Quels facteurs affectent le formage du moulage sous pression en alliage d’aluminium ?

Comment se forme réellement le moulage sous pression en alliage d’aluminium

Le moulage sous pression d'aluminium couvre la famille de processus dans lesquels l'alliage d'aluminium fondu est forcé dans une cavité en acier trempé à haute vitesse et solidifié sous pression. Les alliages utilisés sont presque entièrement des systèmes Al-Si hypoeutectiques, dont la composition chimique est définie par les normes ISO 3522, EN 1706 et ASTM B85, et la qualité du moulage est normalement évaluée par rapport à ASTM B85 ou GB/T 15114. Un alliage de moulage sous pression typique tel que AlSi11Cu3 fond à près de 580 degrés Celsius, est maintenu et coulé entre environ 650 et 700 degrés Celsius, et est injecté dans un mourir dont la surface de travail se situe entre 180 et 250 degrés Celsius. Le temps de remplissage est mesuré en dizaines de millisecondes et le métal pénètre dans la cavité par une porte à grande vitesse, de sorte que chaque paramètre du cycle interagit avec les autres.

Les pièces moulées en alliage d'aluminium sont utilisées dans l'aérospatiale, l'automobile, les communications, l'ingénierie mécanique, la construction navale et les usines chimiques. Les critères d'acceptation de l'industrie pour ces marchés sont exigeants : la surface coulée doit être exempte de fissures, de fractures, de fermetures à froid, de sous-remplissage, de dépressions de retrait et de tout défaut pénétrant dans le mur. Le résultat du formage dépend de la surchauffe de l'alliage, de la température de la matrice, de la complexité de la pièce, du système d'injection et de trop-plein et de la géométrie de l'injection.

Porosité du gaz due à un raffinage et un dégazage incomplets

L'hydrogène est le seul gaz ayant une solubilité appréciable dans l'aluminium liquide, et sa solubilité dans le liquide est environ vingt fois supérieure à sa solubilité dans le solide au point de fusion. Lors de la solidification, l'excès d'hydrogène est rejeté du front de solidification et précipite sous forme de bulles, produisant un grand nombre de petits pores irréguliers répartis dans la section. Retirer le gaz avant le tir est donc la première exigence du procédé.

Traitement par fusion : le dégazage rotatif à l'argon ou à l'azote, combiné à un flux approprié, abaisse l'hydrogène dissous à un objectif typique inférieur à 0,15 centimètre cube pour 100 grammes.

Contrôle de la température : une surchauffe excessive augmente l'absorption de gaz-, la température de maintien doit donc être maintenue proche de la plage de fonctionnement plutôt que augmentée pour des raisons de commodité.

Qualité de la charge : les déchets humides, huileux ou peints introduisent de l'hydrogène et doivent être exclus ou préséchés-

Transfert : les turbulences lors du transfert du four au four de maintien entraînent du gaz et doivent être minimisées

Lorsque le raffinage et le dégazage sont adéquats, la porosité restante est généralement dominée par les autres mécanismes décrits ci-dessous plutôt que par la précipitation de l'hydrogène.

Gaz piégés en raison d'une mauvaise ventilation de la matrice

L'air et les produits de décomposition de l'agent de démoulage sont piégés dans la cavité s'ils ne peuvent pas s'échapper devant la façade métallique. Le résultat est des pores arrondis, souvent concentrés dans les dernières régions remplies, dans des poches aveugles et à l'extrémité de longs trajets d'écoulement. Les mesures correctives sont mécaniques plutôt que métallurgiques :

Des évents sont découpés au niveau de la ligne de joint et aux extrémités des dernières régions remplies, avec une profondeur généralement comprise entre 0,05 et 0,15 millimètres afin que le gaz s'échappe mais que le métal ne s'éclaire pas.

Les puits de trop-plein placés au-delà des dernières zones remplies donnent au métal avant oxydé un endroit où aller au lieu d'être repoussé dans la pièce.

Les conduits de ventilation doivent être nettoyés selon un horaire fixe, car les peaux d'aluminium et les résidus d'agent démoulant les bloquent progressivement.

La coulée assistée par vide, dans laquelle la cavité est évacuée avant et pendant le tir, élimine activement l'air de la cavité et réduit considérablement cette classe de défauts.

La vitesse du portail et le modèle de remplissage de la cavité devront peut-être être retravaillés afin que le dernier point rempli coïncide avec un évent.

Porosité de retrait et alimentation par solidification

L'aluminium se contracte lors de la solidification, avec un retrait volumétrique de l'ordre d'environ six à huit pour cent pour les alliages de moulage sous pression, qui apparaît comme une contraction linéaire d'environ 0,4 à 0,7 pour cent qui doit être compensée dans les dimensions de la cavité de la matrice. Puisqu'il n'y a pas de mécanisme d'alimentation de la colonne montante dans le moulage sous pression à haute pression, la contraction doit être absorbée par la pression d'intensification appliquée avant que la porte ne gèle.

Des pores de retrait se forment aux endroits qui se solidifient en dernier lieu, ils suivent donc les points chauds thermiques de la pièce

Les cas graves se présentent sous la forme de cavités allongées, filamenteuses ou maillées-qui entourent les pores de gaz, formant un réseau plutôt que des vides ronds isolés.

L'augmentation de la température de coulée augmente le volume de retrait et élargit l'écart entre le dernier point de solidification et la fenêtre d'application de la pression.

L’augmentation de la pression d’intensification et le retardement du point de gel de la porte améliorent tous deux l’alimentation, mais seulement si la porte n’est pas encore fermée hermétiquement.

Variation de l'épaisseur de paroi et équilibre de refroidissement

Les conceptions combinent fréquemment des bossages lourds avec des nervures et des âmes fines. Le centre de la paroi la plus épaisse est la dernière région à se solidifier et l'endroit le plus susceptible de présenter une porosité de retrait, tandis que les sections minces se remplissent et gèlent presque instantanément. Les recommandations habituelles sont de maintenir l'épaisseur nominale de paroi entre 1,5 et 4,5 millimètres en fonction de la taille de la pièce, d'éviter les transitions brusques et d'utiliser des changements d'épaisseur progressifs avec des rayons généreux.

Ajoutez des circuits de refroidissement, des chicanes ou des barboteurs aux sections lourdes et réduisez le refroidissement à proximité des nervures fines.

Utilisez des nervures au lieu de parois épaisses lorsque la rigidité plutôt que la masse est requise, car une section nervurée refroidit plus uniformément.

Équilibrez le champ thermique de manière à ce que toutes les régions s'approchent du même temps de solidification, ce qui est la définition pratique de la solidification directionnelle dans un moulage sous pression.

Simulez le remplissage et la solidification dès la conception, car la porosité provoquée par un champ thermique déséquilibré ne peut être corrigée par le seul ajustement des paramètres d'injection.

Contrôle thermique des matrices et son effet sur la qualité

Étant donné que la porosité aux gaz et au retrait dépend toutes deux de l’histoire thermique du métal, le contrôle de la température du moule est le levier le plus direct sur la qualité de la coulée. Les contrôleurs de température de filière, utilisant de l'huile ou de l'eau comme fluide caloporteur, préchauffent la filière à sa température de fonctionnement avant le début de la production, puis la maintiennent là, la refroidissant et la chauffant selon les besoins.

Le préchauffage réduit le gradient de température entre la surface de la matrice et son intérieur lors des premiers tirs, ce qui évite les fissures thermiques et la défaillance prématurée de la matrice.

Le maintien d'une température de matrice constante entre les tirs raccourcit le temps de démarrage-et de redémarrage après des interruptions et stabilise les dimensions et la densité de la coulée.

Un champ thermique stable réduit la quantité d'agent de démoulage nécessaire, ce qui à son tour réduit le gaz apporté par la décomposition de l'agent de démoulage.

Moins de cycles thermiques signifient une contrainte thermique plus faible et une croissance plus lente des contrôles thermiques sur la surface de la matrice, prolongeant ainsi la durée de vie d'une matrice fabriquée à partir d'acier à outils de travail à chaud au chrome tel que H13 spécifié selon ASTM A681.

Une consommation d'eau de refroidissement réduite et un temps de cycle plus court résultent d'une température qui n'a pas besoin d'être rétablie-après chaque arrêt.

Référence de la fenêtre de processus

Vérification et acceptation des défauts

Tout changement d'alliage, de température de matrice ou de déclenchement doit être vérifié par rapport à une base d'acceptation définie. L’inspection visuelle couvre les défauts de surface et les fermetures à froid. La solidité interne est évaluée par examen radiographique, avec des niveaux de gravité acceptables jugés par rapport aux radiographies de référence de la norme ASTM E505 pour les pièces moulées sous pression en aluminium et en magnésium, ou en sectionnant un premier échantillon et en mesurant la porosité sur une section transversale polie. Les pièces étanches à la pression sont testées contre les fuites et la conformité dimensionnelle est confirmée sur une machine à mesurer tridimensionnelle avant que la matrice ne soit mise en production. L'enregistrement de la température de la filière, de la température de fusion et du niveau de vide pour chaque équipe permet de relier une plainte de porosité à un écart de processus plutôt qu'à la conception.

Foire aux questions

Q : Quelle est la principale cause de la porosité dans les pièces moulées sous pression en aluminium ?
Les principales causes sont l'hydrogène dissous qui n'est pas éliminé par le raffinage et le dégazage, les gaz de cavité piégés par une ventilation inadéquate et les vides de retrait au niveau des points chauds thermiques. Un seul casting contient souvent plusieurs types à la fois.

Q : Pourquoi la porosité du gaz augmente-t-elle lorsque la matière fondue est surchauffée ?
La solubilité de l'hydrogène dans l'aluminium liquide augmente avec la température et diminue fortement lors de la solidification, de sorte qu'une surchauffe plus élevée signifie que davantage de gaz doit être rejeté à mesure que le métal gèle, produisant des pores plus nombreux et plus grands.

Q : Quelle doit être la profondeur des évents de moulage sous pression ?
Entre environ 0,05 et 0,15 millimètres. Le canal doit être suffisamment profond pour permettre au gaz de s'échapper devant le front métallique, mais suffisamment peu profond pour que le métal lui-même ne puisse pas le traverser.

Q : Le contrôle de la température de la matrice modifie-t-il réellement la qualité du moulage ?
Oui. Le maintien de la matrice à une température de travail constante stabilise le remplissage et la solidification, réduit la consommation d'agent de démoulage, diminue les contraintes thermiques dans la matrice et rend les dimensions et la densité de coulée plus cohérentes d'un coup à l'autre.

Q : Comment distinguer la porosité par retrait de la porosité gazeuse ?
Les pores de retrait suivent les dernières régions de solidification, ont des formes irrégulières allongées ou maillées- et sont entourés de parois lisses, tandis que les pores de gaz sont arrondis et plus largement dispersés, souvent concentrés dans les dernières zones remplies.

Q : Quelle épaisseur de paroi doit-on utiliser dans une conception moulée sous pression ?
Des parois nominales de 1,5 à 4,5 millimètres sont typiques. Les murs uniformes avec des transitions progressives et des rayons généreux se solidifient plus uniformément, tandis que les lourds bossages doivent être remplacés par des sections nervurées partout où la rigidité le permet.