Fonderie d'aluminium - Définition
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Les traitements thermiques
Les traitements thermiques sont destinés à améliorer les caractéristiques mécaniques des pièces obtenues en fonderie d'aluminium. Bien que l'on pense souvent à l'acier lorsque l'on parle de traitement thermique, les alliages d'aluminium peuvent être, eux aussi, trempés, et c'est généralement le cas des pièces techniques.
Suivant le type d'alliage, les traitements les plus courants sont :
mais d'autres traitements plus spécifiques peuvent être réalisés suivant les caractéristiques recherchées.
Compte tenu des déformations que peut engendrer la trempe, il est souvent nécessaire d'effectuer un redressage dans les quelques heures qui suivent cette dernière (et avant revenu). Cette opération doit être rapidement effectuée, sous peine de devenir impossible à cause du phénomène de maturation.
Pour plus de détail, voir les articles alliages d'aluminium pour fonderie, traitement thermique et plus particulièrement trempe, cas des alliages d'aluminium.
L'ébarbage
L'ébarbage est l'opération de parachèvement qui consiste à séparer la pièce des différents appendices de coulée, ainsi qu'à supprimer les traces et bavures éventuelles qui peuvent survenir, notamment au niveau du plan de joint ou de la liaison entre le moule et le(s) noyau(x).
L'ébarbage commence donc à la scie à ruban, où l'on sépare grossièrement la pièce des appendices de coulée. Il se poursuit ensuite à l'aide de différents outils allant de la ponceuse à bande aux micro-fraises entraînées par des mini-meuleuses pneumatiques.
Pour effectuer ces opérations, l'ébarbeur doit connaître le plan de la pièce afin de ne pas "rentrer dedans", c’est-à-dire éliminer des parties fines qui font partie intégrante de la pièce. Il est souhaitable aussi qu'il sache quelles parties seront usinées et quelles sont les valeurs des surépaisseurs d'usinage. Souvent, les clients fournissent un croquis indiquant ces surépaisseurs.
Les contrôles et les documents d'accompagnement
Un certain nombre de contrôles ont déjà été évoqués ci-dessus, d'autres non. Certains contrôles sont effectués avant coulée, d'autres sur les pièces en cours de fabrication ou terminées. De plus, quelques documents sont associés aux principaux contrôles.
En plus des contrôles formalisés, chaque opérateur pratique, sur les pièces qui passent entre ses mains, un autocontrôle qui peut, dans certains cas, être lui aussi formalisé.
Enfin, les pièces types sont sujettes à des contrôles plus poussés que les fabrications qui suivront.
Contrôles avant coulée des pièces
Le contrôle des matières premières principales d'une fonderie (aluminium, sable et résines) nécessite des moyens très spécifiques. Souvent, les fonderies d'aluminium travaillent en convention de délégation de contrôle (ou en "assurance qualité") avec leurs fournisseurs de matières premières. Cela veut dire qu'ils ont audité ces fournisseurs au niveau des contrôles qu'ils effectuent sur leurs produits avant de les livrer (procédures, qualification des moyens de mesure, etc.) et qu'ils ont confiance dans les résultats communiqués par ces derniers.
À réception, le contrôle se limite donc à une vérification quantitative et à un examen des documents (certificats, bulletins d'analyse, procès verbaux de conformité*, déclaration de conformité*) qui accompagnent la livraison. Ces documents sont soigneusement archivés pour assurer la traçabilité des pièces que la fonderie livrera à ses clients.
Ces principaux documents sont :
- Analyse chimique (spectrométrie) des alliages d'aluminium,
- Résultats granulométriques du sable de fonderie,
- Bulletin d'analyse des résines destinées à la prise chimique du sable.
Contrôles lors de la coulée (ou sur échantillon coulé à part)
Certains des contrôles cités ci-dessous ont déjà été évoqués au chapitre "Le métal". Les documents évoqués dans ce chapitre sont :
- Le cahier de coulée, qui est un document interne à la fonderie, mais peut être montré au client en cas d'audit. Si traditionnellement, il s'agissait effectivement d'un cahier, aujourd'hui, il est souvent remplacé par un document informatique (fichier Excel par exemple). Ce choix nécessite une politique de sauvegarde des données informatiques très stricte, car ce document est essentiel pour la traçabilité des pièces.
- Le P.V. de conformité matière qui accompagne chaque livraison et est, en réalité, un extrait du cahier de coulée concernant les pièces livrées.
La spectrométrie
C'est le premier de ces contrôles ; elle donne la composition chimique de l'alliage. Ce contrôle est essentiel bien que l'on dispose déjà de l'analyse chimique des lingots. En effet, elle permet notamment de s'assurer que le métal en fusion (qui est obtenu à partir de lingots et de jets) est toujours conforme aux spécifications.
Principe
Lorsque le métal est fondu, on coule une éprouvette qui, après surfaçage, est disposée sur le spectromètre. Cet appareil produit, sous gaz neutre (Argon), une étincelle entre une électrode et l'échantillon. L’étincelle émet une lumière constitué d’un ensemble de plusieurs longueur d’ondes. Les longueurs d’onde du rayonnement électromagnétique étant caractéristique des éléments constitutifs de l’alliage. Après diffraction, les différentes longueurs d’onde se présentent sous forme de raies (application de la loi de Bragg). Les différentes raies de cette étincelle sont comparées aux raies de référence des éléments à mesurer et ces données sont collectées sur un micro-ordinateur qui affiche la composition chimique du métal.
Afin d'obtenir des mesures fiables, l'ensemble (spectromètre + ordinateur) doit être régulièrement recalibré à l'aide d'échantillons homogènes de composition connue (livrées avec l'appareil).
On peut aussi utiliser des échantillons certifiés, de composition proche des éprouvettes à analyser, afin de vérifier la fiabilité de la mesure.
La mesure est très ponctuelle ; de ce fait, pour plus de précision sur le résultat, on effectue un minimum de trois tirs sur l'échantillon et on prend en compte la moyenne de ces tirs.
Une première éprouvette est mesurée afin de calculer les corrections éventuelles à apporter au métal puis, après corrections et juste avant de couler les pièces, une seconde éprouvette est réalisée et analysée.
Ce sont les résultats obtenus sur cette seconde éprouvette qui figureront sur le cahier de coulée et sur les PV. de conformité matière remis avec les pièces.
Le "Porotec" et le "Qualiflash"
Porotec
Lors de la fusion, le métal à tendance à "dégazer", c’est-à-dire que certains composants ont tendance à se libérer sous forme de bulles très fines.
Le Porotec (du nom de l'appareil de contrôle généralement utilisé) est utilisé pour contrôler le dégazage :
On coule une petite quantité de métal dans un mini creuset en acier, et l'on met ce métal à figer sous vide, ce qui a pour effet de dilater les éventuelles bulles de gaz présentes dans le métal liquide. Si le métal est très mal dégazé, on observe déjà un dégagement à la surface de l'échantillon pendant son refroidissement.
On coupe ensuite cet échantillon en deux et on observe la coupe à l'œil nu sous éclairage ambiant.
Aucune bulle ne doit être visible.
Qualiflash
Pour les alliages d'aluminium, le Qualiflash permet de mesurer la quantité d'oxydes dans le bain liquide avant la coulée.
Le principe de l'appareil est le suivant : une quantité dosée (4 kg) d'alliage liquide est versé dans un moule métallique préchauffé et muni d'un filtre dans sa partie basse. Une grande quantité d'oxydes bouche rapidement le filtre, empêchant l'écoulement du métal. Inversement, un métal propre s'écoule entièrement par le fitre. On mesure la quantité de métal passé. Qualiflash a été mis au point par CTIF [1], Centre Technique des Industries de la fonderie, qui l'a breveté et commercialisé.
La température du bain de métal en fusion
Cette température est importante pour assurer une bonne coulée des pièces. Elle diffère suivant l'alliage et suivant la forme des pièces à couler. On l'indique donc sur chaque fiche technique.
On mesure la température de l'alliage en fusion juste avant la coulée et on enregistre cette température sur le cahier de coulée.
L'appareil le plus utilisé pour cette mesure est le thermocouple type K.
La résistance mécanique
Suivant les spécifications demandées par le donneur d'ordre, les essais de résistance mécanique peuvent être réalisés sur "éprouvette de caractérisation" ou sur "éprouvette de dissection".
Dans le cas de l'éprouvette de caractérisation, il s'agit d'une éprouvette coulée à part, en même temps que les pièces. Les plans de ces éprouvettes sont normalisés.
Pendant longtemps, les normes ou spécifications (comme l'instruction AIR 3380/C, par exemple) imposaient une éprouvette moulée en coquille. Les résultats obtenus sur une telle éprouvette n'avaient rien à voir avec ceux issus d'une éprouvette de dissection, ou même d'une éprouvette attenante, d'une pièce moulée sable.
Aujourd'hui, on peut aussi couler des éprouvettes de caractérisation en moulage sable, ce qui est plus représentatif des pièces obtenues (NF EN 1706). Cette norme précise notamment que le moule destiné à couler ces éprouvettes ne doit comporter aucun refroidissement artificiel.
On applique sur ces éprouvettes, après qu'elles ont suivi le même cycle de traitement thermique que les pièces, un effort de traction jusqu'à la rupture et l'on enregistre la résistance mécanique Rm, la limite d'élasticité RP0,2 et l'allongement A%.
Pour plus de détail, voir "Essai mécanique".
Les résultats de résistance mécanique, précisant le mode d'obtention de l'éprouvette, figureront sur le P.V. de conformité matière.
Les contrôles "non destructifs" sur pièces
Dans ce chapitre, le terme "contrôle non destructif" est utilisé au sens large, c’est-à-dire pour tous les contrôles effectués sur la pièce livrée. L'aéronautique, notamment, a une définition beaucoup plus stricte des CND. Certains des contrôles cités ci-dessous sont des CND dans le sens officiel de ce terme, d'autres non.
Les documents correspondant aux contrôles ci dessous sont :
- Des déclarations de conformité si l'on indique simplement la méthode de contrôle, la spécification de référence, la qualification de l'opérateur et le fait que les pièces contrôlées sont conformes à cette spécification,
- des rapports de contrôle si les résultats sont plus détaillés (photographie numérique et description, par exemple), ou bien
- des renseignements ajoutés au cahier de coulée et aux P.V. de conformité matière.
Les contrôles dimensionnels
Traditionnellement, le contrôle dimensionnel d'une pièce de fonderie consistait à réaliser une pièce tracée, c’est-à-dire une pièce préalablement enduite d'encre de traçage (généralement bleue) sur laquelle, au moyen d'un marbre, éventuellement d'une table sinus ou d'un plateau diviseur et d'un trusquin métrique, et muni du plan de pièce usinée, on traçait toutes les cotes usinées, afin de s'assurer que le fonderie était suffisamment dimensionnée vis-à-vis de ces différents usinages. On fournissait cette pièce tracée au client.
Il s'agissait principalement de la pièce type dimensionnelle.
Suivant les spécifications du contrat, il était ensuite convenu de tracer une pièce par lot, ou une pièce à une fréquence déterminée, ou bien toutes les pièces sur les cotes principales.
Les plans papier étant de plus en plus souvent remplacés par des fichiers de définition numérique, ce contrôle disparaît progressivement au profit de contrôles plus automatisés, réalisés sur des machines de contrôle tridimensionnelles (il s'agit de machines qui viennent palper la pièce au niveau des points de contrôles définis sur la CAO, et qui comparent la valeur mesurée à la définition numérique de la pièce) et donnant lieu à un rapport de contrôle.
Il en est de même après usinage, la machine tridimensionnelle étant aujourd'hui le moyen de contrôle le plus utilisé. Cependant, dans certains cas, et principalement pour des plans anciens pour lesquels il n'existe pas de FDN ; ce qui est encore le cas pour certaines petites séries aéronautiques, on établit un rapport de contrôle avec les instruments de mesure dimensionnelle classiques (pied à coulisse, micromètre, jauge de profondeur, etc.).
Les essais de dureté
Il existe plusieurs types d'essai de dureté, mais le plus courant sur des pièces de fonderie est l'essai BRINELL qu'on effectue avec une bille de 5 mm sous 250 daN ou bien une bille de 10 mm sous 1000 daN. Les résultats sont exprimés en HB (Dureté Brinell), le H étant l'initiale du mot anglais (hardness) correspondant à dureté.
L'essai de dureté laisse une trace sur la pièce (le polissage sommaire de la zone d'essai et l'empreinte de la bille), mais la pièce peut quand même être utilisée, soit parce qu'on a effectué l'essai dans une zone qui sera éliminée à l'usinage, soit parce qu'il a été réalisé sur une zone "non fonctionnelle" dans laquelle l'empreinte ne gène pas.
Souvent, la zone d'essai est déterminée par le bureau d'étude, lors de la conception de la pièce.
Si l'on peut effectuer un essai de dureté à titre indicatif sur des pièces non traitées thermiquement, son principal intérêt est de valider le traitement thermique. Suivant les spécifications de chaque contrat, on peut tester toutes les pièces, ou bien un pourcentage défini. Ces résultats seront portés sur les P.V. de conformité matière.
Il arrive parfois que dans une même charge de four de traitement thermique, un fondeur n'ait que des pièces sans exigence contractuelle de contrôle de dureté. Dans ce cas, il prélève néanmoins quelques pièces (généralement 3), sur lesquelles il effectue un essai pour valider son traitement thermique.
Dans ce cas, il inscrit les résultats obtenus sur son cahier de traitements thermiques qui est un document à usage interne, mais pouvant être consulté par les clients lors d'un audit au même titre que le cahier de coulée, et qui collecte, pour chaque campagne :
- l'identification des pièces traitées,
- la courbe de mise en solution (température / temps) et,
- la courbe de revenu, dans le cas d'un traitement avec revenu.
L'essai pression (contrôle de l'étanchéité)
Certaines pièces (collecteurs ou répartiteurs automobiles, carters et certains boîtiers par exemple) doivent être étanches aux produits qu'ils contiennent ou qui circulent à l'intérieur. On s'assure de l'étanchéité de ces pièces en réalisant un essai pression air/eau.
Il s'agit de brider la pièce concernée sur une plaque munie d'un joint et d'une arrivée d'air, et de boucher tous les autres orifices. On trempe ensuite la pièce dans un bac transparent (une sorte d'aquarium) et l'on envoie l'air comprimé par l'orifice de la plaque. La pression d'air comprimée est définie par le cahier des charges de la pièce concernée et est, généralement de l'ordre de 2 ou 3 bars.
On s'assure de l'absence de fuite en observant les éventuelles bulles d'air qui se forment sur la pièce et remontent dans l'eau en cas de défaut.Le contrôle manuel dépend donc de l'expertise et de la vigilance de l'opérateur.
On peut établir une déclaration de conformité, mais bien souvent, la mention de l'essai pression et de son résultat sur le P.V. de conformité matière est suffisante.
Le contrôle peut également se faire par une mesure air/air. Si le principe de base est le même (bouchonnage de la pièce à contrôler à l'aide de joints,et mise en pression à l'air) la valorisation de la fuite est possible par l'utilisation d'une cellule électronique de contrôle d'étanchéité. Cet appareil à base de microprocesseur permet d'automatiser le contrôle et de trier les pièces en sortie( bonnes, mauvaises, récupérables..) et de les palettiser à l'aide d'un robot( type de pièce, destnataire, numéro de moule...). Ces ilots robotisés, incluant des machines automatiques de contrôle d'étanchéité, existent en particulier dans la fabrication des carters cylindres destinés à l'industrie automobile. La validation du contrôle se fait par gravage du carter. Une capabilité est réalisée selon des normes définies par les constructeurs automobiles, afin de valider le moyen de contrôle.Le carter brut ou parachevé est alors expédié vers les usines de production des moteurs où il subira d'autres contrôles d'étanchéité au fur et à mesure de sa fabrication
Le ressuage
Il s'agit d'une technique de CND au sens strict de ce terme ; c’est-à-dire que le ressuage doit être effectué par un opérateur certifié, sur une installation qualifiée.
Il existe en France, plusieurs certifications possibles pour les opérateurs ; la COFREND (COnfédération FRançaise pour les Essais Non Destructifs) regroupe les différents comités.
Le COSAC (COmité Sectoriel Aérospacial de Certification des agents de contrôle non destructif) par exemple, certifie les opérateurs qui seront amenés à contrôler des pièces destinées aux domaines de l'aéronautique ou de l'espace.
Cependant, un opérateur certifié COSAC a le droit de contrôler d'autres types de pièces (automobile par exemple).
En fonderie, les contrôles par ressuage sont normalisés suivant EN 1371 - Fonderie - Contrôle par ressuage.
Cette norme est composée de plusieurs parties :
- EN 1371-1 Partie 1 : pièces moulées au sable, en coquille, par gravité et basse pression.
- EN 1371-2 Partie 2 : pièces en moulage de précision (cire perdue).
La radiographie
Il s'agit encore une fois d'une technique de CND au sens strict de ce terme (voir ci-dessus).
La radiographie est surtout connue pour son usage médical, mais cette technique de contrôle s'applique aussi aux pièces mécaniques, avec des intensités et des temps d'exposition beaucoup plus longs que pour le corps humain.
Contrairement au ressuage qui ne permet de détecter que les défauts débouchant, la radiographie peut être utilisée pour détecter des discontinuités internes d'une pièce moulée.
Dans certains cas, suivant le cahier des charges, toutes les pièces d'un lot sont contrôlées par radiographie, cependant, il est plus courant de contrôler uniquement par ce procédé :
- La première pièce réalisée à partir d'un nouvel outillage, qu'on appelle dans ce cas la pièce type métallurgique et qui peut subir ensuite d'autres contrôles qui la détruiront (voir paragraphe suivant),
- la première pièce de chaque lot de fabrication, ou bien
- une quantité déterminée suivant une cadence fixée par le cahier des charges.
En fonderie, les contrôles par radiographie sont normalisés suivant EN 12681 - Fonderie - Contrôle par radiographie.
L'essai pression, le ressuage et la radiographie ne font pas double emploi, mais sont des techniques complémentaires destinées à s'assurer de la santé matière des pièces livrées.
Le contrôle par ultrasons
Autre méthode de contrôle non destructif, le contrôle par ultrasons est utilisés pour contrôler les défauts internes de la pièce.
Ce type de contrôle est basé sur la transmission et la réflexion des ondes ultrasons dans la matière sur une face de la pièce et sur un éventuel défaut. On compare à l’aide d’un système électronique le temps mis par la réflexion des ondes. S’il existe un défaut, il apparaît un « pic » sur l’écran de l’appareil entre le pic représentant la surface d’entrée des ondes et le pic représentant la surface opposée à la surface d’entrée.
Le contrôle peut être fait manuellement par contact pour des pièces de formes compliquées ou de petites série ou par immersion dans l’eau pour des pièces de forme plus simple et généralement de plus grande série. Le contrôle par immersion est plus précis et peut être automatisé.
La recherche de défauts internes par ultrasons, qui est un CND au sens strict du terme au même titre que le ressuage et la radiographie, ne doit pas être confondue avec la mesure d'épaisseur par ultrasons qui est un simple contrôle dimensionnel.
Ce dernier est basé sur le même phénomène physique ; il s'effectue par contact d'une sonde avec la pièce, contact favorisé par l'application d'un couplant, comme pour la réalisation d'échographies. Le boîtier électronique relié à cette sonde est muni d'un afficheur indiquant directement l'épaisseur. Cet appareil doit âtre calibré en fonction de la sonde utilisée et de l'alliage à contrôler car la vitesse de propagation des ondes est différente d'un alliage à l'autre.
Les contrôles destructifs, sur une pièce représentative d'un lot
Il s'agit de contrôles qui ne peuvent être effectués qu'en détruisant une pièce (comme en médecine ou en biologie, on parle de dissection).
Ces contrôles sont donc effectués sur une pièce représentative d'un lot ou d'une série, et, en particulier, sur la pièce type métallurgique.
Comme pour la radiographie, le cahier des charges ou la "fiche d'essais" indique la fréquence de ces contrôles en fonction de la quantité de pièces à livrer.
La pièce coupée
Il s'agit du plus simple de ces contrôles, qui consiste à couper une pièce dans des zones définies afin de :
- s'assurer visuellement de la santé matière, en particulier dans les zones comportant d'importantes variations d'épaisseur (qui peuvent poser des problèmes lors du refroidissement des fonderies),
- contrôler éventuellement certaines épaisseurs de pièce dans des parties peu accessibles ni avec les outils métrologiques classiques, ni avec un mesureur d'épaisseur à ultrasons.
La macrographie
Cet examen est destiné à détecter certains défauts comme par exemple les retassures, les soufflures ou le gazage qui peuvent être dus à une mauvaise alimentation locale de la pièce (masselottes insuffisantes, solidification mal dirigée).
Il s'agit donc principalement de défauts dus à une mauvaise conception du moule et de ses systèmes d'alimentation c'est pourquoi elle est souvent pratiquée sur la pièce type métallurgique. Elle permet aussi de déterminer la grosseur du grain.
On effectue une coupe de la pièce qui sera examinée après polissage et, éventuellement, traitement par un réactif ou une attaque acide.
L'examen est effectué à faible grossissement, souvent à l'aide d'une loupe binoculaire.
Actuellement, il est d'usage de joindre quelques photos numériques au rapport de contrôle rédigé à la suite d'une macrographie.
La micrographie
On effectue aussi, pour ce contrôle, une coupe de la pièce qui sera examinée après polissage et attaque acide, ou réactif colorant certains composants comme le silicium.
Le grossissement adopté pour ce type d'examen est plus important (généralement compris entre x100 et x200), et l'on utilise un microscope métallographique, qui est un microscope inversé (la pièce est déposée au-dessus de l'objectif) incluant une source lumineuse.
Contrairement à la microscopie classique, l'échantillon n'est pas en couche mince au travers de laquelle les rayons lumineux peuvent passer, mais ces rayons, provenant de l'objectif même du microscope, sont réfléchis par la surface polie de l'échantillon à examiner, et traversent une seconde fois l'objectif dans l'autre sens pour pouvoir, ensuite, être observés par l'oculaire.
Le but de la micrographie est principalement d'observer la finesse dendritique de l'alliage, ainsi que la modification de l'eutectique (voir alliages d'aluminium pour fonderie), mais on peut aussi observer des défauts analogues à ceux qui sont visibles en macrographie.
Cet examen est généralement, lui aussi, pratiqué sur la pièce type métallurgique, mais il peut aussi être effectué, dans le cas de prototypes, sur des pièces ayant cassé après avoir été soumis artificiellement (banc d'essais) à des contraintes élevées.
Actuellement, il est également d'usage de joindre au rapport de contrôle micrographique, quelques photos numériques, réalisées à l'aide d'une caméra numérique que l'on dispose, par exemple, à la place de l'un des oculaires du microscope. Cependant, les conclusions qui sont portées sur le rapport de contrôle résultent de l'observation directe dans l'oculaire du microscope où la qualité d'image est meilleure et surtout au cours de laquelle on peut balayer une surface importante. Les photos jointes au rapport ne sont qu'une illustration de ces observations.
L'essai de traction sur dissection
Suivant les spécifications demandées par le donneur d'ordre, les essais de résistance mécanique peuvent être réalisés sur « éprouvette de caractérisation », coulée à part ; ou sur « éprouvette de dissection » qui est directement taillée dans une pièce. Cet essai est plus représentatif de la réalité, mais nécessite de disséquer une pièce.
Comme pour l'éprouvette de caractérisation, les plans de ces éprouvettes sont normalisés et le bureau d'étude spécifie sur le plan ou sur la fiche d'essais la zone dans laquelle cette éprouvette doit être taillée.
Dans certains cas, on taille même trois éprouvettes, dans trois directions orthogonales de la pièce.
On applique sur ces éprouvettes un effort de traction jusqu'à la rupture et l'on enregistre la résistance mécanique Rm, la limite d'élasticité RP0,2 et l'allongement A%.
Pour plus de détail, voir "Essai mécanique".
Les résultats de résistance mécanique, précisant le mode d'obtention de l'éprouvette, figureront sur le P.V. de conformité matière.
