COULAGE ET OBTENTION DE LA COPIE (partie 3/3)

## Objectifs et prérequis **Objectifs** : À la fin de ce chapitre, l’élève sera capable de : - préparer un moule adapté à la pièce à reproduire en respectant les paramètres d’humidité, de compaction et d’agent de démoulage ; - réaliser une coulée métallique en maîtrisant la température de fusion, le débit de versement et les paramètres atmosphériques ; - démouler, nettoyer et contrôler la copie obtenue, en appliquant les traitements thermiques de base et les méthodes de contrôle dimensionnel ; - identifier les défauts les plus fréquents et appliquer les règles de sécurité et d’hygiène propres à la fonderie. **Prérequis** : connaissances de base en technologie des matériaux (métaux ferreux et non ferreux), lecture de plans de pièces simples, notions de sécurité en atelier (port des EPI, manipulation de substances chaudes), et utilisation d’instruments de mesure (pied à coulisse, micromètre, jauge d’épaisseur). --- ## Introduction Le coulage et l’obtention de la copie constituent la troisième étape du processus de fabrication d’une pièce par moulage en sable. Cette phase transforme le modèle (ou patron) en une pièce métallique prête à l’usage ou à l’usinage. Au Cameroun, les ateliers de fonderie artisanale et semi‑industrielle (ex. : ateliers de Yaoundé, Douala, Bafoussam) utilisent principalement des moules en sable vert pour la production de pièces de quincaillerie, de pièces agricoles et de composants mécaniques. Maîtriser chaque opération, de la préparation du moule au contrôle final, permet de garantir la qualité dimensionnelle, l’aspect superficiel et la résistance mécanique attendues, tout en limitant les rebuts et les risques d’accident. --- ## I. Préparation du moule et choix des matériaux de coulée ### A. Types de moules - **Moule en sable vert** : mélange de sable siliceux, d’argile (bentonite) et d’eau ; adapté aux pièces de forme complexe et aux productions en petite série. - **Moule en plâtre** : utilisé pour les alliages à bas point de fusion (aluminium, zinc) lorsqu’une bonne finition de surface est requise. - **Moule en céramique** : réservé aux pièces nécessitant une haute résistance thermique (aciers spéciaux). > **Le choix du type de moule dépend du métal à couler, de la géométrie de la pièce et du volume de production.** ### B. Préparation du sable de moulage 1. **Tamiser** le sable pour éliminer les impuretés (> 0,5 mm). 2. **Mélanger** avec 5‑8 % d’argile bentonite et 3‑5 % d’eau (poids sec du sable). 3. **Tester l’humidité** : une boule de sable doit se former sans laisser de trace d’eau sur les mains (test du « poing fermé »). 4. **Compacter** le sable autour du modèle à l’aide d’une pilonne ou d’une presse vibrante ; la densité cible est de 1,6 g cm⁻³ (±0,05). > **Une humidité trop élevée provoque des défauts de vapeur (porosité) ; une humidité trop faible entraîne un manque de cohésion et des éboulements du moule.** ### C. Application d’agents de démoulage - **Agent liquide** (silicone ou graphite dilué) pulvérisé à 0,1 mm d’épaisseur sur la surface du moule avant le placement du modèle. - **Agent poudre** (talc ou graphite sec) saupoudré légèrement après le compactage. > **L’agent de démoulage réduit l’adhérence métal‑sable et facilite le démoulage sans endommager la copie.** --- ## II. Réalisation de la coulée ### A. Fusion du métal | Métal | Température de fusion (°C) | Atmosphère recommandée | |-------|----------------------------|------------------------| | Fonte grise | 1150‑1300 | Air neutre (pas de soufflage excessif) | | Aluminium (alliage Al‑Si) | 600‑660 | Atmosphère sèche, éventuellement couverture d’azote | | Laiton (Cu‑Zn) | 900‑940 | Air avec faible teneur en oxygène (éviter la formation d’oxyde de zinc) | - Utiliser un creuset en graphite ou en acier réfractaire, préchauffé à 150 °C pour éviter le choc thermique. - Surveiller la température avec un pyromètre optique (±5 °C). > **Une température de fusion trop basse peut entraîner un mauvais écoulement et des inclusions d’oxyde ; une température trop élevée augmente l’absorption d’hydrogène et la porosité.** ### B. Versement contrôlé - **Débit** : régler la taille de l’orifice de versement pour obtenir un débit de 0,5‑2 kg s⁻¹ selon la masse de la pièce. - **Température de versement** : maintenir le métal entre 50 °C et 100 °C au-dessus de sa température de fusion (ex. : aluminium versé à 680‑710 °C). - **Technique** : verser en filet continu depuis le haut du moule, en évitant les éclaboussures ; utiliser une cuillère en acier réfractaire ou un tuyau de versement avec buse conique. > **Un débit trop élevé crée de la turbulence et des inclusions d’air ; un débit trop faible entraîne un refroidissement prématuré et des défauts de remplissage.** ### C. Gestion des défauts courants | Défaut | Cause principale | Mesure corrective | |--------|------------------|-------------------| | Porosité gazeuse | Humidité du sable, gaz dissous dans le métal | Réduire l’humidité du sable, dégazer le métal (gaz d’argon ou d’azote) | | Rétraction | Solidification incomplète, manque de métal d’alimentation | Augmenter le volume de la réserve (riser) ou améliorer l’alimentation par des canaux d’alimentation | | Inclusions d’oxyde | Oxydation du métal lors du chauffage, sable contaminé | Utiliser un couvert de protection (flux) sur le métal et filtrer le sable avant usage | | Fissures à chaud | Contraintes thermiques élevées, refroidissement trop rapide | Prévoir un refroidissement contrôlé (isolation du moule, couverture thermique) | --- ## III. Obtention et finition de la copie ### A. Démoulage et nettoyage 1. **Attendre le refroidissement** : laisser la pièce dans le moule jusqu’à ce que la température soit inférieure à 150 °C (mesure au pyromètre contact). 2. **Casser le moule** : retirer délicatement le sable à l’aide d’un marteau en caoutchouc et d’une brosse métallique. 3. **Débarder** : éliminer les restes de sable et d’agent de démoulage avec de l’air comprimé (< 0,5 MPa) ou une brosse douce. 4. **Inspection visuelle** : rechercher les défauts superficiels (bavures, adhésions de sable). > **Le démoulage à chaud (température > 300 °C) augmente le risque de déformation et de fissures à chaud ; privilégier le démoulage à tiède.** ### B. Traitements thermiques de base - **Recuit** (pour aciers doux) : chauffer à 650‑700 °C pendant 1 h, puis refroidir lentement dans le four (< 30 °C h⁻¹). - **Trempe** (pour aciers à haute teneur en carbone) : chauffer à 800‑860 °C, maintenir 30 min, puis refroidir brusquement dans de l’huile ou de l’eau polymère. - **Revenu** (après trempe) : chauffer à 150‑250 °C pendant 1 h, refroidir à l’air. > **Le recuit réduit les contraintes internes et améliore la machinabilité ; la trempe augmente la dureté mais peut rendre le matériau fragile si le revenu est omis.** ### C. Contrôle dimensionnel et aspect superficial - **Mesure** : utiliser un pied à coulisse (précision ±0,02 mm) pour les diamètres extérieurs et un micromètre (±0,005 mm) pour les épaisseurs. - **Contrôle de la rugosité** : rugosomètre à contact, valeur Ra cible selon la fonction (ex. : Ra ≤ 3,2 µm pour une surface de glissement). - **Contrôle géométrique** : vérifier les tolérances de forme (cylindricité, concentricité) avec un comparateur à cadran ou une machine à mesurer tridimensionnelle (MMT) si disponible. > **Toute pièce dépassant les tolérances spécifiées doit être reprise (meulage, tournage) ou rejetée selon le critère de rebut établi par l’atelier.** --- ## Synthèse du chapitre - **Préparation du moule** : sable vert (5‑8 % argile, 3‑5 % eau), compactage à 1,6 g cm⁻³, agent de démoulage appliqué. - **Coulée** : température de fusion adaptée au métal, versement à +50‑100 °C au-dessus de Tf, débit contrôlé 0,5‑2 kg s⁻¹, prévention de la turbulence. - **Défauts** : porosité (humidité, gaz), rétraction (alimentation insuffisante), inclusions (oxydation, sable sale), fissures à chaud (refroidissement trop rapide). - **Démoulage** : attendre < 150 °C, casser le moule, nettoyer à l’air comprimé, inspecter visuellement. - **Traitements thermiques** : recuit (650‑700 °C, refroidissement lent), trempe (800‑860 °C, refroidissement rapide), revenu (150‑250 °C). - **Contrôle** : mesure dimensionnelle (pied à coulisse, micromètre), rugosité (Ra ≤ 3,2 µm selon usage), tolérances géométriques comparées au plan. - **Sécurité** : port de lunettes, gants résistants à la chaleur, masque anti‑poussière, éloignement des sources d’ignition, ventilation des vapeurs métalliques. --- ## Glossaire - **Sable vert** : mélange de sable siliceux, d’argile bentonite et d’eau utilisé pour les moules de fonderie. - **Agent de démoulage** : substance (silicone, graphite, talc) appliquée sur la surface du moule pour faciliter l’extraction de la pièce. - **Pyromètre** : instrument de mesure de température sans contact, basé sur le rayonnement infrarouge. - **Riser** : réserve de métal placée dans le moule pour compenser la rétraction lors de la solidification. - **Trempe** : chauffage suivi d’un refroidissement rapide pour augmenter la dureté d’un acier. - **Revenu** : chauffage à température modérée après trempe pour réduire la fragilité et relâcher les contraintes. - **Rugosité (Ra)** : moyenne arithmétique des écarts du profil de surface par rapport à la ligne moyenne, exprimée en micromètres. - **Comparateur à cadran** : instrument de mesure permettant de détecter des variations dimensionnelles de l’ordre de quelques micromètres. - **MMT (Machine à Mesurer Tridimensionnelle)** : dispositif automatisé qui mesure les coordonnées XYZ d’une pièce pour vérifier ses tolérances géométriques. - **Flux** : produit chimique (souvent à base de chlorure ou de fluorure) ajouté au métal fondu pour empêcher l’oxydation et faciliter l’élimination des inclusions. - **Gaz d’argon** : gaz inerte utilisé pour dégazer le métal fondu et éviter la porosité gazeuse. - **Vibrocompactage** : procédé de compactage du sable par vibrations afin d’obtenir une densité uniforme et élevée. --- ## Exercices d'application corrigés ### Exercice 1 – Préparation d’un moule en sable vert **Consigne** : Un atelier doit réaliser un moule pour une pièce en fonte grise de masse 12 kg. Le sable utilisé possède une densité apparente de 1,55 g cm⁻³ sec. Déterminer la quantité d’eau (en grammes) nécessaire pour obtenir une teneur en eau de 4 % en poids du sable sec, sachant que l’argile représente 6 % du poids total du mélange sable‑argile‑eau. **Corrigé** : 1. Soit \(M_s\) la masse de sable sec, \(M_a\) la masse d’argile, \(M_e\) la masse d’eau. 2. On sait que \(M_a = 0,06 (M_s + M_a + M_e)\) et \(M_e = 0,04 M_s\). 3. En posant \(M_t = M_s + M_a + M_e\) (masse totale du mélange), on a \(M_a = 0,06 M_t\). 4. Donc \(M_t = M_s + 0,06 M_t + 0,04 M_s\) → \(M_t - 0,06 M_t = 1,04 M_s\) → \(0,94 M_t = 1,04 M_s\) → \(M_t = \frac{1,04}{0,94} M_s ≈ 1,1064 M_s\). 5. Alors \(M_a = 0,06 × 1,1064 M_s ≈ 0,0664 M_s\). 6. La masse totale du mélange sable‑argile‑eau est donc \(M_t = M_s + 0,0664 M_s + 0,04 M_s = 1,1064 M_s\) (vérifié). 7. La masse de sable sec nécessaire pour obtenir une masse totale de mélange qui remplira le moule est estimée à partir du volume du moule. Supposons que le volume du moule soit \(V = 8 000 cm³\) (typique pour une pièce de 12 kg de fonte, densité ≈ 7,2 g cm⁻³). La masse de sable nécessaire (en tenant compte du facteur de remplissage de 0,6) est : \(M_{sable} = V × densité de sable × facteur de remplissage\) \(= 8000 cm³ × 1,55 g cm⁻³ × 0,6 ≈ 7 440 g\). 8. Donc \(M_s ≈ 7 440 g\). 9. Masse d’eau : \(M_e = 0,04 × M_s = 0,04 × 7 440 g = 297,6 g\). **Réponse** : environ **298 g d’eau** doivent être ajoutés au sable sec. --- ### Exercice 2 – Contrôle dimensionnel après trempe **Consigne** : Une pièce en acier C45 (0,45 % C) a été trempée puis revenue à 200 °C. Le diamètre nominal de l’arbre est 20,00 mm avec une tolérance de ±0,05 mm. Après contrôle au micromètre, les mesures suivantes sont obtenues : 20,07 mm, 20,02 mm, 19,98 mm, 20,04 mm. Déterminer si la pièce est conforme et proposer une action corrective si nécessaire. **Corrigé** : - Tolérance inférieure : 20,00 mm – 0,05 mm = 19,95 mm. - Tolérance supérieure : 20,00 mm + 0,05 mm = 20,05 mm. - Les mesures : 20,07 mm (hors tolérance supérieure), 20,02 mm (dans), 19,98 mm (dans), 20,04 mm (dans). - Une mesure (20,07 mm) dépasse la limite supérieure de 0,02 mm. **Conclusion** : La pièce n’est pas conforme car elle présente un dépassement de diamètre sur une zone. **Action corrective** : 1. Identifier la zone de surdimension (probablement liée à une contraction différentielle lors de la trempe). 2. Effectuer une légère rectification (meulage ou tournage) pour ramener le diamètre à 20,00 mm ±0,02 mm (en laissant une marge de sécurité). 3. Après rectification, réaliser un revenu à 200 °C pendant 1 h pour relâcher les contraintes induites par le meulage. 4. Re‑contrôler le diamètre ; si toutes les mesures sont dans l’intervalle [19,95 mm, 20,05 mm], la pièce est acceptée. --- ## Erreurs fréquentes et règles de sécurité | Erreur fréquente | Conséquence | Règle de prévention / bonne pratique | |------------------|-------------|--------------------------------------| | **Sable trop humide** (test du poing fermé non respecté) | Formation de vapeur → porosité gazeuse, éclaboussures lors du versement | Toujours vérifier l’humidité du sable avant le compactage ; ajuster l’eau progressivement. | | **Versement trop rapide** (débit > 2 kg s⁻¹) | Turbulence → inclusions d’air, défauts de surface | Régler la taille de l’orifice de versement ; utiliser un débitmètre ou un chronomètre pour maîtriser le temps de remplissage. | | **Oubli du revêtement de protection du métal** (pas de flux) | Oxydation du métal fondu → inclusions d’oxyde, mauvaise mouillabilité du moule | Appliquer un flux adapté (ex. : NaCl‑KCl pour l’aluminium) immédiatement après la mise en fusion. | | **Démoulage à chaud** (pièce > 300 °C) | Déformation, fissures à chaud, risque de brûlure pour l’opérateur | Attendre que la température du morceau descende en dessous de 150 °C (vérifier avec pyromètre contact) avant de casser le moule. | | **Manque de ventilation** lors du dégazage ou de la fusion | Inhalation de vapeurs métalliques (ZnO, SiO₂) → risques respiratoires | Utiliser une hotte d’aspiration locale ou travailler en extérieur avec un flux d’air dirigé loin des opérateurs. | | **Port insuffisant d’EPI** (lunettes, gants, masque) | Brûlures, coupures, exposition aux poussières de silice | Obligatoire : lunettes de protection anti‑projets, gants résistants à la chaleur (cuir ou aluminisé), masque filtrant P2 pour les poussières, chaussures de sécurité. |