Brevet FR2043692A1 — publié le 19710219

i. 2043692 La présente "invention concerne le traitement des particules de matières réfractaires pour leur communiquer des caractéristiques d'écoulement libre et les rendre convenables pour la formation de moules de fonderie, un procédé pour former des moules à 5 partir de ces particules en matières réfractaires s'écoulant librement et les moules et pièces obtenus. i"utilisation de sables mélangés pour former des moules de fonderie est connue, ces sables étant préparés par mélange et par traitement du sable de fonderie naturel contenant environ 10 10 $ d'argile et de sable.siliceux contenant des substances organiques, par exemple des résines, des mollaees ou des agents minéraux de coagulation, par exemple du ciment ou du verre so-luble. Le sable mélangé est chargé dans un châssis de moulage ou une boîte à noyau, est tassé à la forme voulue et est durci 1-5 pour obtenir un moule ayant une résistance à la compression à O l'état cru de l'ordre de 1 kg/cm . Le tassement du sable dans le moule nécessite beaucoup de temps et de travail, ce qui est l'inconvénient du procédé. Pour éviter cet inconvénient, il a été proposé de verser du 20 sable s'écoulant librement dans un châssis ou une boîte à noyau et de provoquer sa solidification, si nécessaire par chauffage, pour former un moule sans aucune opération de tassement. Pour améliorer les caractéristiques d'écoulement libre du sable, celui-ci a été mélangé avec un silicate d'un métal alcalin 25 cristallin agissant aussi comme coagulant pendant la formation du moule et du silicium, un alliage de silicium, un siliciure ou un mélange d'un ou plusieurs de ces produits pour aider à la coagulation. Ce procédé a l'avantage de ne pas demander d'opération de tassement, car les constituants servant à former le 30 moule s'écoulent librement à l'état sec. Cependant, ce procédé a les inconvénients suivants : d'une part les particules de matières réfractaires ne sont pas complètement revêtues par le silicate du métal alcalin cristallin, même en cas d'utilisation d'un excès important de silicate du métal alcalin cristallin et, 35 d'autre part, comme les particules réfractaires et le silicate du métal alcalin cristallin ont tendance à être en particules de dimensions différentes se séparent pendant qu'elles sont versées dans la boîte à noyau. Il en résulte des moules de résistance mécanique irrégulière. 40 La présente invention a pour objet un procédé pour traiter 70 19096 2- 2043692 I des particules réfractaires afin de leur communiquer des caractéristiques d'écoulement libre et d'obtenir des particules convenant à la fabrication de moules de fonderie, ce procédé comportant le traitement des particules réfractaires avec une 5 solution aqueuse d'un silicate d8un métal alcalin dans lequel le rapport molaire entre la silice et l'oxyde du métal alcalin (M20) est compris entre 0,7 et 1,1 pour que le silicate du métal alcalin se dépose sur la surface des particules réfractaires. Le silicate du métal alcalin peut être, par exemple, du 10 métasilicate de sodium. La solution aqueuse de silicate du métal alcalin peut être obtenue économiquement en utilisant une solution d'un silicate de sodium ou de potassium peu coûteux ou un verre soluble commercial auquel est ajouté un alcali tel que de l'hydroxyde de sodium ou de potassium pour ajuster le rapport 15 molaire entre le sodium et le potassium relativement au silicium à la valeur désirée. Le verre soluble peut être considéré comme contenant trois constituants, SiOg, un constituant alcalin tel que Na^O et de l'eau dans les proportions indiquées dans le diagramme des phases de la fig„ 1» Sur ce diagramme, la région 20 1 représente du verre soluble liquide ordinaire dans lequel le rapport molaire entre Si0? et îïa^O est compris entre 1,6 et 3,3, la région 2 représente un verre soluble contenant du silicate de sodium cristallin et la région 3 représente du silicate de sodium cristallin. Le diagramme des phases montre que du sili-25 cate de sodium cristallin peut être obtenu en abaissant le rapport molaire de SiO^ à îla^O à 1 ou à moins par addition d'hy-droxyde de sodium au verre soluble. Il a été constaté que dans la pratique si la solution est laissée au repos, il faut -on temps de réaction important pour que la, réaction ait lieu, mais 30 si la solution est agitée la réaction a lieu plus rapidement et les cristaux de silicate de sodium se forment facilement. Il est possible d'obtenir une cristallisation plus rapide par addition à la solution d'une petite quantité d'alcool ou d'un sel, . par exemple du chlorure de sodium, ou de 1 *aluminate de sodium. 35 le sulfate de manganèse, le sulfate ferreux d'ammonium, le nitrate de potassium, le sulfate de potassium, le sulfate d'aluminium., lè chlorure de cadmium, le chlorure cuprique, le chlorure ferreux, le chlorure de chrome, le sulfate de sodium, le chlorure ferrique, la chaux sodée, le chlorure"de baryum, le bicarbonate 40 de soude, le biphosphate de sodium, le nitrate de sodium et le / 0 19 0 v Q 3- 2043692 chlorure de zinc aussi sont efficaces pour accélérer la cristallisation du silicate de sodium. Les particules réfractaires traitées par la solution de silicate r'v. métal alcali*:. meuvent être les particules de nétal 7 ou de préférence du sable siliceux, par exemple. Il a été constaté oue, cuand les particules réfractaires sont traitées avec la solution, les particules deviennent initialement collantes et ne peuvent pas s'écouler librement. Cet effet disparaît après une période brève et ensuite les parti-1C cules s'écoulent plus librement que les particules non traitées. Les particules réfractaires peuvent être utilisées pour former un moule en les versant en même temps qu'un agent de coagulation, par exemple une poudre de silicium, d'un alliage de silicium, tel eue du ferrosilicium, un siliciure ou un mé-15 lange de c=s agents, dans un châssis ou une boîte à noyau et en provocuant son di-.rcisser.3r-t. L'agent de coagulation préféré est du zerrosxiiciur. contenant G,75 . de Si en particules de dimensions ne dépassant pas 74 microns. Cet agent est celui qui est utilisé pour tous les exemples décrits ci-après. Quand la forme 20 du moule est simple, aucune opération de tassement n'est nécessaire. Si la forme du moule est compliquée, une certaine action extérieure peut être nécessaire, par exemple un vibrage. Le durcissement peut être obtenu en laissant simplement le contenu dans le moule pendant un temps suffisant. En variante, 25 et d'une façon préférable, le moule peut être durci par chauf-fagé à une température supérieure au point de fusion du silicate du métal alcalin cristallin ou bien en chauffant la plaque-modèle, le châssis du moule ou la bcîte à noyau à une température supérieure au point de fusion du silicate de métal alcalin 30 cristallin avant de verser les particules réfractaires traitées dans le châssis ou dans la boîte à noyau et en soufflant de l'air chaud à travers des fentes du châssis ou de la boîte à noyau. La fig. 2 est un diagramme de la solubilité pour le système SiO^ Ta^O, eau à 31CC, les quantités des matières étant indi-r>5 cu3ec en pour cent :.3 poids. La région dans laquelle se précipite du silicate de sodium ennéahydraté est représentée en I sur la fig. 2. La fig. 3 représente la région I à plus grande échelle. Des cristaux de métasilicate de sodium correspondant à AB précipitent à 3l°C, à partir d'une solution de silicate de so-40 diur: denx le rapport molaire de SiOg & îta^O est égal à 1, repré 70 19096 4. 2043692 sente par le point A, et il reste une solution avec un rapport molaire de Si02 à égal à 1 correspondant à AC. Après la précipitation du silicate de sodium sur les particules réfractaires, il reste ainsi une solution contenant du silicate de 5 sodium. Gela n'a pas d'effet nuisible sur les caractéristiques d'écoulement libre des particules réfractaires. En considérant la formation d'un moule en utilisant du ferrosilicium comme agent de coagulation, le silicium, de l'alliage réagit avec de la soude caustique et de l'eau d'après la 10 réaction 2NaOH + nH20 + Si » I^SiO^.nHgO + H2 (1) Cette réaction est exothermique de sorte que la température s'élève pendant la réaction. Quand la température dépasse le point de fusion du silicate de sodium cristallin, celui-ci 15 fond rapidement et les réactions suivantes ont lieu ÎIa2Si05.hH20 > NaOH + l\TaHSi03 + (n-DHgO (2) NaOH + H20 + Si > Na2Si05 (n~2)H20 + Hg (3) Ces réactions se traduisent par la formation d'une solution contenant du silicium et de l'eau. 20 Si de l'alcool est utilisé pour la précipitation du sili cate de sodium cristallin.de la solution sur les particules réfractaires, l'alcool est volatilisé du mélange de réaction. En s'évaporant l'alcool évacue sous la forme de chaleur latente une partie de la chaleur engendrée par la réaction (1), et par 25 suite la réaction (2) est initialement supprimée. Par exemple, avec du méthanol la réaction suivante a lieu. CHgOHCl) + 8,48 kcal/mole > CH^OHCg) ' (4) Une partie du silicate de sodium cristallin présent dans le mélange est aussi déshydratée d'après la réaction 30 Na2Si05.nH20 » NagSiO^ + nH20 (5) Du fait des réactions ci-dessus, le contenu du châssis ou de la boîte à noyau se déshydrate progressivement et durcit pour former un moule rigide pour le moulage de la pièce de fonderie. Si de l'air, et en particulier de l'air chaud, est soufflé 35 dans le mélange à travers des fentes du châssis ou de la boîte à noyau, de la vapeur d'eau échappe du mélange quand la température du sable atteint une valeur suffisamment élevée. En conséquence, la solution contenant du silicium ou de l'eau est ra 70 19096 5- 2043692 pidement convertie en gel. La formation du moule est plus rapide et aussi le moule obtenu est plus rigide. les moules obtenus sont hautement perméables pour l'air, ce qui permet d'obtenir des pièces moulées saines pratiquement 5 exemptes de soufflures et de dartres, l'invention est illustrée plus particulièrement par les exemples suivants. SIMPLE 1 Cet exemple concerne l'essai de différents sables traités pour déterminer les caractéristiques d'écoulement libre, la 10 densité apparente de chaque échantillon est obtenue en pesant un récipient de 350 millilitres dans lequel l'écoulement du sable est provoqué uniouement sous l'effet de la pesanteur, le tableau I ci-après donne les caractéristiques des échantillons . utilisés et les résultats obtenus, le sable utilisé pour tous 15 les échantillons est du sable siliceux îî0 6 qui est un sable dont l'indice de finesse mesuré par la méthode A.F.S. est 105. Cent parties de sable ïl° 6 sont utilisées pour tous les mélanges. les rapports molaires indiqués sont les rapports molaires du SiO^ au Ila^O. 20 TAB1EAÏÏ I- '.Essai Mélange Densité ! apparente ! ! a Sable siliceux îl° 6 seulement 1*40 ! ! b Sable siliceux H° 6 (rapport molaire 2»5 ) + 5 parties de verre soluble 0,85 ■ ! c Sable siliceux H° 6 + 4 parties de métasili-cate de sodium, (cristal)+.1,5 partie de Ee-Si 1,27 i ! d Sable siliceux I:° S + 3?6 parties de solution de silicate de sodium (rapport molaire. 1,0) + 1,5 partie de Ee-Si 1,25 i ! e Sable siliceux îï° 6 + 3?6 parties de solution de silicate de sodium (rapport molaire 1,0) +0,2 partie de méthanol + 1^5 partie de Fe-Si o J 1,38 l f -É1 i j. Sable silicetix îT° 6, + 3,6 parties de solution de silicate de sodium (rapport molaire 1,0). + 0,2 partie d'aluminate de sodium (solution à 30 fo) +1,5 partie de Pe-Si 1,31 I .j 70 19096 6. 2043692 10 15 ilote s la quantité de sable siliceux &° 6 pour les essais (b) à (i) est de 100 parties. Par le procédé classique à 1•anhydride carbonique, en. utilisant le Terre soluble come liant, le sable doit être normalement tassé à une densité apparente de 1,20 ou plus. Gomme le 20 montre le tableau, tous les échantliions selon l'invention ont des densités apparentes supérieures à 1,20. TJn moule de fonderie peut ainsi être obtenu en utilisant du aable traité par le procédé selon l'invention avec très peu ou même sans action mécanique extérieure. 25 SXatFEBLg Cet exemple concerne différants échantillons" obtenus en ajoutant à cent parties de sable . siliceux Iî° 5 du- silicate de sodium ayant différents rapports le SiO., à î,ia..O dans les conii- sJ. tiens suivantes0 50 Essai -j 3*6 parties de silicate de sodium sont ajoutées au sable, le mélange est malaxé pendant 5 an dans un malaxeur 'Simpson;, après quoi 1,8 partie d" ferre silicium est ajoutée et le mélange résultant est nalaxé pendant 2 mn. 35 2c 3»6 parties de silicate de silicium sont ajoutées au sable, le mélange est malaxé pendant 5 sn dans un malaxeur Simpson, 0,2.partie de méthanol est ensuite ajoutée, ce mélange est- 'malaxé pendant 2 an, 1,8 partie de ferresili-. ciuia est a j outée et le mélange résultant est malaxé T>en-40 dant 2 mn. S n s Sable siliceux îl° 6 3?o parties de solution ; de silicate de sodium (rapport molaire 1,0) s. + 0,2 partie de solution de IFaCl (solution à s 20 f') -f- 1?5 partie de Fe-Si t Sable siliceux il0 o -4- 3*6 parties de solution s de silicate de sodium (rapport molaire 1,0; s + Ojl partie de méthanol et 0,Impartie de so- 5 lution de UaOl (solution à HO + 1,5 partie % de Fe-3i Sable siliceux ÎT° 6 -f 5,6parties de solution de silicate de sodium + 0,1 partie de raé-cha-nol, 0,1 partie d'alixsonate de sodium (solution à 30 ri-> et 0,1 partis de solution de îlaOl (solution à 20 f) + 1?5 partie de Fe-3i 1,32 1,3? 1?38 zz zz — =: zz —s: — ss ~ - s ss s 70 19096 7. 2043692 1 L'essai 00 est répété en remplaçant le méthanol par 0,2 partie d1 aluminate de sodium. La densité apparente des échantillons est mesurée de la façon indiquée dans l'exemple 1. Les résultats sont donnés par 5 la fig. 4 qui donne en ordonnées la densité apparente en fonction du rapport molaire de Si02 à Ka20 en abscisses. Les courbes j, le et 1 représentent les densités apparentes à une température de 15°0 à 1S°C et la courbe k' la densité apparente à une température de 30 à 32°C. La fig. 4 montre que la densité apparente 10 de tous les échantillons est supérieure à 1,2 quand le rapport molaire de SiO^ à l\Ja20 est compris entre 0,95 et 1,1 et que dans le cas de la courbe k' la densité apparente est supérieure à 1,2 quand le rapport molaire est compris entre 0,7 et 1,0. Ces résultats montrent aussi que les échantillons k et 1 contenant 15 un additif pour aider à la cristallisation sont supérieurs à 1'échantillon j. EXEMPLE 3 Cet exemple concerne différents échantillons obtenus par addition d'une solution de silicate de sodium à cent parties de 20 sable siliceux N° 6 dans les conditions suivantes. Essai m 3,6 parties de solution de silicate de sodium (rapport molaire 1,0) sont ajoutées au sable et le mélange est malaxé pendant 5 nui dans un malaxeur Simpson. 1,8 partie 25 de ferrosiliciLim est ajoutée à ce mélange qui est ensuite malaxé pendant 2 mn. n 3»5 parties de silicate de sodium (rapport molaire 1,0) sont ajoutées au sable et ce mélange est malaxé pendant 3 mn. 0,2 partie de méthanol est ajoutée à ce mélange qui 30 est ensuite malaxé pendant 2 mn. 1,8 partie de ferrosili- cium est ensuite ajoutée et le mélange est malaxé pendant 2 mn. p L'essai (n) est répété en remplaçant le méthanol par 0,2 partie de chlorure de sodium (solution à 20 £). 35 Chaque échantillon est ensuite versé dans un châssis métal lique d'un diamètre intérieur de 50 mm et d'une hauteur de 50 mm et les échantillons sont ensuite chauffés à 100°C pendant 20 mn pour former les moules. Le tableau II donne les résultats des essais de résistance à la compression et de perméabilité pour 40 l'air. 70 19096 8. 2043692 TABLEAU II 5 Essai Agent de cristallisation Eésistance à la compression kg/cm2 Perméabilité pour l'air m néant 26,5 280 n méthanol 31,5 242 P solution de llaCl à 20 $ 28,4 250 EXEMPLE 4 Cet exemple concerne différents échantillons obtenus par 10 addition d'une solution de silicate de sodium à cent parties de sable siliceux LT0 6 dans les conditions suivantes. Essai q 3>5 parties de solution de silicate de sodium (rapport molaire 0,95) sont ajoutées au sable, et le mélange est 15 malaxé pendant 5 mn dans un malaxeur Simpson. 1,8 partie de poudre de ferrosilicium. est ajoutée et le mélange est malaxé pendant 2 mn. 1 3,5 parties de solution de silicate de sodium sont ajoutées au sable (rapport molaire 0,95) et le mélange est 20 nalaxé pendant 3 mn. 0,2 partie de méthanol est ensuite ajoutée et le mélange est malaxé pendant 2 mn. 1,5 partie de ferrosilicium est ensuite ajoutée et le mélange est malaxé pendant 2 mn. s L'essai (r) est répété mais en utilisant 0,3 partie de 25 méthanol. Chaque échantillon est placé individuellement dans un récipient d'un litre et la température de l'échantillon est mesurée au centre. La fig. 5 qui est un graphique de la température en °C en ordonnées en fonction du temps en mn en abscisses donne 30 les résultats. La fig. 5 montre que la température initiale de l'échantillon a (courbe O) ne contenant pas de méthanol est supérieure à celle des échantillons r et s (courbes R et 5) contenant du méthanol. Les échantillons r et s sont par suite préférés car, ainsi que le montre la fig. 5, ils sont carac-35 térisés par un délai d'environ 10 mn avant le démarrage de la réaction, ce qui laisse le temps pour verser le sable avant le 70 19096 9. 2043692 début du durcissement. De la poudre de bois, des substances carbonées et du brai peuvent être ajoutés aux particules réfractaires pour former le moule. 5 "Bien entendu, la description qui précède n'est pas limi tative, et l'invention peut être mise en oeuvre suivant d'autres variantes, sans que l'on sorte de son cadre0 ""f BAD ORIGNAL 70 19096 10. 2043692 " REVBÏÏDlCATIQgS 10 Procédé pour traiter des particules réfractaires pour leur communiquer une caractéristique de l'écoulement libres et pour la fabrication de moules de fonderie caractérisé par le 5 traitement des particules réfractaires par une solution aqueuse ds silicate d'un métal alcalin cristallin dans lequel le rapport molaire de la silice à l'oxyde du métal alcalin Hg0 est compris entre 0?7 et l9i pour déposer le silicate du métal alcalin sur la surface des particules, 10 2» Procédé selon la revendication 15. caractérisé en ce que les particules réfractaires sont un sable siliceux. 3. Procédé selon l'une des revend!cations 1 et 2? caractérisé en. ce que la solution aqueuse de silicate du métal alcalin cristallin est obtenue par addition dshydre:cyae de sodium 15 à du verre soluble» 4„ procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par l'addition d'un alcool à la solution aqueuse de silicate du métal alcalin cristallin pour favoriser le dépôt du silicate du métal alcalin. 20 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4? carac térisé par l'addition d:un sel à la solution aqueuse de silicate du métal alcalin cristallin peur favoriser le dépôt du silicate du métal alcalin„ 6c Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce 25 que le sel est choisi dans le groupe constitué par le chlorure de sodium, le chlorure de potassiux» Illuminais de sodium* le sulfate de manganèse 9 le sulfate ferreux d! ammonium9 le nitrate de potassium^ le sulfate de potassium* le sulfate d'aluminium, le chlorure de cadmium, le chlorure cuprique, le chlorure fer-30 reuxj le chlorure de chrome, le sulfate de sodium, le chlorure ferrioue, la chaux sodée, le chlorure de baryium, le bicarbonate de soude9 le biphosphate de sodium, le nitrate de sodium et le chlorure de z±ne, 7c Particules réfractaires ayant 'ans caractéristique d'é-35 coulsnent libre caractérisé par le fait qu'elles comportent un silicate d'un métal alcalin déposé sur les particules, 8c procédé povir former un moule ou un noyau pour la fonderie caractérisé en ce que des particules réfractaires s'écoulant librement et comportant un silicate d'un métal alcalin déposé 40 sur les particules et un agent de coagulation sont versées dans BAD ORIGINAL 70 19096 ii. 2043692 un châssis ou une "boîte à noyau afin oue le mélange durcisse pour former le moule ou le noyau. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé par un chauffage pour accélérer le durcissement. 5 10. Procédé selon l'une des revendications 8 et Q, carac térisé en ce que l'agent -le coagulation est choisi dans le groupe constitué par le silicium, un alliage de silicium, un siliciure et des mélanges d'au moins un de ces agents. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en 10 ce que l'agent de coagulation est du ferrosilicium. 12. Moule ou noyau de fonderie caractérisé en ce cu'il est formé par le procédé selon l'une des revendications 8 à 11. 13. Pièce de fonderie caractérisée en ce qu'elle est obtenue en utilisant un moule ou un noyau selon la revendi- 15 cation 11.