Caracterisation des coefficients d’interface en moulage sous pression de l’aluminium semi-solide

Les constructeurs automobiles travaillent depuis bon nombre d’années à réduire le poids de leurs voitures dans un souci constant de les rendre plus compétitives, tant au niveau économique que sur le plan environnemental. L’une des solutions envisagées pour atteindre cet objectif consiste à fabriquer des composantes automobiles en aluminium; ce matériau présentant une masse volumique près de trois fois inférieure à celle de l’acier conventionnellement utilisé. Bien entendu, l’utilisation d’une voiture plus légère implique une diminution non négligeable de la consommation d’essence, ce qui permet dans un même temps de réduire les émissions de gaz à effet de serre. Le consommateur étant très interpellé par les aspects économiques et environnementaux d’une voiture, un grand nombre d’efforts ont dû être déployés afin de faire avancer la recherche dans la production de composantes en aluminium.

Parmi les procédés de mise en forme qui existent, le moulage sous pression s’avère le plus populaire et le moins coûteux qui soit pour la production de pièces en aluminium [1]. La capacité qu’a le moulage sous pression de produire, avec une cadence de production élevée, des pièces d’une grande complexité avec des dimensions finales situées dans les tolérances, fait de ce procédé un incontournable, surtout lorsque le métal d’intérêt est l’aluminium. En fait, près de 70 % des pièces moulées avec ce matériau en Amérique du Nord le sont par le biais de ce procédé .

Il existe des variantes au procédé de moulage sous pression parmi lesquelles se retrouvent le thixomoulage et le rhéomoulage. Dans les deux cas, l’aluminium introduit dans le moule pour former la pièce est à l’état semi-solide, ce qui diffère du procédé de moulage sous pression conventionnel qui fait intervenir du métal à l’état liquide. L’utilisation d’alummium à l’état semi-solide procure de nombreux avantages, tant sur le plan de la qualité des pièces moulées que sur la productivité du procédé [2]. Le rhéomoulage, procédé simple et moins coûteux que le thixomoulage au niveau de la production de la pâte semi-solide, constitue l’une des avenues prometteuses pour le moulage sous pression par voie semi-solide. Pour cette raison, ce procédé fait l’objet de plusieurs études, dont celle présentée dans ce mémoire de maîtrise.

Procédés de moulage

Bien que le moulage sous pression par voie semi-solide soit le procédé de mise en forme étudié dans le cadre du projet, il s’avère que certains résultats de h présentés dans la littérature soient associés à des procédés de moulage autres que ce dernier. En fait, la majorité des résultats du h ont été obtenus pour des procédés de coulée en moule permanent, comprenant la coulée par gravité, la coulée en basse pression et le moulage sous pression conventionnel. Quelques résultats de h se retrouvent également dans la littérature pour des procédés de moulage innovateurs comme le moulage par serrage à pression (squeeze casting) et le moulage sous pression par voie semi-solide, comprenant le rhéomoulage et le thixomoulage. Afin de bien comprendre chacun des procédés de moulage ci-haut mentionnés, une brève description de chacun d’eux sera donnée dans la présente section ainsi que leurs avantages et inconvénients.

Définition de la coulée en moule permanent

La coulée en moule permanent est une technique de moulage consistant à couler du métal en fusion dans un moule ayant deux ou plusieurs parties et pouvant être utilisé plusieurs fois pour la production de pièces coulées de même forme [7]. Le moule utilisé est construit d’un matériau extracteur de chaleur comme l’acier, le cuivre, l’aluminium ou le graphite [8] et est capable de produire de 10 000 à 120 000 pièces coulées et même davantage pour des designs simples [9].

Une étape importante du procédé de coulée en moule permanent consiste à appliquer sur les surfaces du moule un revêtement réfractaire permettant de réaliser plusieurs fonctions  :
• Protéger les surfaces du moule contre le métal en fusion
• Agir comme isolant ou extracteur de chaleur (moules métalliques)
• Agir comme lubrifiant pour aider à l’éjection des pièces moulées (moules métalliques)
• Aider à l’évacuation de l’air piégé lors de l’opération de moulage .

Le moule est habituellement recouvert d’un revêtement épais dans les procédés de moulage à basse pression. Dans les procédés de moulage à haute pression, le revêtement ne peut résister à la grande pression imposée et c’est pourquoi une mince couche de lubrifiant est plutôt appliquée sur le moule [10]. Le lubrifiant est appliqué sur la surface du moule afin de remplir certaines fonctions dont les suivantes :

• Protéger le moule
• Faciliter le retrait des pièces moulées
• Assurer un contrôle thermique du moule
• Lubrifier les composantes mobiles présentes dans le moule (ex. : tiges d’éjection)

Moulage par serrage à pression

Le moulage par serrage à pression (squeeze casting), également connu sous le nom de forgeage liquide, est une combinaison de moulage sous pression et de forgeage [12]. Le procédé consiste à transférer, avec un minimum de turbulence, du métal en fusion dans la cavité d’un moule permanent et d’appliquer une pression sur le métal pendant qu’il se solidifie. La pression élevée et le contact intime du métal avec les surfaces du moule permettent une solidification très rapide, occasionnant très peu de porosités et procurant aux pièces une microstructure affinée [1, 12]. Une pression minimale de 8 000 psi (environ 55 MPa) est requise pour former le métal selon ce procédé [9].

Il existe deux versions du moulage par serrage à pression : direct et indirect. Le moulage direct est un procédé pour lequel le métal en fusion est versé dans la partie inférieure du moule située à l’intérieur d’une presse hydraulique. La partie supérieure du moule est refermée sur le segment inférieur et une grande pression (environ 100 MPa et même plus) est appliquée sur la cavité entière jusqu’à ce que la pièce soit solidifiée [1]. Le moulage indirect, quant à lui, ressemble considérablement au procédé de moulage sous pression . Le métal est versé dans la gaine d’injection d’une machine de moulage par serrage à pression horizontale ou verticale. Il est ensuite injecté à l’intérieur du moule par le biais d’amorces de coulée relativement larges, à une vitesse inférieure à 0,5 m/s, et se solidifie dans la cavité sous des pressions allant de 55 à 300 MPa [1]. Le tableau qui suit dresse une courte liste des avantages et inconvénients du moulage par serrage à pression [1].

Moulage sous pression conventionnel

Le moulage sous pression est un procédé qui consiste à injecter du métal liquide à des pressions élevées à l’intérieur de la cavité d’un moule métallique. Le moule est fait en deux sections afin qu’il puisse s’ouvrir et permettre le retrait de la pièce moulée. Le même moule est capable de produire plusieurs milliers de pièces avant d’être désuet, et ce, à une cadence de production élevée. Les deux parties du moule sont installées sur une presse de moulage hydraulique; l’une des parties est fixe alors que l’autre est mobile.

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Table des matières

RESUME
REMERCIEMENTS
TABLE DES MATIÈRES
LISTE DES FIGURES
LISTE DES TABLEAUX
NOMENCLATURE
1. INTRODUCTION
1.1. PROBLÉMATIQUE
1.2. OBJECTIF
1.3. MÉTHODOLOGIE
2. REVUE DE LA LITTÉRATURE
2.1. PROCÉDÉS DE MOULAGE
2.1.1. Définition de la coulée en moule permanent
2.1.2. Coulée par gravité
2.1.3. Coulée en basse pression
2.1.4. Moulage par serrage à pression
2.1.5. Moulage sous pression conventionnel
2.1.6. Moulage par voie semi-solide
2.1.6.1. Thixomoulage
2.1.6.2. Rhéomouîage
2.1.6.3. Avantages et inconvénients du moulage par voie semi-solide
2.2. PRODUCTION DE LA PÂTE SEMI-SOLIDE – PROCÉDÉ SEED
2.3. VALEURS DE H PRÉSENTÉES DANS LA LITTÉRATURE
2.4. FACTEURS POUVANT INFLUENCER LE H
3. THÉORIE
3.1. COEFFICIENT D’INTERFACE DE TRANSFERT DE CHALEUR (H)
3.1.1. Mise en contexte
3.1.2. Évolution de l’interface pièce/moule et de h
3.1.3. Méthodes utilisées pour évaluer le h
3.1.3.1. Méthode 1 — Calcul inverse
3.1.3.2. Méthode 2 — Mesure de l’espacement d’air
3.1.4. Méthodes utilisées pour exprimer le h
3.2. TRANSFERT DE CHALEUR EN MOULAGE sous PRESSION
3.2.1. Équation de transfert de chaleur par conduction
3.2.2. Conditions d’interface
3.2.3. Conditions aux limites
3.2.4. Conditions initiales
3.3. RÉSOLUTION NUMÉRIQUE DE L’ÉQUATION DE TRANSFERT DE CHALEUR PAR CONDUCTION
3.3.1. Paramètres de résolution de ProCAST pour le calcul inverse
4. PROCÉDURE EXPERIMENT ALE
4.1. DESCRIPTION DU MONTAGE EXPÉRIMENTAL
4.1.1. Production de la pâte semi-solide
4.1.1.1. Unité mobile semi-automatique SEED
4.1.1.2. Creuset et fond en titane
4.1.1.3. Aluminium A357
4.1.2. Moulage sous pression
4.1.2.1. Presse
4.1.2.2. Moule et pièce
4.1.2.3. Unités de régulation en température du moule
4.1.2.4. Système de lubrification automatisé
4.1.2.5. Lubrifiants
4.1.3. Prélèvement des températures dans le moule
4.1.3.1. Système plaque et tubes
4.1.3.2. Système d’acquisition de données Dataq
4.1.3.3. Thermocouples et branchement
4.2. MÉTHODOLOGIE EXPÉRIMENTALE
4.2.1. Production de la pâte semi-solide
4.2.2. Moulage sous pression
4.2.3. Prélèvement des températures dans le moule
4.3. PLAN D’EXPÉRIENCES
4.3.1. Choix des niveaux pour le plan d’expériences
5. MÉTHODOLOGIE NUMÉRIQUE
5.1. PRÉSENTATION DE LA GÉOMÉTRIE
5.2. PRÉSENTATION DU MAILLAGE
5.3. MATÉRIAUX ET PROPRIÉTÉS THERMOPHYSIQUES
5.4. CONDITIONS D’INTERFACE
5.5. CONDITIONS AUX LIMITES
5.6. CONDITIONS INITIALES
5.7. PARAMÈTRES DE RÉSOLUTION DU CALCUL DIRECT
5.8. DÉFINITION DU PROBLÈME NUMÉRIQUE POUR LE CALCUL INVERSE
5.8.1. Type de données
5.8.2. Températures mesurées
5.8.3. Paramètres de résolution du calcul inverse
5.9. CONVERGENCE DU CALCUL INVERSE
6. RÉSULTATS ET DISCUSSION
6.1. RÉSULTATS EXPÉRIMENTAUX
6.1.1. Température initiale de la pièce
6.1.2. Température du moule en régime stationnaire
6.1.3. Évolution de la température du moule lors de la lubrification
6.1.4. Courbes de température prélevées dans le moule
6.1.5. Validation du plan d’expériences
6.2. RÉSULTATS DE LA MODÉLISATION NUMÉRIQUE
6.2.1. Validation de la résolution numérique
6.2.2. Courbes de h en fonction du temps
6.2.3. Étude de sensibilité du modèle numérique
6.2.3.1. Absence du trou dans le moule
6.2.3.2. Modèle 2D
6.2.3.3. Taille du maittage
6.2.3.4. Condition de Dirichlet appliquée à l’arrière du moule
6.2.3.5. Gradient de température linéaire dans le moule
6.2.3.6. Température initiale de lapièce
6.2.3.7. Variation des paramètres de résolution dans ProCAST
6.2.3.8. Position du thermocouple et angle du trou dans le fond
6.2.3.9. Méthode du cas découplé
6.2.4. Évaluation du h dans le tube inférieur
6.3. RÉSULTATS DE L’ANALYSE STATISTIQUE
6.3.1. Valeurs réelles du plan d’expériences
6.3.2. Modèle mathématique définissant l’évolution du h
6.3.3. Analyse statistique
7. CONCLUSION
8. RECOMMANDATIONS

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