Le flux thermique en fonderie désigne le transfert d'énergie thermique du métal en fusion vers le matériau du moule. Ce processus contrôle la vitesse de solidification, affecte la qualité de la pièce et influence la structure du grain. Un flux thermique efficace assure un refroidissement uniforme, réduit les défauts comme le retrait et améliore les propriétés mécaniques de la pièce finale.
Le flux thermique dans la coulée des métaux correspond au déplacement de l'énergie thermique du métal liquide chaud vers un environnement plus froid pendant le processus de coulée. Ce transfert thermique se produit principalement de trois manières : par contact direct (conduction), par le mouvement du fluide (convection) et par les ondes électromagnétiques (rayonnement).
Lorsque vous versez du métal en fusion dans un moule, la température de départ varie de 1,200 °C à 3,000 XNUMX °C, selon le type de métal. Le métal doit refroidir et se solidifier pour former la pièce finale.
Lors de la solidification, la chaleur quitte le métal en fusion par trois méthodes principales.
La conduction transfère 90 % de la chaleur dans la plupart des procédés de moulage des métaux. Elle se produit lorsque la chaleur se déplace par contact direct entre le métal et la paroi du moule.
La formule du flux de chaleur conductrice est :
Q = k × A × (T₁ - T₂) / d
Où? :
Les moules en sable ont une faible conductivité thermique (k = 0.5-1.5 W/m·K). Les moules métalliques ont une conductivité beaucoup plus élevée (k = 50-400 W/m·K).
C'est pourquoi les pièces moulées refroidissent 10 fois plus vite dans les moules métalliques que dans les moules en sable.
La convection se produit lorsque des fluides en mouvement évacuent la chaleur. En fonderie, cela se produit à deux endroits.
À l'intérieur du métal liquide, le métal chaud monte tandis que le métal plus froid coule. Cela crée des courants qui contribuent à une répartition plus uniforme de la chaleur.
À l'extérieur du moule, l'air circulant à sa surface évacue la chaleur. La formule de convection est la suivante :
Q = h × A × (T_surface - T_air)
Où h est le coefficient de convection (généralement 10-100 W/m²·K pour le refroidissement par air).
Le rayonnement transfère la chaleur par ondes électromagnétiques. Les surfaces chaudes des moules diffusent la chaleur vers un environnement plus frais, sans aucun contact.
La formule du rayonnement est :
Q = ε × σ × A × (T₁⁴ - T₂⁴)
Où? :
Le rayonnement devient plus important à des températures plus élevées. À 1,800 20 °F, il peut représenter XNUMX % de la perte de chaleur totale.
Lorsqu'un métal passe de l'état liquide à l'état solide, il libère de la chaleur latente de fusion. Cette libération d'énergie ralentit le processus de refroidissement au point de congélation.
La chaleur totale à éliminer est égale à :
Q_total = m × [c_liquid × (T_pour - T_solidification) + L + c_solid × (T_solidification - T_final)]
Cette chaleur latente crée un plateau dans la courbe de refroidissement. Le métal reste à sa température de congélation jusqu'à ce que toute la chaleur latente soit évacuée.
En savoir plus sur le calculateur de transfert de chaleur
La circulation de la chaleur à travers votre pièce détermine si vous obtenez une pièce en bon état ou défectueuse. Examinons les principaux problèmes causés par une mauvaise circulation de la chaleur.
Le métal se rétracte d'environ 3 à 7 % lorsqu'il se solidifie. Si le métal liquide frais ne parvient pas à s'écouler pour combler cet espace, on obtient porosité de retrait.
Des déchirures chaudes se forment lorsque le métal en cours de solidification ne peut se contracter librement en raison des contraintes du moule. Elles apparaissent comme des irrégularités. fissures sur la surface de coulée.
Ces fissures se produisent à 85-95 % de fraction solide, lorsque le métal n'a aucune résistance. Des différences de température de 50 °C sur une section peuvent provoquer des déchirures à chaud.
Les ratés se produisent lorsque le métal se solidifie avant de remplir entièrement la cavité du moule. Le métal perd trop de chaleur et cesse de couler.
Les fermetures à froid se produisent lorsque deux flux métalliques se rencontrent, mais ne fusionnent pas correctement. Les surfaces ont trop refroidi pour se lier.
Ces deux défauts résultent d’une perte de chaleur excessive lors du coulage.
Porosité au gaz Crée des bulles rondes dans votre pièce moulée. Bien que non directement causées par le flux thermique, les variations de température affectent la solubilité des gaz dans le métal.
Le métal liquide peut contenir plus de gaz dissous que le métal solide. À mesure que le métal refroidit et se solidifie, l'excès de gaz forme des bulles.
