Matériaux de moulage 101

Guide simple de la coulée de métal

  • Le processus de coulée de métal a plus de 7 000 ans d'histoire et est utilisé dans la fabrication. Il est défini comme le processus dans lequel le métal en fusion est versé dans un moule qui contient une cavité creuse d'une forme souhaitée.
  • La coulée de métal peut être divisée en deux groupes par la nature fondamentale de la conception du moule. c'est-à-dire des moules consommables et des moulages de moules permanents. Il peut être subdivisé en groupes en fonction de leur matériau de motif.
  • Des pièces moulées hautement techniques se trouvent dans 90 % des biens durables, y compris les voitures, les camions, l'aérospatiale, les trains, les équipements miniers et de construction, les puits de pétrole, les appareils électroménagers, les tuyaux, les bouches d'incendie, les éoliennes, les centrales nucléaires, les dispositifs médicaux, les produits de défense, les jouets et Suite.

La fonte grise est l'un des matériaux de fonderie les plus fréquemment utilisés dans la fabrication industrielle. Représentant une grande partie des marchés de l'approvisionnement en moulage, c'est une substance solide et polyvalente. La fonte grise peut être usinée facilement, testée pour sa qualité sans utiliser de méthodes destructives, formulée pour répondre aux exigences d'application spécifiques et est rentable à des volumes élevés.

L'acier moulé est un matériau de moulage résistant bien adapté aux pièces qui seront soumises à une usure exceptionnelle, à des chocs ou à de lourdes charges. Il est utile pour sa résistance à la corrosion dans les environnements aqueux et pour les applications impliquant des températures élevées. L'acier est souvent mélangé avec du chrome, du fer et du nickel pour améliorer encore sa résistance à la corrosion ou à la chaleur.

L'un des avantages les plus importants de la coulée d'aluminium est qu'elle crée des pièces plus légères, avec plus d'options de finition de surface que les autres alliages coulés. De plus, la fonte d'aluminium est polyvalente, résistante à la corrosion, elle conserve une stabilité dimensionnelle élevée avec des parois minces et peut être utilisée dans presque toutes les industries.

Les alliages de cuivre coulé ont une résistance élevée à la traction et à la compression, ont de bonnes qualités d'usure lorsqu'ils sont soumis à un contact métal sur métal, sont facilement usinables, ont une bonne conductivité thermique et électrique et une résistance élevée à la corrosion pour maximiser les performances du produit. Il est le plus utilisé dans le domaine des beaux-arts.

Éléments à prendre en compte lors du choix des matériaux de moulage


La sélection des matériaux de moulage et de moulage appropriés pour un projet particulier peut être une préoccupation importante. Certains des facteurs à considérer lors de la prise d'une décision de casting comprennent:

Ces facteurs déterminent l'ensemble possible d'alliages métalliques qui pourraient être utilisés dans la coulée du composant. Il se peut également que l'identification de l'alliage le plus approprié exclue certains des procédés de coulée disponibles, même à ce stade précoce. S'il était décidé, par exemple, que l'un des aciers inoxydables coulés ou des fontes était l'alliage le plus approprié, cela empêcherait l'utilisation du moulage sous pression.

De plus, le concepteur devra travailler avec d'autres paramètres concernant le matériau approprié à sélectionner. Ceux-ci peuvent inclure le coût des matériaux, le coût de fabrication, le poids du produit final, la taille du produit et la plage de température que le matériau sélectionné peut supporter.

Le fer

La fonte est un groupe d'alliages fer-carbone avec une teneur en carbone comprise entre 2% et 4%, ainsi que des quantités variables de silicium et de manganèse et des traces d'impuretés telles que le soufre et le phosphore. Son utilité découle de sa température de fusion relativement basse. Les constituants de l'alliage affectent sa couleur lorsqu'il est fracturé : la fonte blanche a des impuretés de carbure qui permettent aux fissures de passer directement à travers, la fonte grise a des flocons de graphite qui dévient une fissure passante et initient d'innombrables nouvelles fissures lorsque le matériau se casse, et la fonte ductile a des impuretés sphériques. des « nodules » de graphite qui empêchent la fissure de progresser davantage.

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Fonte

Bien que l'acier et la fonte contiennent des traces de carbone et semblent similaires, il existe des différences significatives entre les deux métaux. L'acier contient moins de 2 % de carbone, ce qui permet au produit final de se solidifier en une seule structure microcristalline. La teneur en carbone plus élevée de la fonte signifie qu'elle se solidifie en tant qu'alliage hétérogène, et a donc plus d'une structure microcristalline présente dans le matériau.

Fonte grise Lorsque le métal est fracturé, la rupture se produit le long des flocons de graphite, ce qui lui donne la couleur grise à la surface du métal fracturé. Le nom fonte grise vient de cette caractéristique.
La fonte grise n'est pas aussi ductile que les autres formes de fonte et sa résistance à la traction est également plus faible. Cependant, il est un meilleur conducteur thermique et a un niveau d'amortissement des vibrations plus élevé. Il a une capacité d'amortissement 20 à 25 fois supérieure à celle de l'acier et supérieure à toutes les autres fontes. La fonte grise est également plus facile à usiner que les autres fontes et ses propriétés de résistance à l'usure en font l'un des produits en fonte les plus volumineux.
Fer blanc Lorsque le fer blanc est cisaillé, la face fracturée apparaît blanche en raison de l'absence de graphite. La structure microcristalline de cémentite est dure et cassante avec une résistance à la compression élevée et une bonne résistance à l'usure. Dans certaines applications spécialisées, il est souhaitable d'avoir du fer blanc sur la surface du produit. Ceci peut être réalisé en utilisant un bon conducteur de chaleur pour faire partie du moule. Cela évacuera rapidement la chaleur du métal fondu de cette zone spécifique, tandis que le reste de la coulée se refroidira à un rythme plus lent.
L'une des qualités les plus populaires de fer blanc est le fer Ni-Hard. L'ajout d'alliages de chrome et de nickel confère à ce produit d'excellentes propriétés pour les applications d'abrasion par glissement à faible impact.
Fer malléable Le fer blanc peut être transformé en fer malléable par un processus de traitement thermique. Un programme prolongé de chauffage et de refroidissement entraîne la décomposition des molécules de carbure de fer, libérant des molécules de graphite libres dans le fer. Différentes vitesses de refroidissement et l'ajout d'alliages produisent une fonte malléable à structure microcristalline.
Fonte ductile (fer nodulaire) La fonte ductile, ou fonte nodulaire, obtient ses propriétés particulières grâce à l'ajout de magnésium dans l'alliage. La présence de magnésium provoque la formation du graphite sous une forme sphéroïde par opposition aux flocons de fonte grise. Le contrôle de la composition est très important dans le processus de fabrication. De petites quantités d'impuretés telles que le soufre et l'oxygène réagissent avec le magnésium, affectant la forme des molécules de graphite. Différentes qualités de fonte ductile sont formées en manipulant la structure microcristalline autour du sphéroïde de graphite. Ceci est réalisé par le processus de coulée, ou par traitement thermique, en tant qu'étape de traitement en aval.

Acier

La composition chimique de l'acier moulé a une incidence importante sur les propriétés de performance et est souvent utilisée pour classer l'acier ou attribuer des désignations standard. Les aciers moulés peuvent être divisés en deux grandes catégories : l'acier moulé au carbone et l'acier moulé allié.

  • Les aciers coulés au carbone peuvent être classés en fonction de leur teneur en carbone. L'acier coulé à faible teneur en carbone (0,2 % de carbone) est relativement tendre et difficilement traitable à la chaleur. L'acier moulé à carbone moyen (0,2 à 0,5% de carbone) est un peu plus dur et se prête au renforcement par traitement thermique. L'acier coulé à haute teneur en carbone (0,5 % de carbone) est utilisé lorsqu'une dureté et une résistance à l'usure maximales sont souhaitées.
  • Alloy steel is categorized as either low or high-alloy. Low-alloy cast steel (≤ 8% alloy content) behaves similarly to normal carbon steel, but with higher hardenability. High-alloy cast steel (> 8% alloy content) is designed to produce a specific property, such as corrosion resistance, heat resistance, or wear resistance.
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Acier allié (acier inoxydable inclus)

Les alliages non ferreux ont une excellente usinabilité et la plupart sont plus légers que la famille du fer, mais ils n'ont pas la résistance et la ténacité requises pour de nombreuses applications sévères.

Common high-alloy steels include stainless steel (> 10.5% chromium) and Hadfield’s manganese steel (11–15% manganese). The addition of chromium, which forms a passivation layer of chromium oxide when exposed to oxygen, gives stainless steel excellent corrosion resistance. The manganese content in Hadfield’s steel provides high strength and resistance to abrasion upon hard working.

304 L'acier inoxydable austénitique avec une teneur en Ni supérieure à 8 %, alliage de qualité alimentaire, peut être utilisé pour couler des composants en acier inoxydable pour des applications domestiques et commerciales. C'est le matériau de moulage en acier inoxydable le plus utilisé. Les pièces moulées en acier inoxydable 304 peuvent être utilisées dans des environnements où l'air est moins corrosif.
316 Également acier inoxydable austénitique avec une teneur en Ni supérieure à 10 %. Pour sa teneur en Ni plus élevée, les pièces moulées en acier inoxydable 316 ont une meilleure résistance à la corrosion que les pièces moulées en acier inoxydable 304. Ces pièces moulées en acier inoxydable conviennent mieux à l'environnement marin avec des conditions atmosphériques relativement difficiles ou des matériaux chimiques doivent être mis en contact.
304L / 316L Les propriétés mécaniques sont proches de celles des matériaux 304 et 316. L représente une teneur en carbone inférieure, ce qui rend le matériau plus ductile, offre de bonnes performances de soudage et une résistance à la corrosion plus fiable. Le prix est plus élevé que celui des matériaux de même qualité.
410 & 416 La série 400 appartient à l'acier inoxydable martensitique, qui se caractérise par une résistance élevée, de bonnes performances de traitement et une dureté de traitement thermique élevée, et ne contient pas de Ni, de sorte que la résistance à la corrosion est faible.
17-4 PH 17-4 appartient à l'acier inoxydable martensitique avec une teneur en Ni de 3% à 5% et une bonne résistance à la corrosion. Il a la résistance la plus élevée de la série en acier inoxydable et est généralement utilisé pour les produits et composants qui ne sont pas sujets à la déformation.
2205 L'acier inoxydable duplex 2205 est un acier inoxydable composite composé de 22 % de chrome, 2,5 % de molybdène et 4,5 % de nickel-azote. Il présente une résistance élevée, une bonne résistance aux chocs et une bonne résistance globale et locale à la corrosion sous contrainte.

Aluminium

L'un des avantages les plus importants de la coulée d'aluminium est qu'elle crée des pièces plus légères, avec plus d'options de finition de surface que les autres alliages coulés. Bien sûr, de nombreux ingénieurs le choisissent car le matériau est facile à usiner et à couper. De plus, la fonte d'aluminium est polyvalente et résistante à la corrosion; il conserve une stabilité dimensionnelle élevée avec des parois minces et peut être utilisé dans presque toutes les industries.

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Alliages d'aluminium

Il existe huit alliages d'aluminium différents, numérotés de un à huit. Les trois premiers chiffres indiquent l'alliage avec lequel l'aluminium a été combiné. Pour les alliages de fonderie, une décimale est placée entre les troisième et quatrième chiffres, le quatrième chiffre indiquant la forme du produit. Comme indicateur supplémentaire, chaque alliage se voit attribuer un numéro de fissure, de corrosion, de finition et d'assemblage de un à cinq, un étant le meilleur et cinq étant le pire. Les alliages de la série 1000 ont une note de un dans toutes les catégories tandis que la série 8000 a un cinq dans toutes les catégories.

Série 1000 La série 1000 est la plus pure des alliages avec une teneur en aluminium de 99 %. Il est doux et ductile avec une excellente maniabilité. La série 1000 peut supporter un formage extrême car elle durcit lentement. Il est facilement soudable et se comporte bien pendant le traitement.
Série 2000 La série 2000 est alliée avec du cuivre contenant 2% à 10% de cuivre et de petits ajouts d'autres éléments. Le cuivre améliore la résistance et la dureté de l'aluminium mais réduit sa ductilité et sa résistance à la corrosion. La série 2000 est difficile à souder mais peut être traitée thermiquement.
Série 3000 L'élément d'alliage primaire pour la série 3000 est le manganèse. La combinaison de manganèse et d'aluminium a une bonne résistance à la corrosion mais est modérément résistante. Il s'agit d'un alliage d'aluminium non renforcé qui a subi un traitement thermique. Les principaux avantages de la série 3000 sont sa faible densité, sa bonne plasticité et sa soudabilité, sa résistance à la corrosion, sa ductilité et sa surface finie exceptionnellement lisse.
Série 4000 La série 4000 est alliée au silicium, ce qui confère à l'alliage un point de fusion bas et améliore sa fluidité. C'est l'un des alliages de fonderie les plus populaires en raison de la facilité de sa mise en forme à l'état fondu. La série 4000 est utilisée comme charge de soudage et de brasage.
Série 5000 La série 5000 est alliée au magnésium, ce qui lui confère une résistance à la traction et une formabilité exceptionnelles. Il est classé comme un alliage de tôles et de plaques à haute résistance avec une soudabilité élevée. La préférence de la série 5000 pour les applications de tôlerie est due à sa résistance aux acides et à la corrosion alcaline. Ces caractéristiques rendent la série 5000 adaptable aux environnements hostiles difficiles.
Série 6000 La série 6000 est alliée au magnésium et au silicium, ce qui confère à l'alliage sa résistance, ses propriétés mécaniques et sa résistance à la corrosion. Certaines versions de la série 6000 sont combinées avec les séries 4000 et 5000 pour améliorer les propriétés de la série 6000 . Le traitement de la série 6000 nécessite des équipements spécialisés à la pointe de la technologie, complexes et coûteux. A son excellente résistance à la corrosion et à l'oxydation s'ajoute la facilité avec laquelle il peut être enduit et traité ainsi que sa maniabilité.
Série 7000 Les alliages d'aluminium de la série 7000 sont les plus solides et les plus résistants des alliages avec un facteur de résistance qui correspond aux deux tiers de l'acier A3 de qualité industrielle. En raison de sa dureté élevée, la série 7000 présente une résistance à l'usure exceptionnelle, de bonnes propriétés mécaniques et une réaction anodique. Il est idéal pour couler des pièces qui doivent supporter de fortes contraintes telles que les composants d'avions. Le zinc est l'alliage d'aluminium 7000, ce qui contribue à augmenter sa dureté bien que le zinc ait la même dureté que l'aluminium sur l'échelle de Mohs.
Série 8000 L'alliage principal de la série 8000 est l'étain avec de petites quantités de cuivre et de nickel. Bien que cet alliage ait une faible résistance, il présente une excellente usinabilité et une excellente résistance à l'usure. La configuration des alliages pour la série 8000 change en fonction de l'utilisation qui sera faite du produit à fabriquer. Sa configuration détermine les performances thermiques, la densité et la rigidité du métal.

Le cuivre

Les alliages de cuivre coulé ont une résistance élevée à la traction et à la compression, ont de bonnes qualités d'usure lorsqu'ils sont soumis à un contact métal sur métal, sont facilement usinables, ont une bonne conductivité thermique et électrique et une résistance élevée à la corrosion pour maximiser les performances du produit. Il est le plus utilisé dans le domaine des beaux-arts.

Parce qu'il est facile à couler, a une longue histoire d'utilisation réussie, est facilement disponible auprès d'une multitude de sources, peut atteindre une gamme de propriétés physiques et mécaniques et est facilement usiné, brasé, soudé, poli ou plaqué.

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Coulée d'alliages de cuivre

Le cuivre pur est extrêmement difficile à couler et sujet aux fissures de surface, aux problèmes de porosité et à la formation de cavités internes. Les caractéristiques de coulée du cuivre peuvent être améliorées par l'ajout de petites quantités d'éléments tels que le béryllium, le silicium, le nickel, l'étain, le zinc, le chrome et l'argent.

Les alliages de cuivre coulé sont utilisés pour des applications telles que les roulements, les bagues, les engrenages, les raccords, les corps de vannes et divers composants pour l'industrie de traitement chimique. Ces alliages sont versés dans de nombreux types de pièces moulées telles que le sable, la coquille, l'investissement, le moule permanent, le sable chimique, le centrifugation et le moulage sous pression.

Laitons Les laitons sont des alliages de cuivre dans lesquels le zinc est le principal ajout d'alliage.
Les laitons peuvent également contenir des quantités spécifiées de plomb, d'étain, de manganèse et de silicium.
Plus la teneur en zinc des alliages cuivre-étain-(plomb)-zinc est faible, plus ils ressemblent à du cuivre, ou "rouges".
Bronzes Le terme "bronze" désignait à l'origine les alliages dans lesquels l'étain était le principal élément d'alliage.
Les bronzes à l'étain offrent une excellente résistance à la corrosion, une résistance raisonnablement élevée et une bonne résistance à l'usure. Utilisés dans les paliers lisses, ils s'usent particulièrement bien contre l'acier.
Monel/ Cupronickel Les bronzes nickel-étain se caractérisent par une solidité moyenne et une très bonne résistance à la corrosion, notamment en milieu aqueux. Un membre de cette famille, C94700, peut être durci par vieillissement à des résistances à la traction typiques aussi élevées que 75 ksi (517 MPa). La résistance à l'usure est particulièrement bonne. Comme les bronzes à l'étain, les bronzes au nickel-étain sont utilisés pour les roulements, mais ces alliages polyvalents trouvent plus fréquemment des applications comme composants de vannes et de pompes, engrenages, fourchettes de changement de vitesse et pièces de disjoncteur.