fonderie
Fonderie, technique et industrie de fabrication d'objets métalliques obtenus par fusion complète ou partielle du métal puis par coulée dans un moule destiné à reproduire une forme donnée après solidification. La fonderie est un art industriel très ancien, déjà pratiqué dans l'Antiquité pour la fabrication d'armes, d'outils, de statues et de pièces utilitaires, et qui demeure aujourd'hui largement utilisé dans l'industrie moderne, même s'il a été dans une certaine mesure supplanté ou complété par d'autres procédés de mise en forme des métaux tels que la coulée sous pression, le forgeage, l'extrusion, l'usinage et le laminage. Voir aussi Sidérurgie ; Métallurgie.
La fonderie repose sur un ensemble de techniques complémentaires permettant de transformer un métal liquide en pièce solide aux dimensions et formes contrôlées. Elle est particulièrement adaptée aux pièces complexes, aux formes creuses ou aux productions en série limitée ou moyenne, où d'autres procédés seraient plus coûteux ou plus difficiles à mettre en oeuvre.
La fonderie comporte traditionnellement trois grandes opérations distinctes et successives : la création d'un modèle, la fabrication d'un moule creux et la coulée du métal en fusion dans l'empreinte obtenue. Le modèle constitue une réplique de l'objet final, mais il est légèrement modifié pour tenir compte des phénomènes physiques du moulage.
Lorsque l'on produit un petit nombre d'objets, le modèle de fonderie est en général fabriqué en bois verni, matériau facile à travailler et économique. Pour une production en grande série, il peut être réalisé en plastique technique, en fonte, en acier, en aluminium ou en tout autre matériau suffisamment résistant à l'usure. Le modèle diffère de l'objet final sur plusieurs points importants : ses dimensions sont légèrement accrues afin de compenser le retrait du métal lors du refroidissement, et les modèles d'objets creux comportent des saillies ou des réserves destinées à former les noyaux.
Quoique les modèles puissent être monobloc, la réalisation d'un moulage de forme complexe est souvent facilitée par une fabrication en plusieurs parties, ensuite assemblées avec précision. On attribue généralement une légère dépouille aux modèles comportant des parois verticales afin de faciliter leur extraction du moule sans détérioration de l'empreinte. Chaque partie est munie de chevilles et de trous de positionnement correspondants, assurant un alignement précis lors de l'assemblage du modèle et du moulage.
La description d'un moulage simple, comme un tuyau avec une extrémité à bride, permet de comprendre les étapes fondamentales de la prise d'empreinte d'un modèle et de la coulée d'un moulage métallique. Le modèle correspondant est représenté sur la figure 2. Les moules sont préparés dans des châssis, c'est-à-dire des boîtes rigides sans couvercle ni fond, équipées de systèmes de centrage et de repérage (figure 3). La boîte inférieure est appelée châssis du dessous et la boîte supérieure châssis du dessus.
Afin de fabriquer le moule, on place la partie plate du demi-modèle sur une surface plane, puis on retourne le châssis du dessous et on le positionne autour de ce modèle. Le sable de moulage est ensuite versé dans le châssis et compacté par damage ou vibration jusqu'à remplissage complet. Le châssis est ensuite retourné et l'autre moitié du modèle est mise en place, comme sur la figure 4. Une fine couche de sable de séparation, sable spécial sec empêchant l'adhérence entre les deux parties du moule, est alors répandue sur la surface de contact. Le châssis du dessus est ensuite installé, rempli de sable et compacté de la même manière.
Les deux moitiés du moule sont ensuite séparées avec précaution et le modèle est retiré, laissant une empreinte creuse correspondant à la pièce finale. On perce alors une ou plusieurs vannes ou trous de coulée à travers le sable du châssis supérieur, ainsi que des évents permettant l'évacuation des gaz et de la vapeur générés lors du contact entre le métal en fusion et le moule.
On prépare ensuite le noyau, élément essentiel destiné à former les cavités internes de la pièce moulée. Dans le cas du tuyau, ce noyau prend la forme d'un cylindre simple, mais des pièces complexes peuvent nécessiter plusieurs noyaux assemblés. Les noyaux sont façonnés dans des boîtes à noyaux, puis durcis par cuisson dans un four afin de leur conférer la résistance mécanique nécessaire à la manipulation et à la coulée.
Le noyau est ensuite placé avec précision à l'intérieur du moule, puis l'autre moitié du moule est repositionnée. L'ensemble est alors prêt pour la coulée du métal en fusion. Après fusion dans un four industriel, le métal est versé à la main à partir d'un creuset pour les petites pièces, ou au moyen de poches de coulée pour les grandes quantités, souvent manipulées par grue ou chariot spécialisé.
Le remplissage du moule se fait jusqu'à saturation complète de l'empreinte, incluant les systèmes d'alimentation et de montée. Après refroidissement et solidification du métal, les châssis sont démontés et le moule en sable est détruit lors du décochage. Les excroissances métalliques formées dans les canaux de coulée et les évents sont ensuite éliminées par sciage, meulage ou usinage.
Le sable utilisé en fonderie contient une proportion contrôlée d'argile qui lui confère une cohésion suffisante après humidification. Le sable de séparation, quant à lui, est sec et pauvre en liant afin de permettre un démontage propre des moules. Le sable de moulage est choisi pour sa perméabilité, permettant l'évacuation des gaz et de la vapeur lors de la coulée.
Avec des métaux à point de fusion relativement bas, comme le laiton ou certains alliages légers, il est possible d'utiliser des moules en matériaux rigides tels que le plâtre ou les matériaux céramiques. Ces moules, ainsi que les moules métalliques permanents, permettent d'obtenir des surfaces plus lisses et des pièces plus précises, mais ne conviennent pas à des métaux comme le fer ou l'acier nécessitant des températures très élevées.
La fonderie courante inclut de nombreuses variantes techniques adaptées aux formes, aux matériaux et aux volumes de production. Dans certains cas, il est possible de réaliser plusieurs pièces dans un seul moule afin d'optimiser la production. Les modèles comportant des parties en surplomb peuvent intégrer des éléments démontables afin de faciliter leur extraction sans endommager le moule.
Dans la fabrication de pièces mécaniques telles que les engrenages, il est parfois utilisé des coquilles métalliques placées dans le moule afin de contrôler le refroidissement local et d'améliorer les propriétés mécaniques de certaines zones, notamment la couronne des engrenages, qui doit présenter une grande dureté.
Les roues et engrenages de grand diamètre peuvent également être coulés directement dans des lits de sable préparés au sol de la fonderie, sans utilisation de châssis rigides. Dans ce cas, la forme de la pièce est modelée directement dans le sable et des noyaux sont positionnés pour former les parties creuses comme le moyeu et les rayons.
Méthodes modernes de fonderie
Le moulage par centrifugation est une méthode industrielle particulièrement adaptée à la fabrication de pièces cylindriques ou annulaires, telles que les tuyaux métalliques. Pendant la coulée, le moule est mis en rotation rapide autour de son axe, ce qui permet au métal liquide de se répartir uniformément sous l'effet de la force centrifuge, sans nécessité de noyau central dans certains cas.
Dans le moulage par enrobage, dérivé du procédé de la cire perdue utilisé en fonderie artistique et de précision, le modèle est réalisé en cire puis recouvert d'une couche de matériau réfractaire sous forme de pâte. Après séchage, la coque est durcie puis chauffée, ce qui entraîne la fusion et l'évacuation de la cire, laissant une cavité parfaitement fidèle au modèle initial.
Le procédé de coulée continue, très utilisé dans l'industrie sidérurgique moderne, consiste à verser du métal en fusion de manière constante dans un moule refroidi à l'eau. Le métal solidifié est extrait en continu par la base du dispositif, permettant une production ininterrompue de semi-produits métalliques destinés à d'autres opérations de transformation industrielle.