Qu'est-ce que le retrait dans les défauts de moulage

Le retrait en fonderie métallique désigne des cavités internes ou des retassures superficielles qui se forment lorsque le métal en fusion se contracte d'environ 1 à 6 % lors de la solidification. Sans des colonnes montantes correctement placées pour alimenter le métal liquide, celui-ci ne peut compenser la perte de volume, laissant des vides qui fragilisent la pièce finie.

Qu'est-ce que le retrait dans la coulée de métaux

Le retrait en fonderie désigne la contraction volumétrique qui se produit lorsque le métal en fusion refroidit et se solidifie, entraînant une réduction du volume du métal solide. Les métaux étant généralement moins denses à l'état liquide que solide, tous les métaux coulés subissent un retrait lors de la solidification. Si cette contraction naturelle n'est pas correctement compensée (par exemple, par un apport supplémentaire de métal en fusion pendant la solidification), des vides ou des cavités peuvent se former dans la pièce moulée.

Ces vides liés au retrait constituent une classe de défauts de moulage courante, distincte de porosité du gaz. Notamment, les vides de retrait ont tendance à avoir des formes irrégulières, déchiquetées ou angulaires (en raison de la séparation du réseau dendritique en cours de solidification), tandis que les trous de porosité du gaz sont généralement lisses et arrondis.

Les trois étapes du rétrécissement

Étape 1 : Rétrécissement du liquide

Le retrait liquide commence immédiatement après le coulage du métal en fusion dans le moule. Le métal se contracte en refroidissant, de sa température de coulée à sa température de liquidus (point de début de solidification). Durant cette étape, le métal reste entièrement liquide et peut s'écouler librement pour compenser les variations de volume.

Étape 2 : Retrait de solidification

Le retrait de solidification se produit lorsque le métal passe de l'état liquide à l'état solide à la température de congélation. Cette étape entraîne la réduction de volume la plus importante, car les atomes se regroupent plus étroitement dans la structure cristalline solide. Une fois solidifié, le métal ne peut plus s'écouler pour combler les vides, ce qui en fait l'étape la plus critique pour la formation de défauts.

Étape 3 : Contraction à l'état solide

La contraction à l'état solide se produit après la solidification complète du métal et son refroidissement jusqu'à température ambiante. Le métal solide se contracte uniformément dans toutes les directions durant cette étape. Cette contraction est généralement prévisible et provoque des variations dimensionnelles globales plutôt que des défauts internes.

Types de défauts de retrait

Rétrécissement ouvert

Les défauts de retrait ouverts se connectent à l'atmosphère ou à la surface de la pièce moulée. Ces défauts sont visibles lors de l'inspection et apparaissent souvent sur les surfaces supérieures des pièces moulées. Il existe deux principaux types de retrait ouvert :

• PipesCavités profondes en forme d'entonnoir qui s'étendent de la surface de la pièce coulée vers l'intérieur. Elles se forment lorsque le métal liquide ne peut alimenter les zones de retrait situées en dessous.
• Surfaces effondrées:Creux superficiels à la surface de la pièce, causés par une quantité insuffisante de métal liquide pour compenser le retrait de solidification. Ces creux se présentent sous la forme d'empreintes en forme de cuvette.

Rétrécissement fermé

Les défauts de retrait fermés se forment entièrement à l'intérieur de la pièce moulée, sans contact avec aucune surface. Ces vides internes sont plus difficiles à détecter et nécessitent un contrôle par rayons X ou ultrasons. Trois types de retrait fermé se produisent fréquemment :

• Macro-rétrécissement:Grandes cavités visibles à l'œil nu lors du découpage de la pièce. Elles se forment généralement dans les sections épaisses ou aux points chauds.
• Cavités de la ligne centraleVides de retrait linéaires qui se forment le long de l'axe central des pièces moulées cylindriques ou symétriques. Ils se développent lorsque la solidification progresse uniformément sur tous les côtés.
• Micro-rétrécissement: De minuscules vides sont dispersés dans la pièce moulée, souvent entre les bras de dendrites. Ces défauts microscopiques réduisent les propriétés mécaniques, même lorsqu'ils sont petits individuellement.

L'influence des modes de solidification sur le comportement de retrait

Solidification eutectique

La solidification eutectique se produit à une température unique où le liquide se transforme directement en solide sans zone pâteuse.

Les alliages eutectiques ont tendance à former des défauts de retrait de type tube plutôt qu'une porosité dispersée. Le front de solidification clair permet une meilleure alimentation en métal liquide pour compenser le retrait.

Solidification directionnelle

La solidification directionnelle progresse d'une extrémité à l'autre de la pièce moulée de manière contrôlée. Ce mode crée un gradient de température qui maintient le métal liquide disponible pour alimenter les zones de retrait. Les pièces moulées correctement conçues utilisent la solidification directionnelle pour repousser le retrait dans les colonnes montantes plutôt que dans la pièce elle-même.

Solidification équiaxe (molle)

La solidification équiaxe crée une large zone pâteuse où liquide et solide coexistent sur une plage de températures donnée. Les alliages d'aluminium et de nombreux aciers se solidifient de cette manière. Ce schéma de solidification dispersé rend difficile l'alimentation en métal liquide.

Ce mode produit généralement un micro-retrait et une porosité dispersée plutôt que de grandes cavités. Le réseau interconnecté de dendrites solides bloque les voies d'écoulement du liquide dès le début de la solidification.

Cause du rétrécissement

L'influence de la géométrie de moulage

La géométrie de la pièce moulée détermine directement où et comment se forment les défauts de retrait. Certaines caractéristiques géométriques créent des conditions favorisant le retrait :

• Points chaudsLes sections épaisses qui refroidissent plus lentement que les zones environnantes créent des flaques de liquide isolées. Ces zones ne peuvent pas recevoir de liquide après la solidification du métal environnant, ce qui entraîne des cavités de retrait.
• Variation de l'épaisseur de la section:De brusques changements de sections épaisses à minces perturbent la solidification uniforme. Les sections épaisses se solidifient en dernier et présentent souvent des défauts de retrait dans les zones de transition.

Composition de l'alliage et caractéristiques de congélation

L'alliage métallique spécifique et son comportement de solidification influencent fortement la formation de défauts de retrait :

• Retrait volumétrique:Les différents alliages se contractent à des degrés différents. L'aluminium pur se rétracte de 6.6 %, tandis que l'ajout de 12 % de silicium réduit ce retrait à 3.8 %.
• Plage de solidification (congélation)Les alliages présentant une large plage de température de solidification (différence entre les températures de liquidus et de solidus) sont plus sujets au micro-retrait. Les métaux purs et les alliages eutectiques présentant une plage de température étroite forment des profils de retrait plus nets.
• Éléments d'alliage: Certains éléments influencent le retrait. Le silicium présent dans l'aluminium réduit le retrait, tandis que le soufre présent dans l'acier peut augmenter la tendance au déchirement à chaud.

Paramètres de process

La manière dont le métal est coulé et refroidi a un impact significatif sur la formation de défauts de retrait :

• Température de coulée: Des températures de coulée plus élevées augmentent le retrait total dû au refroidissement liquide. Une surchauffe excessive ralentit également la solidification, ce qui laisse plus de temps aux cavités de retrait pour se former.
• Taux de versementUne coulée rapide maintient la température, mais peut provoquer des turbulences. Une coulée lente favorise une solidification prématurée qui bloque les voies d'alimentation.
• Taux de refroidissementUn refroidissement rapide réduit le temps d'alimentation en liquide, mais peut augmenter les gradients thermiques. Un refroidissement lent permet une alimentation plus complète, mais peut créer des structures granulaires plus grosses.

Conception de moules et de colonnes montantes

Une conception appropriée du système de moulage empêche le rétrécissement par :

• Conception de moules: Un positionnement adéquat des entrées et des canaux favorise une solidification optimale. Le remplissage par le bas réduit les turbulences, tandis qu'une ventilation adéquate empêche le piégeage de gaz, facteur aggravant les problèmes de retrait.
• Conception de la colonne montanteLes masselottes doivent se solidifier après les sections de coulée qu'elles alimentent. Le volume de la masselotte doit être de 1.2 à 2 fois supérieur au volume de retrait de la section alimentée. Des dimensions de col appropriées garantissent un écoulement continu du liquide tout en facilitant le retrait de la masselotte.

Taux de refroidissement et frissons

Le refroidissement contrôlé gère les schémas de solidification grâce à :

• Taux de refroidissement:Une vitesse de refroidissement plus rapide (obtenue en utilisant des refroidisseurs - dissipateurs thermiques placés dans le moule, ou en utilisant des moules métalliques dans la coulée en moule permanent) permettra au métal de geler plus rapidement et plus uniformément, ce qui peut réduire la taille des cavités de retrait ou les éliminer en forçant la solidification directionnelle vers les alimentateurs.
• Frissons rafraîchissantsLes refroidisseurs déplacent efficacement les points chauds en extrayant la chaleur à des endroits stratégiques, favorisant ainsi la congélation précoce de ces zones (et donc leur alimentation par des zones encore en fusion situées ailleurs). À l'inverse, un refroidissement très lent (comme dans les moules isolants ou les pièces moulées de très grandes dimensions) peut entraîner une ségrégation importante du liquide et favoriser la formation de vides de retrait importants.