de créer des modèles très fins avec une précision remarquable.

Le métal en fusion est introduit par le centre et le mouvement de rotation du moule pousse le métal vers le bord, formant une forme annulaire. En ajoutant successivement divers matériaux, il est possible de produire des tuyaux à couches multiples. Par exemple, le moulage par centrifugation permet de créer des tuyaux en fonte dont l’intérieur est revêtu de ciment pour éviter la corrosion et la tuberculose qui s’ensuit.

La force centrifuge peut également pousser un métal fondu visqueux dans des cavités extrêmement fines. Le métal peut être moulé dans des formes complexes et former des dessins complexes. Ce concept est donc couramment utilisé pour créer des bijoux.

Les machines de coulée peuvent être horizontales ou verticales. Les machines horizontales conviennent aux produits longs tels que les tuyaux, tandis que les machines à axe vertical sont plus appropriées pour les produits plus courts tels que les roulements.

La coulée centrifuge offre des avantages tels que l’absence de noyaux, la production d’une excellente structure de grain et l’absence de limitations sur les dimensions telles que la longueur, l’épaisseur de la paroi et le diamètre.

La coulée centrifuge est la meilleure alternative pour des applications spécifiques, telles que les cylindres à parois minces. Elle présente toutefois des inconvénients tels que les contraintes de forme, l’impossibilité de travailler avec des diamètres plus petits et la compatibilité avec des alliages limités. Les impuretés s’accumulent au centre dans la coulée centrifuge, ce qui peut être difficile à éliminer.

Coulée continue

La coulée continue, également connue sous le nom de coulée en bandes ou de coulée en brames, produit une couche de métal. coulée continue de section constante.

Le métal en fusion provenant d’un four est versé avec précaution dans un répartiteur, à partir duquel le métal est transféré dans un moule refroidi à l’eau ayant la section souhaitée. Le refroidissement accélère la solidification du métal en fusion.

Pendant que le métal se solidifie, il est également retiré du moule par des rouleaux, où le moulage peut être refroidi et façonné pour obtenir les dimensions finales. Une fois la solidification terminée, la pièce est découpée aux dimensions standard.

La coulée continue offre un taux de production élevé, une précision accrue, une réduction des déchets et une structure de grain améliorée.

Toutefois, ce procédé nécessite un investissement initial élevé et le produit final peut présenter des défauts internes et une mauvaise qualité de surface.

Résumé

Le moulage des métaux est une méthode efficace et rentable pour fabriquer des produits métalliques fiables. Elle offre un large éventail de procédés. Chaque procédé présente des avantages et des inconvénients qui le rendent adapté à des applications spécifiques.

Par exemple, le moulage en sable est parfait pour les pièces complexes uniques, tandis que le moulage sous pression est plus approprié lorsque des produits complexes sont nécessaires à un rythme de production élevé.

Les moules utilisés pour le moulage sont classés en moules consommables et moules non consommables. Les moules consommables sont détruits après chaque utilisation, comme dans le cas du moulage au sable, tandis que les moules non consommables sont plus permanents et peuvent durer de quelques jours à quelques années.

La polyvalence du moulage des métaux en fait une technique essentielle pour diverses industries, de l’automobile à l’aérospatiale, garantissant la précision et la répétabilité de la production de pièces complexes.

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