1. Introduction
Les corps de pompe sont des boîtiers structurels et hydrauliques qui convertissent l'énergie du moteur en mouvement fluide.. Ils contiennent généralement des volutes, sièges de turbine, bossages de roulement, brides et passages internes.
La voie de fabrication choisie pour un corps de pompe définit une géométrie réalisable, métallurgie, coût et délai.
Le moulage de précision se distingue là où la géométrie est complexe (aubes directrices internes, talent, patrons intégrés), les tolérances sont serrées, et alliages à haute intégrité (aciers inoxydables, alliages nickel, bronzes) sont requis.
2. Qu'est-ce qu'un corps de pompe de moulage à modèle perdu?
Définition et fonctionnalité de base
Un casting d'investissement corps de pompe est un corps de pompe produit par la cire perdue (investissement) méthode de coulée.
Une cire (ou polymère) le motif du corps de la pompe est créé, recouvert de céramique réfractaire pour construire une coque, la cire éliminée par chauffage, et métal fondu versé dans le moule en céramique.
La coque cuite est brisée après solidification pour révéler un corps de pompe moulé presque net qui est ensuite fini et inspecté..
Spécifications et dimensions typiques
- Masse de la pièce: Les corps de pompe en fonte de précision pèsent généralement entre quelques centaines de grammes et des dizaines de kilogrammes par pièce.; de nombreuses fonderies coulent régulièrement des corps de pompe allant d'environ 0,5 kg à environ 50 à 100 kg en fonction de la capacité de l'usine..
- Épaisseur de paroi: parois nominales typiques pour les alliages d'acier inoxydable ou de nickel: 3–12 mm; sections minces minimales jusqu'à 1–2 mm sont réalisables dans des alliages sélectionnés et dans le contrôle des processus.
- Tolérance dimensionnelle (à l'étranger): les tolérances générales des moulages d'investissement se situent généralement dans ± 0,1 à 0,5 mm pour les petites fonctionnalités; tolérance basée sur le pourcentage de ±0,25 à 0,5 % la linéaire est une règle empirique pratique.
Les éléments usinés critiques sont généralement laissés avec une surépaisseur d'usinage (0.2–2,0 mm selon la précision du lancer). - Finition de surface (à l'étranger): Ra typique 1.6–3,2 μm (50–125 min) pour coques en céramique standard; des coquilles fines et un versement soigneux peuvent produire Ra ≈ 0.8–1,6 μm.
Les faces d'étanchéité ou les tourillons sont usinés/rodés avec un Ra beaucoup plus fin. (≤ 0.2 μm) au besoin.
3. Considérations de conception
Le moulage de précision permet une géométrie complexe, mais de bonnes pratiques de conception maximisent la qualité et minimisent les coûts.
Exigences de performances hydrauliques
- Passages d'écoulement & volutes: les congés lisses et la convergence contrôlée évitent la séparation et la cavitation.
Les rayons de congé internes doivent être généreux (≥ 1–2× épaisseur de paroi) pour réduire les turbulences. - Alignement du siège de la turbine: la concentricité et la circularité sont essentielles : prévoyez les alésages usinés et les caractéristiques de référence.
- Dégagements: les jeux de la pompe au niveau des porte-à-faux de la roue et des faces du joint doivent être maintenus par usinage post-coulée.
Exigences structurelles
- Stresser & fatigue: considérer les charges cycliques; utiliser l'analyse par éléments finis pour identifier les hausses de contraintes locales.
Métallurgie de la fonte (taille des grains, ségrégation) affecte la durée de vie en fatigue - conception pour éviter les minces, patrons très stressés sans filetage approprié. - Vibration: les toiles et les nervures rigides aident à augmenter les fréquences naturelles; le moulage à modèle perdu permet d'intégrer les nervures dans le corps.
Corrosion & porter
- Sélection des matériaux: choisissez un alliage basé sur la chimie des fluides (pH, chlorures, particules érosives, température).
Pour l'eau de mer, duplex ou du cupronickel peut être requis; pour les acides, Hastelloy ou alliages de nickel appropriés. - Résistance à l'érosion: surfaces internes lisses et revêtements sacrificiels (halage, spray thermique) sont des options où des boues particulaires sont présentes.
Tolérances dimensionnelles & finition de surface
- Caractéristiques critiques: désigner les faces/alésages qui sont usinés en finition et spécifier les surépaisseurs d'usinage (Par exemple, 0.5–1,5 mm pour les coques plus sableuses, 0.2–0,6 mm pour les obus de précision).
- Surfaces d'étanchéité: préciser Ra et planéité; souvent rodé/poli à Ra ≤ 0.2 μm et planéité à l'intérieur 0.01–0,05 mm en fonction de la classe de pression.
4. Matériaux pour corps de pompe en moulage de précision
La sélection des matériaux est un facteur critique dans la conception et la production de corps de pompe en fonte de précision, car cela affecte directement les performances mécaniques, résistance à la corrosion, fabrication, et la vie de service.
| Catégorie de matériel | Exemple d'alliages | Propriétés clés | Applications typiques | Considérations de casting |
| Austénitique Acier inoxydable | 304, 316L | Excellente résistance à la corrosion, force modérée, bonne soudabilité; Traction: 480–620 MPA, Rendement: 170–300 MPA, Élongation: 40–60% | Pompes chimiques générales, traitement de l'eau, nourriture & boisson | Bonne fluidité fondue, faible risque de fissuration à chaud, post-usinage facile |
| Acier inoxydable duplex | 2205, 2507 | Forte résistance (Rendement 450-550 MPa), résistance supérieure à la corrosion sous contrainte de chlorure | Pompes marines et offshore, environnements chimiques agressifs | Nécessite une température contrôlée; traitement thermique après coulée pour éviter la phase sigma |
Alliages nickel |
Décevoir 625, 718; Hastelloy | Résistance à la corrosion exceptionnelle, résistance à haute température, résistance à l'oxydation | Traitement chimique, production d'électricité, huile & gaz | Points de fusion élevés (≈1 450–1 600 °C); un préchauffage minutieux du moule et un versement contrôlé sont nécessaires; usinage difficile |
| Bronze et alliages de cuivre | C93200, C95400 | Excellente résistance à la corrosion d'eau de mer, Bonne résistance à l'usure, antifouling; résistance mécanique inférieure | Pompes marines, refroidissement de l'eau de mer, composants hydrauliques | Points de fusion inférieurs (≈1 050–1 150 °C) simplifier le casting; faible risque de fissuration thermique; résistance mécanique inférieure à l'inox/nickel |
5. Processus de moulage à modèle perdu pour les corps de pompe
Moulage de précision, également connu sous le nom casting de la cire perdue, permet la production de corps de pompe aux géométries complexes, murs fins, et une précision de grande dimension.
Le processus comprend plusieurs étapes critiques:
| Étape | Description | Considérations clés |
| 1. Création de motifs de cire | La cire fondue est injectée dans des moules de précision pour former des répliques du corps de la pompe. | Assurer une épaisseur de paroi uniforme; maintenir la précision dimensionnelle ±0,1 mm; utilisez de la cire de haute qualité pour éviter la déformation. |
| 2. Assemblage de l'arbre à cire | Des modèles de cire individuels sont attachés à une carotte de cire centrale pour former un arbre pour la coulée par lots. | La conception des carottes affecte le flux de métal; minimiser les turbulences pendant le versement. |
| 3. Bâtiment de coquille en céramique | Un trempage répété dans une pâte céramique et un stucage avec du sable réfractaire fin créent un fort, coquille résistante à la chaleur. | Épaisseur de coque cible (5–10 mm) dépend de la taille du corps de la pompe; éviter les fissures et la porosité de la coque. |
| 4. Déparaffinage et cuisson de moules | La cire est fondue (autoclave ou four), laisser une cavité; la coque en céramique est ensuite cuite pour éliminer les résidus et renforcer le moule. | La montée en température doit être contrôlée pour éviter la fissuration de la coque; La cire résiduelle doit être entièrement éliminée. |
5. Coulée de métal |
Métal fondu (acier inoxydable, alliage de nickel, ou bronze) est versé dans le moule en céramique préchauffé par gravité ou sous vide. | La température et le débit de coulée doivent garantir un remplissage complet; contrôler les turbulences et prévenir la formation d’oxydes. |
| 6. Solidification et refroidissement | Le métal se solidifie à l'intérieur du moule; les vitesses de refroidissement affectent la microstructure, propriétés mécaniques, et stress résiduel. | Les sections épaisses peuvent nécessiter un refroidissement contrôlé pour éviter la porosité; les parois minces doivent éviter les déchirures à chaud. |
| 7. Retrait de la coque | La coque en céramique est brisée mécaniquement, utilisant souvent des vibrations, sablage, ou dissolution chimique. | Évitez d’endommager les canaux ou les brides de pompe complexes. |
| 8. Finition et nettoyage | Céramique résiduelle, système de contrôle, et les imperfections de surface sont éliminées par meulage, dynamitage, ou nettoyage chimique. | Maintenir les tolérances dimensionnelles; préparer les surfaces pour un usinage ou un revêtement ultérieur. |
6. Opérations post-casting
Une fois le corps de la pompe retiré de la coque en céramique, plusieurs opérations post-coulée sont effectuées pour garantir que le composant répond aux exigences fonctionnelles, dimensionnel, et exigences de qualité de surface.
Ces opérations sont critiques pour les applications hautes performances en chimie, marin, et secteurs industriels.
Traitement thermique
Traitement thermique est appliqué pour soulager les contraintes résiduelles, améliorer la ductilité, et optimiser les propriétés mécaniques:
- Recuit de soulagement du stress: Le chauffage à 550–650 °C pour les aciers inoxydables réduit les contraintes résiduelles de la coulée et évite la déformation pendant l'usinage..
- Recuit de solution: Appliqué aux aciers inoxydables et aux alliages de nickel pour homogénéiser la microstructure et dissoudre les précipités indésirables, assurant une résistance à la corrosion et une dureté constante.
- Vieillissement ou durcissement par précipitation (pour certains alliages): Améliore la solidité et la résistance à l’usure des matériaux haute performance.
Usinage
Dimensions critiques telles que les brides, alésage, surfaces d'accouplement, et les ports filetés sont usinés pour répondre à des tolérances serrées.
Les opérations d'usinage typiques incluent le tournage, fraisage, forage, et ennuyeux. L'usinage garantit:
- Tolérances dimensionnelles de ±0,05 à 0,1 mm pour un assemblage précis.
- Surfaces d'étanchéité lisses pour éviter les fuites dans les applications haute pression.
Finition des surfaces
Finition de surface améliore la résistance à la corrosion, se résistance à l'usure, et esthétique:
- Polissage: Améliore la douceur des faces d'étanchéité et des canaux internes.
- Dynamitage: Élimine les particules de céramique résiduelles et crée une surface uniforme pour le revêtement ou la peinture.
- Revêtements: Revêtements chimiques ou électrolytiques en option (Par exemple, nickel, Ptfe) améliorer la résistance à la corrosion et réduire la friction.
Tests non destructeurs (NDT)
Pour détecter des défauts tels que la porosité, fissure, ou inclusions, Le CND est effectué:
- Radiographie (radiographie): Identifie les vides internes et les inclusions.
- Tests ultrasoniques (Utah): Détecte les défauts souterrains dans les sections épaisses.
- Test de pénétration de colorant (Pt): Révèle les fissures et la porosité de la surface.
Nettoyage et inspection
Enfin, les corps de pompe sont nettoyés pour éliminer les huiles d'usinage résiduelles, Débris, ou des sels. Les inspections dimensionnelles et visuelles vérifient la conformité aux spécifications avant l'assemblage ou l'expédition.
7. Assurance qualité et tests
Assurance qualité (Assurance qualité) est essentiel pour garantir que les corps de pompe de coulée de précision répondent aux spécifications de conception, normes de performance, et les exigences de l'industrie.
Une approche systématique d'assurance qualité combine des contrôles dimensionnels, tests mécaniques, et évaluation non destructive pour détecter les défauts et confirmer l'intégrité fonctionnelle.
Inspection dimensionnelle
La vérification dimensionnelle garantit que le corps de la pompe est conforme aux dessins de conception et aux tolérances:
- Coordonner les machines de mesure (Cmm): Mesurer des géométries complexes, alésage, brise, et surfaces de montage avec une précision de ±0,01 à 0,05 mm.
- Outils de jauge: Jauges de filetage, jauges à bouchon, et les jauges de hauteur vérifient rapidement les caractéristiques critiques en production.
- Mesure de rugosité de surface: Confirme les exigences de finition pour les faces d'étanchéité et les canaux internes (Par exemple, Ra ≤0,8 μm pour les composants hydrauliques).
Vérification des propriétés mécaniques
Les tests mécaniques valident que le matériau répond à la résistance requise, ductilité, et la dureté:
- Tests de traction: Mesure la limite d'élasticité, résistance à la traction ultime, et allongement, s'assurer que le matériau peut résister aux charges opérationnelles.
- Test de dureté: Les tests Rockwell ou Vickers confirment que le traitement thermique et le traitement des matériaux ont atteint la dureté souhaitée.
- Tests d'impact (si nécessaire): Évalue la ténacité pour les applications exposées à des charges fluctuantes ou à des chocs.
Tests non destructeurs (NDT)
Les techniques CND détectent les défauts cachés sans endommager la pièce:
- Radiographie (Radiographie/CT): Identifie la porosité interne, inclusions, et des vides, surtout dans les sections épaisses.
- Tests ultrasoniques (Utah): Détecte les fissures internes, vides, ou délaminages dans des matériaux denses comme l'acier inoxydable et les alliages de nickel.
- Test de pénétration de colorant (Pt): Révèle les fissures de surface, trous d'épingle, ou porosité fine non visible à l'œil nu.
- Test de particules magnétiques (MT): Appliqué aux alliages ferromagnétiques pour détecter les discontinuités de surface et proches de la surface.
Défauts de coulée courants et stratégies d’atténuation
- Porosité: Minimisé grâce à un gate approprié, ventilation, et taux de solidification maîtrisés.
- Cavités de rétrécissement: Abordé via la conception des colonnes montantes et la gestion thermique.
- Cold ferme et trompe: Évité en maintenant des températures de coulée optimales et un écoulement fluide dans des géométries complexes.
- Inclusions de surface: Contrôlé en utilisant des alliages de haute pureté et des techniques de dégazage appropriées.
8. Avantages du moulage à modèle perdu pour les corps de pompe
- Géométrie complexe: passages internes, parois minces et bossages intégrés avec un assemblage secondaire minimal.
- Forme proche: réduit l'enlèvement de matière par rapport. usinage grossier à partir de barres ou de billettes - souvent 30–70% d’usinage en moins pour pièces complexes.
- Précision dimensionnelle élevée & finition de surface: moins de finition secondaire pour de nombreuses caractéristiques par rapport au moulage au sable.
- Flexibilité de l'alliage: couler de nombreux alliages d'acier inoxydable et de nickel avec une bonne intégrité métallurgique.
- Flexibilité de production petite à moyenne: l'outillage pour les modèles en cire est relativement peu coûteux par rapport. outillage à grande matrice, permettant des cycles économiques depuis des prototypes jusqu'à des milliers de pièces.
9. Limitations et défis
- Coût pour de très grandes pièces: au dessus de certaines tailles (souvent >100 kg) le moulage à modèle perdu devient peu rentable par rapport au moulage en sable ou à la fabrication/soudage.
- Délai de mise en œuvre: outillage de modèle, la construction et le tir des obus ajoutent des délais – les délais des prototypes sont généralement mesurés en semaines.
- Risque de porosité dans les sections épaisses: les bossages épais ou les grandes sections nécessitent une fermeture soigneuse, refroidissement ou segmentation pour éviter le rétrécissement.
- L'état de surface et les tolérances dépendent du système de coque: L'obtention de finitions ultra fines ou de tolérances de coulée extrêmement serrées nécessite des systèmes céramiques haut de gamme et un contrôle des processus..
10. Applications industrielles
Les corps de pompe de moulage à modèle perdu sont utilisés dans un large éventail d'industries en raison de leur capacités de géométrie complexe, polyvalence, et une précision de grande dimension.
Le processus permet aux ingénieurs de concevoir des passages hydrauliques optimisés, murs fins, et des fonctionnalités de montage intégrées qui améliorent l'efficacité et la longévité de la pompe.
Pompes de traitement chimique
- Environnement: Fluides corrosifs tels que les acides, caustiques, et solvants.
- Matériaux utilisés: Aciers inoxydables (316L, duplex) et alliages de nickel (Hastelloy, Décevoir).
- Raisonnement: Le moulage de précision permet des canaux internes complexes, minimiser les turbulences et assurer un écoulement uniforme, critique pour la fiabilité des procédés chimiques.
Pompes à eau et eaux usées
- Environnement: Pompage à grand volume, matières en suspension abrasives, et niveaux de pH variables.
- Matériaux utilisés: Bronze, acier inoxydable duplex, et fontes résistantes à la corrosion.
- Raisonnement: Paroi mince, les passages internes lisses réduisent le colmatage et les pertes d'énergie, améliorer l'efficacité des systèmes d'eau municipaux et industriels.
Pompes marines et offshore
- Environnement: Exposition à l'eau salée, fonctionnement à haute pression, et contraintes mécaniques cycliques.
- Matériaux utilisés: Alliages de cuivre (laiton naval, bronze), aciers inoxydables duplex.
- Raisonnement: La résistance à la corrosion et au bioencrassement est essentielle; le moulage à modèle perdu permet une, géométries complexes pour réduire la maintenance et améliorer la durée de vie.
Huile & Pompes pour la production de gaz et d'électricité
- Environnement: À haute température, fluides à haute pression, et médias à base d'hydrocarbures.
- Matériaux utilisés: Alliages à haute teneur en nickel (Décevoir, Hastelloy), acier inoxydable, et alliages à base de cobalt.
- Raisonnement: Le moulage de précision prend en charge des matériaux à haute résistance et des tolérances précises nécessaires aux applications critiques telles que la lubrification des turbines., injection chimique, et forage offshore.
Pompes spécialisées et personnalisées
- Environnement: Laboratoire, pharmaceutique, ou applications de transformation des aliments nécessitant des performances hygiéniques et précises.
- Matériaux utilisés: Acier inoxydable (304, 316L), titane, ou alliages de nickel.
- Raisonnement: Surfaces lisses, tolérances serrées, et les géométries complexes obtenues par moulage à modèle perdu garantissent un risque de contamination minimal et le respect des normes réglementaires.
11. Analyse comparative
| Fonctionnalité / Critères | Moulage d'investissement | Coulée de sable | Usinage à partir de solide |
| Complexité géométrique | Excellent – parois fines, canaux internes, fonctionnalités complexes réalisables | Modéré – limité par le placement du noyau et la stabilité du moule | Limité – géométries internes complexes souvent impossibles sans assemblage |
| Précision dimensionnelle | Élevé – ±0,1–0,25 mm typique | Modéré – ±0,5–1,0 mm | Très élevé – ±0,05 mm réalisable |
| Finition de surface (Rampe) | Fin – 1,6 à 3,2 μm typique; peut être poli | Rugueux – 6–12 μm; nécessite un usinage pour plus de précision | Excellent – 0,8 à 1,6 μm réalisable avec finition |
| Options matérielles | Large – aciers inoxydables, alliages nickel, bronze, alliages de cuivre | Large – fer, acier, bronze, aluminium | Large – dépend de la disponibilité des stocks usinables |
| Taille de lot | Faible à moyen – 1 à 1 000+ pièces | Moyen à élevé – économique pour les grands, parties simples | Faible – le gaspillage de matériaux augmente le coût des grandes pièces |
| Délai de mise en œuvre | Modéré – motif en cire & construction de coque requise | Court à modéré – préparation du moule relativement rapide | Variable – dépend de la complexité de l'usinage |
Déchets |
Faible – la forme proche du filet réduit les déchets | Modéré – les portes et les colonnes montantes génèrent des déchets | Élevé – le processus soustractif crée des copeaux et des chutes |
| Coût par pièce | Modéré à élevé : les étapes d'outillage et de processus augmentent les coûts, économique pour les pièces complexes | Faible à modéré – moules plus simples, pièces plus grosses moins chères | Élevé – usinage approfondi sur de grandes, les pièces complexes coûtent cher |
| Force & Intégrité | Excellente – microstructure dense, porosité minimale si contrôlée | Modéré – risque d’inclusions et de porosité liées au sable | Excellent – homogène, pas de défauts de coulée |
| Post-traitement requis | Souvent minime – quelques usinages, finition | Généralement important – usinage et finition requis | Minimal – finition finale pour des tolérances serrées uniquement |
| Applications typiques | Corps de pompe à parois fines, canaux hydrauliques complexes, résistance à la corrosion | Grand, corps de pompe simples ou composants structurels | Corps de pompe sur mesure ou prototype nécessitant une extrême précision |
12. Conclusion
Le corps de la pompe de moulage à modèle perdu allie liberté de conception et intégrité métallurgique, ce qui en fait un excellent choix pour de nombreuses applications de manipulation de fluides, en particulier là où une géométrie interne complexe, des alliages exotiques ou des tolérances serrées sont nécessaires.
Le succès dépend de la conception précoce du casting, sélection de matériaux éclairée, contrôle minutieux du processus (coulant, bombardement, traitement thermique), et de solides programmes d'AQ/CND.
Pour les systèmes de pompes critiques – marine, production de produits chimiques ou d'énergie : le moulage à modèle perdu peut fournir des, composants économiques lorsqu’ils sont spécifiés et exécutés correctement.
FAQ
Quelle taille maximale du corps de pompe peut être moulée à investissement?
La pratique typique en atelier va de ~50 à 100 kg par pièce, mais le maximum pratique dépend de la capacité et de la rentabilité de la fonderie.
Les très grands corps de pompe sont le plus souvent produits par moulage au sable ou par fabrication/soudage..
Quelle surépaisseur d'usinage dois-je prévoir pour un moulage de précision?
Permettre 0.2–2.0 mm en fonction de la criticité et de la précision de l'obus. Spécifiez des tolérances plus strictes uniquement lorsque la fonderie garantit des coques de précision.
Quel matériau convient le mieux aux corps de pompes à eau de mer?
Les aciers inoxydables duplex et certains alliages cuivre-nickel sont des choix courants en raison de leur résistance supérieure aux piqûres de chlorure et de leurs performances en matière de biosalissure.; la sélection finale dépend de la température, conditions de vitesse et d’érosion.
Quel est le délai d’exécution typique pour un corps de pompe moulé à la cire perdue?
Les petites séries de production prennent généralement 4–8 semaines de l'approbation du modèle aux pièces finies; les prototypes uniques peuvent être plus rapides avec des modèles imprimés en 3D, mais nécessitent toujours des programmes de tir et de fusion des obus.
Comment spécifier les critères d'acceptation de la porosité?
Utiliser les normes CND de l'industrie (radiographie, Ct, Utah) et définir des niveaux d'acceptation en pourcentage de porosité en volume ou via des images de référence.
Les corps de pompe critiques retenant la pression nécessitent souvent de la porosité <0.5% en volume et acceptation radiographique selon la norme client.
