Analyse des facteurs affectant la qualité de surface des pièces en acier moulé

La qualité de surface des composants en acier moulé est principalement régie par deux facteurs interdépendants lors de la phase de moulage.: propreté des cavités du moule et le état de surface du moule.

Pour les grandes pièces moulées, où les systèmes de coulée sont longs et où la complexité métallurgique/processus est élevée, pénétration de sable meuble, les scories et autres contaminants dans les tuyaux montants/canaux en céramique et la détérioration ou l'endommagement de la surface du motif/du moule sont les sources dominantes de défauts de surface visibles..

Cet article analyse ces facteurs en profondeur, présente des mesures de protection pratiques et des preuves de test pour l'impact des défauts de surface du moule, et fournit une feuille de route de mise en œuvre pour améliorer l'état de surface tel que coulé et réduire les reprises..

1. Contexte et importance de la qualité de la surface

Grandes pièces en fonte d'acier (composants de la turbine, grosses vannes, roues d'hydroturbine, etc.) sont produits sous des températures de coulée élevées et des systèmes de portes complexes.

L'apparence de la surface n'est pas seulement un attribut commercial mais également un indicateur du contrôle du processus et de la solidité interne..

Une mauvaise qualité de surface entraîne un meulage coûteux, reprise ou rejet de l'usinage et affecte négativement la perception du client.

En pratique, de nombreux facteurs influencent l'apparence (inclusions métallurgiques, macro-ségrégation, fusion de sable, croûtes), mais deux facteurs dominent systématiquement pour les grands fonderies pendant le moulage et le coulage:

1. Propreté des empreintes de moule — pénétration de sable meuble, crasses et inclusions dans les tuyaux d'alimentation/canalisation en céramique et dans la cavité; et
2. État de surface du moule — dommages mécaniques, accumulation de réparation, et la rugosité de la surface du motif et des composants centraux.

Basé sur des années d'expérience pratique dans la production de grandes pièces en acier moulé telles que les turbines à gaz,

turbines à vapeur, et roues de turbine hydrauliques, cet article analyse systématiquement le mécanisme d'influence de la propreté de la cavité du moule et de l'état de surface du moule sur la qualité de surface des pièces en acier moulé..

Combiné avec des tests comparatifs et des pratiques d'ingénierie, des mesures d'amélioration ciblées sont proposées pour améliorer efficacement la qualité de surface des pièces moulées et fournir un soutien technique pour la production stable de pièces en acier moulé de haute qualité.

2. Influence de la propreté de l'empreinte du moule sur la qualité de surface des pièces en acier moulé

La cavité du moule est le « moule » qui façonne les pièces en acier moulé.. Sa propreté détermine directement s'il y a des inclusions, inclusions de sable, et autres défauts à la surface des pièces moulées.

Pendant le processus de coulée de pièces en acier moulé, l'acier en fusion s'écoule dans la cavité du moule à grande vitesse.

Inclusions de scories générées lors du processus de fusion, sable dispersé entrant dans le pipeline pendant la pose du système de vannes, et d'autres polluants seront entraînés dans la cavité du moule avec l'acier en fusion.

Pendant le processus de refroidissement et de solidification de l'acier en fusion, en raison de leur faible densité, la plupart des inclusions de scories et du sable dispersé flotteront vers le haut et seront évacués par la colonne montante ou le système de ventilation.

Cependant, une partie des inclusions va encore se condenser aux sections variables, filets, et autres positions des castings, former des défauts de surface tels que des inclusions de sable et des inclusions de scories.

Ces défauts doivent être éliminés par meulage, ce qui non seulement augmente la charge de travail et les coûts de production, mais peut également affecter la précision dimensionnelle des pièces moulées si la quantité de broyage est trop importante.

La principale source de sable dispersé dans la cavité du moule est le système de portes..

Le système de fermeture des pièces en acier moulé est généralement composé de tuyaux en céramique (tuyaux en porcelaine) pour assurer la résistance aux hautes températures et éviter l'érosion de l'acier en fusion.

Pour les grandes pièces en fonte d'acier, la longueur totale du système de portail posé peut atteindre plus de 40 mètres, et le processus de pose implique plusieurs sections de tuyaux en porcelaine reliées.

En raison de la grande longueur et de la grande difficulté de pose, la probabilité que du sable dispersé pénètre dans les tuyaux en porcelaine est relativement élevée.

Donc, il est particulièrement important de protéger chaque section du tuyau en porcelaine pendant le processus de pose afin d'empêcher le sable dispersé de pénétrer dans la cavité du moule avec l'acier en fusion.

Grâce à une vérification pratique sur trois types de produits en acier moulé (turbines à gaz, turbines à vapeur, et roues de turbine hydrauliques),

trois types de matériaux et méthodes de protection ont été développés pour améliorer efficacement la propreté de la cavité du moule. Ce qui suit est une analyse détaillée de chaque méthode:

2.1 Méthode de protection du film plastique PVC

PVC (Chlorure de polyvinyle) le film plastique est largement utilisé dans la protection du système de portail en raison de son coût élevé, opération pratique, et bonne performance d'étanchéité.

L'épaisseur recommandée du film est de 0,4 à 1 mm, et l'épaisseur spécifique peut être sélectionnée en fonction des exigences de l'opération de moulage sur site.

Pour faciliter l'observation et l'inspection de la propreté interne des tuyaux en porcelaine, un film PVC transparent est préférable.

Les étapes de fonctionnement spécifiques sont les suivantes: D'abord, vérifier la propreté interne de chaque section du tuyau en porcelaine avant protection, et éliminer tout sable dispersé existant ou autres polluants.

Alors, enrouler le film PVC autour de l'ouverture du tuyau en porcelaine à protéger. L'étanchéité du film doit être appropriée pour ne pas affecter la connexion entre les tuyaux en porcelaine.

Lors du jointement bout à bout des tuyaux en porcelaine, le sable flottant et autres polluants sont bloqués à l'extérieur du film et ne peuvent pas pénétrer dans les tuyaux en porcelaine.

Une fois la pose du système de portail terminée, le film n'a pas besoin d'être retiré.

Pendant le processus de coulée, quand l'acier en fusion s'engouffre dans la cavité du moule, l'air contenu dans les tuyaux en porcelaine est évacué du système sous pression, et le film PVC est soufflé du système de sortie d'air avec l'air dans la cavité du moule.

Puisque le film PVC sera complètement brûlé et décomposé à haute température (la température de décomposition du PVC est d'environ 200 à 300°C,

qui est bien inférieure à la température de coulée de l'acier en fusion), cela ne polluera pas l'acier en fusion et ne laissera pas de résidus à la surface des pièces moulées.

2.2 Méthode de protection des tôles d'acier fines

Tôles d'acier minces d'une épaisseur inférieure à 1 mm peut également être utilisé pour la protection des tuyaux en porcelaine.

L’avantage des tôles d’acier fines est qu’elles peuvent être réutilisées, ce qui peut réduire dans une certaine mesure le coût des matériaux à long terme.

Avant utilisation, les fines tôles d'acier doivent être transformées en tailles appropriées légèrement supérieures au diamètre extérieur des tuyaux en porcelaine en fonction de la taille et de la forme des tuyaux en porcelaine pour garantir qu'elles peuvent recouvrir complètement la partie de connexion des tuyaux en porcelaine.

Le processus opérationnel est: D'abord, vérifiez s'il y a des corps étrangers à l'intérieur des tuyaux en porcelaine.

Alors, manchonner les fines tôles d'acier traitées sur la partie de raccordement des tuyaux en porcelaine à protéger.

Après que la partie supérieure des tuyaux en porcelaine soit entièrement recouverte de sable de moulage, retirer manuellement les fines tôles d'acier.

Cependant, cette méthode a des exigences élevées pour les opérations de construction: d'une part, en raison de la grande quantité de sable autour des tuyaux en porcelaine,

il est facile de manquer de tirer les fines tôles d'acier; d'autre part, le processus d'extraction des tôles d'acier peut entraîner les tuyaux en porcelaine déjà posés, entraînant un désalignement du système de déclenchement.

En outre, si un contrôle secondaire de propreté est requis après la pose du système de portail, la difficulté de fonctionnement est relativement importante car les fines tôles d'acier ont été retirées et la partie de raccordement des tuyaux en porcelaine est recouverte de sable.

Il convient de noter que si la fine tôle d'acier n'est pas retirée à temps ou si elle est manquée, il entrera dans la cavité du moule avec l'acier fondu pendant la coulée,

ce qui bloquera l'écoulement de l'acier en fusion et provoquera de graves défauts tels que des fermetures à froid et des erreurs de coulée à la surface des pièces moulées.

2.3 Méthode de protection des panneaux de mousse de polystyrène

Le panneau de mousse de polystyrène présente les avantages d'un faible coût et d'un poids léger., et constitue également un matériau de protection courant pour le système de déclenchement.

La clé de cette méthode est la précision du traitement du panneau de mousse.: le panneau de mousse doit être transformé en une forme cylindrique avec le même diamètre que le diamètre intérieur du tuyau en porcelaine, puis placé au niveau de la buse du tuyau en porcelaine pour la protection.

La taille de traitement du panneau de mousse a des exigences élevées: si le diamètre est trop grand, le panneau de mousse ne peut pas être inséré dans l'embout du tuyau en porcelaine;

si le diamètre est trop petit, les performances d'étanchéité seront médiocres, et le sable entrera facilement à l'intérieur du tuyau en porcelaine par l'espace.

En même temps, le panneau de mousse doit avoir une épaisseur suffisante (généralement 5 à 10 mm) pour éviter de basculer à l'intérieur du tuyau en porcelaine, ce qui affectera l'effet protecteur.

Similaire à la méthode de protection du film plastique PVC, le panneau de mousse n'a pas besoin d'être retiré après la pose du système de portail.

Pendant le processus de coulée, lorsqu'une grande quantité d'acier en fusion s'engouffre dans la cavité du moule, le panneau de mousse est soufflé hors de la cavité du moule à travers le système de sortie d'air sous la pression de l'air présent dans la cavité du moule.

La mousse de polystyrène se décompose à haute température (la température de décomposition est d'environ 100 à 150°C) et ne produira pas de substances nocives, ainsi cela ne polluera pas l'acier fondu et n'affectera pas la qualité de surface des pièces moulées.

2.4 Comparaison des effets de protection de trois matériaux

Le principe de base des trois méthodes de protection est d'empêcher le sable dispersé de pénétrer dans les tuyaux en porcelaine et la cavité du moule, en partant du principe de ne pas affecter l'écoulement de l'acier en fusion pendant le coulage et de ne pas introduire de substances étrangères dans la cavité du moule..

Pour sélectionner le schéma de protection optimal, le coût, difficulté de construction, et l'effet de protection des trois matériaux sont comparés, comme indiqué dans le tableau 1.

Tableau 1 Comparaison du coût et des performances des matériaux de protection

On peut le voir sur le tableau 1 que les tôles d'acier minces et les panneaux de mousse de polystyrène ont de bons effets de protection, mais leur difficulté de traitement est relativement élevée, ce qui n'est pas pratique pour la construction sur site et l'utilisation dans une certaine mesure.

Le film plastique PVC a le meilleur effet de protection, avec une opération simple sur site et des performances élevées.

Donc, combiné avec les besoins réels de production, le film plastique PVC d'une épaisseur de 0,4 à 1 mm est recommandé comme matériau de protection préféré pour le système de fermeture des pièces en acier moulé,

ce qui peut améliorer efficacement la propreté de la cavité du moule et réduire les défauts de surface causés par les inclusions de sable.

3. Influence de l'état de surface du moule sur la qualité de surface des pièces en acier moulé

Le moule est l’outil de base pour le moulage de pièces en fonte d’acier, et son état de surface affecte directement la finition de surface et la planéité des pièces moulées.

Pour les grandes pièces en fonte d'acier, les moules en bois sont principalement utilisés en raison de leurs avantages de facilité de traitement, faible coût, et bonne usinabilité.

Cependant, les moules en bois ont les caractéristiques d'un grand volume et d'un grand nombre de blocs lâches (blocs mobiles), qui nécessitent une précision de positionnement élevée et une étanchéité de connexion entre les blocs mobiles.

Dans le processus de production réel, avec l’augmentation du nombre d’utilisations de moisissures, les dommages à la surface du moule et aux blocs lâches lors du démoulage augmenteront également.

Si ces défauts ne sont pas entretenus dans le temps, ils affecteront non seulement la forme et la qualité de surface des pièces moulées, mais réduiront également la durée de vie du moule.

3.1 Génération de défauts naturels à la surface du moule

Les défauts naturels de la surface du moule comprennent principalement l'usure, rayures, fissure, et irrégularités au niveau des espaces de connexion. Ces défauts sont principalement causés par les raisons suivantes:

• Dommages causés par le démoulage: Pendant le processus de démoulage, grâce à l'adhérence entre le sable de moulage et la surface du moule,
  la surface du moule et les blocs lâches sont facilement rayés ou usés lorsque le moule est retiré, notamment au niveau des congés et des bords du moule.
• Facteurs environnementaux: Le moule est stocké longtemps dans l’atelier de production, et la surface est facilement affectée par l'humidité, conduisant au gonflement et à la déformation du bois, ce qui entraîne une surface inégale.
• Entretien pas opportun: Une fois le moule utilisé, si le sable de surface et les polluants ne sont pas nettoyés à temps, ou les pièces endommagées ne sont pas réparées à temps, les défauts vont s'étendre progressivement avec l'augmentation du nombre d'utilisations.

Parmi ces défauts naturels, la surface inégale au niveau des espaces de connexion et des congés du moule a le plus grand impact sur la qualité de surface des pièces moulées.

Une fois le moule réparé, si la surface n'est pas meulée pour être plane et lisse, des défauts en forme de rainure ou de queue de rat se formeront à la surface des pièces moulées, ce qui affecte sérieusement la qualité de l'apparence des pièces moulées.

3.2 Test sur les défauts artificiels à la surface du moule

Vérifier quantitativement la relation entre la planéité de la surface du moule et les défauts de la surface de coulée, un test comparatif a été réalisé.

Trois types de défauts artificiels de différentes profondeurs ont été fabriqués sur la surface du moule, qui étaient de 1 à 2 mm, 2–4mm, et 4–6 mm respectivement.

La plage de répartition des défauts couvre le plan, surface de l'arc, et partie de congé de la racine de la bride, quelles sont les positions clés sujettes aux défauts de surface dans les pièces en acier moulé.

Le plan de test est le suivant: Trois domaines sont sélectionnés pour chaque poste, et la superficie de chaque zone est définie sur 300 mm × 300 mm.

Les défauts artificiels sont fabriqués dans les zones sélectionnées et marqués.

Les défauts convexes sont créés en ajoutant des matériaux tels que du mastic ou du gypse sur la surface du moule., et les défauts concaves sont meulés et formés sur la surface du moule avec des outils tels que des limes rotatives en alliage.

La profondeur de tous les défauts artificiels est mesurée avec une jauge de hauteur et enregistrée par photographie.

Pendant le processus de moulage, les pièces artificielles défectueuses sont inspectées pour garantir qu'il n'y a pas de sable flottant ou d'autres substances qui affectent la forme des défauts.

Le degré de compactage et la résistance du sable rempli autour des défauts sont mis en œuvre conformément aux exigences de l'opération de moulage..

Une fois les pièces moulées coulées et formées, ils sont soumis à un traitement thermique de qualité et au premier processus de grenaillage, et les surfaces des pièces moulées correspondant aux défauts artificiels sont inspectées et vérifiées.

Les résultats des tests montrent que différentes profondeurs de défauts artificiels sur la surface du moule conduisent à différents niveaux de rugosité de la surface de coulée..

La relation correspondante spécifique est présentée dans le tableau 2.

Tableau 2 Tableau comparatif des défauts artificiels de la surface du moule et de la rugosité de la surface de coulée

Note: Les degrés de rugosité de surface du tableau sont divisés selon la norme interne de l'entreprise pour les pièces en acier moulé.: Note A1 (Ra ≤ 6.3 μm) est la qualité de surface la plus élevée, adapté aux pièces d'apparence clés;

Note A2/A3 (6.3 μm < Ra ≤ 12.5 μm) est la qualité générale de la surface, adapté aux pièces structurelles ordinaires; Catégorie A4 (Rampe > 12.5 μm) est la faible qualité de la surface, qui doit être retravaillé par broyage.

D'après les résultats des tests, pour répondre aux différentes exigences de qualité de rugosité de surface des pièces en acier moulé, la surface du moule doit être inspectée avant chaque utilisation.

Pour les défauts dépassant la profondeur spécifiée (généralement 2 mm pour les pièces générales et 1 mm pour les pièces clés), la réparation et le meulage doivent être effectués pour garantir que l'état global de la surface du moule est qualifié.

Pour les jeux de raccordement et les congés du moule, une attention particulière doit être accordée à l'inspection et à l'entretien pour éviter la formation de défauts en forme de rainure ou de queue de rat sur la surface de coulée.

4. Conclusion

Pour les grandes pièces en acier moulé, les deux plus importants, les contributeurs contrôlables à la mauvaise qualité de la surface telle que coulée sont pénétration de contamination via des portes/tuyaux et défauts de surface du moule.

Simple, les méthodes de protection peu coûteuses - notamment l'utilisation d'un film PVC transparent de 0,4 à 1,0 mm d'épaisseur pour boucher/couvrir les ouvertures des tuyaux pendant l'installation de la tuyauterie - réduisent considérablement la pénétration de sable meuble.

Inspection diligente et réparation rapide des surfaces du moule (avec une acceptation prudente de la profondeur des défauts de ≤2 mm) empêcher le transfert des dommages causés par le moule aux composants moulés.

Combiné avec des CND du premier article et un programme de maintenance/inspection documenté, ces mesures améliorent sensiblement l'état de surface, réduire les retouches et améliorer la qualité visible par le client.

Références

[1] Zhang Chaohui. Analyse de la qualité et mesures d'amélioration de la qualité des pièces en acier moulé [J]. Réseau de journaux chinois, 2018(01): 75-77.

[2] Wang Chengbin. Discussion sur l'influence de la structure du moule sur la qualité de la coulée et la conception optimisée [J]. Industrie commerciale et commerciale moderne, 2011, 23(01): 303.

[3] Société américaine de fonderie (AFS). Manuel des pièces moulées en acier [M]. 11ème édition. AFS, 2017.