règle de Chvorinov

La règle de Chvorinov est une formule empirique qui prédit le temps de solidification du métal en fusion dans un moule de fonderie. L'équation relie le temps de solidification t à la géométrie et aux propriétés thermiques de la pièce moulée : t = B(V/A)n, où V est le volume de la pièce, A est la surface en contact avec le moule, et B et n sont des constantes dépendant du matériau. Le rapport V/A est appelé module ou module thermique ; il exprime l'épaisseur ou l'encombrement de la pièce par rapport à sa surface de refroidissement. Une pièce avec un module élevé refroidit lentement ; une pièce avec un module faible refroidit rapidement.

L'exposant n varie généralement de 1,5 à 2,0 selon les conditions de moulage et le système de matériaux. La fonte grise suit souvent un n d'environ 1,8, tandis que l'acier et l'aluminium peuvent différer légèrement. La constante B reflète la facilité avec laquelle la chaleur s'écoule du métal vers le moule et l'environnement. Elle varie avec le matériau du moule, la température du métal, la taille de la pièce et l'utilisation de refroidisseurs ou de manchons exothermiques. Un moule en sable de silice sec donne un B différent d'une coquille métallique ou d'un moule céramique lié.

Les ingénieurs de fonderie utilisent la règle de Chvorinov lors de la planification des processus pour estimer si les attaques, les masselottes et les températures de coulée permettront d'obtenir des pièces saines. Une section qui se solidifie trop rapidement peut ne pas avoir suffisamment de temps pour que le métal liquide alimente le retrait dans les régions épaisses adjacentes, provoquant porosité ou fissures. Inversement, si une masselotte se solidifie avant le corps principal, elle ne peut pas fonctionner. En calculant les modules pour différentes sections, les concepteurs peuvent prédire l'ordre de solidification local et ajuster le placement des masselottes, la distance d'alimentation et la gestion thermique en conséquence.

La règle fonctionne mieux pour les géométries simples et le refroidissement en régime permanent. Les formes complexes avec des branches, des sections minces et des épaisseurs de paroi inégales introduisent des gradients thermiques locaux que le module simple ne peut pas capturer. La formule suppose également que le métal et le moule atteignent des conditions de quasi-équilibre ; un refroidissement rapide ou des coulées à grande vitesse peuvent invalider cette hypothèse. Pour des prédictions précises, la simulation informatique utilisant des méthodes par éléments finis ou différences finies a largement remplacé le calcul manuel, mais la règle de Chvorinov reste l'outil le plus rapide pour les estimations d'ordre de grandeur et l'apprentissage des principes de fonderie.

La règle porte le nom de Nikolai Chvorinov, un chercheur soviétique en fonderie qui a publié cette relation au milieu du XXe siècle. Des variantes existent : certaines ajoutent un coefficient pour la perméabilité du moule ou utilisent des exposants différents pour des systèmes d'alliages spécifiques. En pratique, les fonderies calibrent souvent B et n empiriquement en coulant des blocs d'essai et en mesurant les courbes de refroidissement, puis appliquent ces valeurs ajustées aux travaux de production.