Qu’est-ce que l’aluminium coulé ? Propriétés, qualités et utilisations industrielles

produits en aluminium moulé de précision

Parmi les nombreuses formes d'aluminium utilisées industriellement, l'aluminium coulé est l'une des plus répandues dans la fabrication moderne. L'aluminium coulé possède un équilibre unique de propriétés mécaniques, différent de celui de l'aluminium corroyé, forgé ou liquéfié. Les ingénieurs privilégient l'aluminium coulé pour la fabrication de formes complexes alliant résistance modérée et légèreté. Cette technique s'avère très avantageuse par rapport à d'autres procédés de formage onéreux.

Pour l'utiliser intelligemment, il faut comprendre comment il est produit et comment il se compare à d'autres métaux d'ingénierie concurrents, tels que la fonte et l'aluminium forgé. 

Qu'est-ce que l'aluminium moulé ?

L'aluminium coulé est un produit obtenu par la mise en forme d'alliages d'aluminium. On les fait fondre, on les verse dans un moule, puis on les solidifie pour former une pièce rigide. La coulée permet de produire la pièce directement à partir de métal liquide. C'est ce qui la distingue des autres méthodes de mise en forme du métal, comme le laminage, le forgeage ou l'extrusion.

composant automobile en aluminium moulé

Aspect de l'aluminium moulé

En général, les alliages d'aluminium moulés contiennent également du silicium, du magnésium ou du cuivre pour améliorer leurs propriétés techniques, comme l'augmentation de la fluidité, la réduction du retrait, le contrôle de la résistance, etc.

Les points saillants ci-dessous concernant l'aluminium moulé vous donneront une base solide pour comprendre son positionnement dans l'industrie, notamment par rapport à ses concurrents.

• Il est produit en versant de l'aluminium en fusion dans des moules.
• Peut former des géométries internes et externes complexes
• Possède une température de fusion inférieure à celle des métaux ferreux.
• Sa densité est inférieure à celle de l'acier et de la fonte.

Comme beaucoup d'autres métaux utilisés en ingénierie, il s'agit également d'une famille d'alliages disponibles en différentes qualités, ce qui vous offre une large gamme de propriétés.

Comment est fabriquée la fonte d’aluminium ?

Si vous observez le processus de production de l'aluminium moulé, vous pouvez constater les principales étapes suivantes.

• Les lingots d'alliage d'aluminium sont fondus dans un four.
• Des éléments d'alliage (selon les besoins) sont ajoutés pour atteindre la composition cible.
• Le métal en fusion est coulé ou injecté dans un moule.
• Le métal se solidifie et refroidit
• La pièce moulée est retirée et nettoyée.
• Le traitement thermique et l'usinage peuvent suivre

La structure granulaire et les propriétés mécaniques de l'aluminium coulé sont principalement déterminées par la vitesse de refroidissement et le type de moule. Pour obtenir des grains plus fins et une résistance accrue, il est possible d'utiliser des vitesses de refroidissement plus élevées.

Aluminium moulé contre aluminium ordinaire (forgé)

L'aluminium forgé est un type d'aluminium façonné par laminage, extrusion, forgeage ou autres procédés de déformation. En revanche, il est façonné par solidification du métal dans un moule, comme expliqué précédemment. Les principales différences entre l'aluminium coulé et l'aluminium forgé sont les suivantes :

Tableau 1 : Comparaison des propriétés de l'aluminium moulé et de l'aluminium forgé

D'après les informations du tableau ci-dessus, le moulage est à privilégier lorsque la géométrie de la pièce est complexe et qu'une forme quasi-nette est requise. L'aluminium forgé est quant à lui préférable lorsque l'on a besoin d'une ductilité, d'une résistance à la fatigue ou de sections minces. En savoir plus :Aluminium contre aluminium moulé

Explication des procédés de fonderie d'aluminium

Il existe différents procédés d'usinage de l'aluminiumElles diffèrent principalement par leur coût, leur précision, leur finition de surface et leurs propriétés mécaniques.

Aluminium de moulage au sable

composants de moulage au sable

En fonderie au sable, on remplit un moule de sable autour d'un modèle. On retire ensuite le modèle et on verse de l'aluminium en fusion dans la cavité de sable. L'aluminium se solidifie progressivement et prend la forme du modèle. Point important : le moule en sable est détruit après solidification. Par conséquent, la fonderie au sable est une méthode à usage unique pour l'aluminium.

• Les principales caractéristiques et avantages du moulage en sable sont :
• Faible coût d’outillage
• Convient aux composants de grande taille
• Finition de surface plus rugueuse
• Tolérances dimensionnelles plus larges

L'aluminium moulé au sable est largement utilisé pour produire des blocs-moteurs, des carters de pompes et de nombreux boîtiers industriels.

Die Casting Aluminium

Diagramme du processus de moulage sous pression

Moulage sous pression d'aluminium Le moulage par injection est une autre technique courante de mise en forme de l'aluminium. L'aluminium en fusion est injecté sous pression dans un moule en acier trempé, également appelé « matrice ». La pression d'injection est très élevée comparée aux autres méthodes. L'aluminium est ensuite laissé à se solidifier puis éjecté.

Le moule de fonderie peut être réutilisé de nombreuses fois. Par conséquent, la fonderie sous pression est plus adaptée à la production de masse que la fonderie en sable. Les principaux avantages de la fonderie sous pression sont les suivants :

• Finitions de surface lisses et de haute qualité 
• Capacité à respecter des tolérances strictes 
• Adapté aux parois minces et aux cadences de production élevées

L'un des principaux inconvénients du moulage sous pression réside dans le coût élevé de l'outillage initial, dû à l'utilisation de l'acier. De ce fait, cette méthode peut s'avérer onéreuse pour les petites séries. Parmi les produits les plus couramment fabriqués par moulage sous pression d'aluminium, on trouve les carters de transmission, les boîtiers électroniques, les châssis d'appareils électroménagers, etc.

Moulage de moule permanent

En fonderie en moule permanent, on verse de l'aluminium dans un moule métallique réutilisable, généralement en acier ou en fer. La principale différence avec la fonderie sous pression réside dans le fait que ce procédé utilise la gravité ou de très basses pressions.

Le moulage en moule permanent est reconnu pour offrir des pièces moulées à la finition de surface plus nette et plus lisse que le moulage en sable. C'est la technique idéale pour les productions en petites séries. Comparé au moulage en sable, ses principaux inconvénients sont le coût plus élevé de l'outillage et les limitations géométriques.

Casting d'investissement

On réalise ici une copie en cire de la pièce, que l'on recouvre de céramique pour former une coque dure. On fait ensuite fondre la cire. Enfin, on coule de l'aluminium dans la coque en céramique. Comme pour le moulage en sable, on casse ici aussi la céramique une fois le métal solidifié. C'est donc une méthode à usage unique, mais reconnue pour sa grande précision dans la fabrication de pièces de précision. Le moulage à la cire perdue est généralement plus lent et plus coûteux (le coût unitaire d'une pièce est très élevé) que le moulage en sable et le moulage en moule permanent.

Alliages et nuances d'aluminium moulé

Pile de billettes d'aluminium industrielles

Il existe sur le marché différentes nuances d'aluminium moulé. Elles sont regroupées en séries numérotées (par exemple 3xx.x, 4xx.x) principalement en fonction de leur élément d'alliage dominant. Le « .x » indique qu'il s'agit d'un alliage de fonderie (et non de fonte). Ce regroupement repose sur l'élément d'alliage principal, car celui-ci détermine en grande partie la coulabilité, la résistance, la résistance à la corrosion et la réaction au traitement thermique de l'aluminium moulé.

Série courante d'alliages d'aluminium moulés

Tableau 2 : Séries courantes de nuances d'aluminium moulé et leurs propriétés

La nuance 3xx.x est la plus répandue et la plus utilisée pour les applications générales. C'est l'une des meilleures nuances d'aluminium pour l'usinage. Cette série offre un équilibre optimal des propriétés mécaniques pour obtenir : 

• Coulage facile (bonne fluidité)
• Bonne résistance après traitement thermique (en particulier 356/357)
• Bonne résistance à la corrosion (dans des conditions environnementales normales) 

Il convient donc à tous les usages, de l'automobile à la fonderie industrielle générale, à l'exception des applications nécessitant des performances particulières.

Éléments d'alliage et leurs effets

Il est possible de modifier ou d'améliorer les propriétés de l'aluminium coulé grâce à l'ajout d'éléments d'alliage. On peut incorporer un ou plusieurs éléments et faire varier leur pourcentage afin d'obtenir les propriétés souhaitées. Les principaux effets de l'ajout des éléments d'alliage les plus courants sont présentés ci-dessous.

• SiliconeAméliore la fluidité (coulage) et le remplissage du moule. Réduit également les défauts de retrait.
• MagnésiumAméliore la capacité de traitement thermique et la réponse au durcissement structural. Augmente également la résistance.
• CopperAugmente la résistance et la dureté, mais réduit la résistance à la corrosion. Le cuivre crée des micro-couples galvaniques avec l'aluminium, ce qui accroît la corrosivité.
• Zinc: Améliore la résistance et la réponse au durcissement dû à l'âge, mais augmente la tendance à la fissuration à chaud.

Alliages moulés traitables thermiquement vs. non traitables thermiquement

Les alliages traitables thermiquement peuvent subir un traitement de mise en solution (dissolution des phases solubles dans la matrice d'aluminium) suivi d'un vieillissement (formation de précipités fins renforçant l'alliage). On obtient ainsi une limite d'élasticité et une dureté nettement supérieures.

Cependant, il est impossible d'accroître la résistance des alliages non traitables thermiquement de la même manière, car ils ne forment pas de précipités de renforcement utiles lors du traitement thermique de mise en solution. Ils sont généralement utilisés à l'état brut de coulée ou, parfois, après un simple traitement de relaxation des contraintes.

• Nuances d'aluminium traitable thermiquement : 356, 357, 206
• Nuances d'aluminium non traitable thermiquement : 413, 443, 514, 535

Propriétés mécaniques et physiques de l'aluminium moulé

Résistance, poids et durabilité

• Densité de l'aluminium : 2.7 g/cm³
• Densité de la fonte : 7.0 – 7.4 g/cm³

Le poids des alliages d'aluminium courants représente généralement environ un tiers de celui des pièces équivalentes en fonte. Cette légèreté est un atout majeur pour de nombreuses applications, notamment dans les secteurs de l'automobile et de l'aérospatiale.

Résistance à la corrosion et à l'usure

L'aluminium moulé possède une couche d'oxyde naturelle qui protège le métal interne de la corrosion. De ce fait, de nombreux alliages d'aluminium moulé offrent de bonnes performances en extérieur et dans des environnements légèrement corrosifs. Cependant, pour une utilisation en milieu marin ou chimique, des stratégies de protection anticorrosion spécifiques sont nécessaires.

La résistance à l'usure de l'aluminium moulé est considérée comme modérée. Son niveau intrinsèque est suffisant dans de nombreux cas, mais en présence de frottements ou de contacts abrasifs, on recourt à une anodisation dure ou à des revêtements de surface.

Conductivité thermique et électrique

Il possède une bonne conductivité thermique, suffisamment élevée pour dissiper rapidement la chaleur des composants. C'est pourquoi il est largement utilisé pour les dissipateurs thermiques, les composants de moteurs et les boîtiers électroniques. 

La conductivité électrique de l'aluminium coulé est inférieure à celle du cuivre, mais elle est généralement suffisante pour de nombreux composants électriques.

Fonte contre aluminium moulé

Lingots de fonderie d'aluminium brut

aluminium moulé contre fonte Ces deux matériaux de fonderie sont parmi les plus courants dans l'industrie manufacturière et font souvent l'objet d'une comparaison entre ingénieurs. Cependant, ils servent des objectifs très différents et possèdent également de nombreuses propriétés distinctes.

Tableau 3 : Comparaison des principales propriétés de l'aluminium et de la fonte

Dans l'industrie, les alliages d'aluminium courants sont principalement choisis pour les pièces légères qui dissipent rapidement la chaleur. La fonte est privilégiée lorsque l'amortissement des vibrations et la résistance à l'usure sont des critères plus importants.

Aluminium moulé contre aluminium moulé sous pression

Coulée de métal d'aluminium fondu

La différence entre l'aluminium coulé et l'aluminium moulé sous pression réside dans les procédés de fabrication, et non dans le type de matériau. L'aluminium moulé sous pression est un aluminium fabriqué par la méthode du moulage sous pression. Les principales différences sont les suivantes :

• Coulée sous pressionLes pièces présentent une excellente finition de surface. Cette méthode permet de produire des composants à parois minces avec un contrôle dimensionnel précis.
• Coulée par gravité Le moulage (en sable ou en moule permanent) permet généralement d'obtenir des pièces plus résistantes et plus ductiles (grâce à une solidification plus lente et une porosité plus faible). Cependant, leur état de surface ne répond généralement pas aux normes du moulage sous pression.

Vous pouvez choisir le procédé adapté à vos priorités : précision, aspect (moulage sous pression) ou performances mécaniques (moulage par gravité).

Aluminium forgé, moulé ou usiné

Vous avez peut-être entendu parler d'aluminium coulé, forgé et billette. Cette classification, souvent source de confusion, désigne l'aluminium sous différentes formes. Il ne s'agit pas de « qualités » différentes, mais de différences liées au procédé de fabrication du métal de départ avant usinage. Aluminium forgé, moulé ou usiné Ils présentent de nombreuses différences en termes de propriétés et d'usages typiques, c'est pourquoi choisir le bon est primordial.

Tableau 4 : Aluminium forgé, moulé et usiné

Avantages de l'utilisation de l'aluminium moulé

Supports en aluminium moulé fini

• LégèretéL'aluminium a une densité inférieure à celle de nombreux métaux utilisés en ingénierie et est également résistant, mais sa résistance est moindre que celle de l'aluminium forgé. On peut donc obtenir des pièces plus légères sans compromettre leurs performances structurelles fondamentales.
• Bonne résistance à la corrosionLa couche d'oxyde naturelle de l'aluminium protège sa surface de la corrosion. L'aluminium peut être utilisé sans risque dans de nombreux environnements extérieurs et industriels courants, sans nécessiter de revêtements épais.
• Capacité à former des géométries complexesIl est possible de former directement par moulage des formes telles que des nervures, des bossages et des cavités. L'usinage de pièces solides serait soit très lent, soit extrêmement coûteux.
• Coût d'outillage réduit: Comparé aux matrices et presses de forgeage, l'outillage de fonderie est généralement plus simple et moins cher, notamment pour le moulage au sable et les séries de production modérées.
• Bonne conductivité thermiqueL'aluminium moulé dissipe rapidement la chaleur. Il est largement utilisé pour les dissipateurs thermiques, les pièces de moteur et les boîtiers qui doivent évacuer rapidement la chaleur.
• RecyclabilitéL'aluminium peut être refondu et réutilisé. Ainsi, les déchets et les pièces en fin de vie peuvent être réintégrés dans la production. Grâce à cette possibilité, il est possible de récupérer la quasi-totalité du métal.

Produits et applications courants en aluminium moulé

• Blocs moteurs automobilesPrincipalement utilisé pour fabriquer des pièces légères capables de résister à la chaleur et à la pression interne. On le retrouve également fréquemment dans les canaux de refroidissement/passages d'huile internes.
• Carter de boîte de vitesses et de transmissionIl est possible d'obtenir une enveloppe extérieure rigide sans augmenter considérablement la masse. Le moulage sous pression est principalement utilisé pour fabriquer ces boîtiers, car des surfaces propres et des ajustements précis sont essentiels.
• Corps de pompesVous pouvez intégrer simultanément des conduits d'écoulement courbes, la fixation et les ports dans une seule pièce. Ainsi, vous n'aurez pas besoin d'assembler plusieurs éléments.
• Dissipateurs de chaleurL'aluminium diffuse bien la chaleur et peut être formé avec précision en une seule pièce moulée.
• Boîtiers d'éclairageL'aluminium est utilisé pour les boîtiers d'éclairage car il protège les composants électroniques, résiste à la corrosion extérieure et contribue à dissiper efficacement la chaleur des LED.
• Supports structurelsVous pouvez les utiliser pour obtenir la rigidité nécessaire sans recourir à de l'acier lourd.
• Batterie de cuisineLes récipients en aluminium chauffent uniformément et sont faciles à déplacer et à manipuler grâce à leur légèreté. C'est pourquoi ils sont largement utilisés dans les ustensiles de cuisine, généralement avec un revêtement pour une meilleure durabilité.

Finitions et post-traitement optionnels pour l'aluminium moulé

Trajectoire d'outil de fraisage CNC

Usinage et traitement thermique

Les pièces issues du moulage de l'aluminium sont généralement proches de la forme finale. Cependant, un usinage est parfois nécessaire pour atteindre les propriétés fonctionnelles requises et un ajustement parfait. Les opérations de post-traitement courantes sont :

• Fraisage CNC pour faces, poches et fentes
• Tournage CNC pour formes rondes et alésages
• Perçage et taraudage pour fixations et trous taraudés

Le traitement thermique est appliqué aux alliages traitables thermiquement afin d'accroître leur résistance, leur dureté et leur stabilité dimensionnelle.

Traitements de surface

Vous pouvez décider si une finition de surface supplémentaire est nécessaire en fonction de l'environnement, de l'aspect et des exigences de durabilité de votre pièce. Vous pouvez opter pour l'une des solutions suivantes :

• Anodisation – forme une couche d'oxyde dure et résistante à la corrosion
• Revêtement en poudre – revêtement coloré durable offrant une bonne résistance à l'usure
• Peinture – protection cosmétique et marquage
• Revêtement de conversion – améliore la résistance à la corrosion et l'adhérence de la peinture

Les traitements de surface mentionnés ci-dessus permettent de prolonger la durée de vie et d'améliorer l'aspect de vos pièces.

Facteurs à prendre en compte lors du choix d'un alliage d'aluminium moulé

Un lot de composants moulés

Il est important de choisir l'alliage de manière stratégique, car un mauvais choix augmente les coûts dès le début de la production et peut également entraîner des erreurs et des dommages imprévus. Par conséquent, vous devez choisir un alliage performant et économique pour votre application. Les principaux facteurs à prendre en compte lors du choix du matériau sont :

• Force mécanique requise
• Température de fonctionnement et environnement
• Usinabilité
• Méthode de coulée
• Volume de production
• Prix

La meilleure solution consiste à prendre contact et à décider avec l'aide d'un service d'usinage CNC d'aluminium expérimenté afin d'obtenir une qualité constante et des conseils professionnels.

Service d'usinage CNC en aluminium

Proleantech propose des services d'usinage d'aluminium sur mesure pour les métaux de haute performance tels que les alliages d'aluminium trempés et les alliages d'aluminium spéciaux. Certifiée ISO, notre entreprise assure le prototypage, la production à l'échelle et l'accompagnement du passage du prototype à la fabrication en petites et grandes séries. Nous garantissons également des prestations fiables. service de fonderie sous pression d'aluminium pour enrichir nos solutions de fabrication.

Nous pouvons également couler de l'aluminium et l'usiner selon les spécifications exactes, avec des tolérances serrées pour les pièces mobiles. 

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Conclusion

L'aluminium est un matériau d'ingénierie très pratique pour la fabrication de composants légers, complexes et économiques. Grâce à ses propriétés équilibrées et à son aptitude à l'usinage de précision, c'est un alliage idéal pour de nombreuses applications structurelles, thermiques et mécaniques. Une bonne compréhension des systèmes d'alliages, des procédés de fonderie et des limitations vous permettra de choisir la nuance la plus adaptée à vos applications.

Les Questions

Comment sont fabriquées les pièces en aluminium moulé ?

Les pièces en aluminium moulé sont fabriquées en versant un alliage d'aluminium en fusion dans des moules pour former des formes complexes et quasi complètes qui ne nécessitent que peu ou pas d'usinage ultérieur.