Brevet FR2143696A1 — publié le 19730209

La présente invention, qui résulte d'études effectuées avec l'assistance de la société COCXERILL, concerne un procédé de fabrication de moules et de noyaux en sable aggloméré pour le moulage de métaux en fusion, le sable pouvant hêtre remplace par une autre matière à propriétés analogues. Le principe de la préparation de moules et de noyaux de fonderie par agglomération de sable, par exemple, au moyen d'une solution de silicate de sodium et durcissement par de l'anhydride carbonique ou un composé capable d'engendrer cet anhydride dans les conditions d'utilisation est connu depuis longtemps. Parmi les brevets relevant de ce domaine on peut citer les suivante s le brevet britannique 11 847 du 25.5.1898 aux noms de J.HARGREAVES et A.POULSON proposait d'ajouter au sable des solutions de silicate de sodium et de bicarbonate ou de sesquicarbonate de sodium i le brevet Etats-Unis 1 899 007 du 26.2.1931 au nom de B.F.WAILACE proposait de faire réagir du carbonate de sodium solide avec une solution bouillante de silicate de sodium alealinisé et d'utiliser la solution obtenue avec de l'eau et du sable pour préparer les moules et les noyaux i le brevet britannique 654 817 du 12.12.1947 au nom de VITKOVICKE ZELEZARNY NARODNI PODNIK - qui couvrait le procédé CO2/ silicate bien oonnu des fondeurs - proposait de fabriquer le moule ou le noyau au moyen de sable ou de matière similaire mélangé à un liant tel qu'une solution de silicate de sodium puis de durcir le moulage par action d'un durcisseur A l'état de gaz, de vapeur, de liquide ou de solide, par exemple l'anhydride carbonique, l'ammoniac, l'acide chlorhydrique, etc, une variante consistant â mélanger au sable et au silicate une substance solide capable d'engendrer le durcisseur, â mettre en forme puis à provoquer le durcissement par la chaleur par exemple. Le durcissement du sable constitutif du moule ou du noyau suivant ces procédés a été expliqué par la précipitation in situ d'un gel de silice qui assure la cohésion des grains (cf. l'article de W.SCHUMACHER dans la revue Giesserei, 1953, 24 décembre, p.678l et l'article de M.DBCROP et M.GOGUILLON dans la revue Fonderie, 1957, novembre, p.499-515, par exemple). Bien que ces procédés soient basés sur le même principe, leur application conduit A des résultats variés aussi bien quant au mode d'utilisation qu'en ce qui concerne les résultats obtenus. Ainsi l'emploi d'un durcisseur liquide ou pulvérulent au lieu d'un réac- tir gazeux tel que l'anhydride carbonique permet une @eilleure précision du dosage, s'avère plus économique et rend inutile l'installation d'un appareillage d'insufflation de gaz dans le moulage. On sait que si l'on utilise l'anhydride carbonique gazeux comme durcisseur du liant à base de silicate, on obtient un durcissement immédiat du moulage lors de l'injection du gaz. La demanderesse a constaté que l'emploi d'un liant à base d'une solution de silicate de sodium et d'un durcisseur solide choisi dans la famille des carbonates de sodium conduit à des résultats différents suivant le durcisseur utilisé. Ainsi, le bicarbonate de sodium exerce, lui aussi, un effet durcisseur quasi immédiat ce qui laisse peu de temps au fondeur pour travailler le sable et le conserver avant sa mise en place dans les châssis ou les bottes à noyaux. Le carbonate de sodium a également une action très rapide en raison sans doute de son effet déshydratant. Par contre le sesquicarbonate de sodium, qui constitue la forme la plus stable de la famille des carbonates de sodium, exerce un effet différé qui allonge le temps de persistance de la plasticité du moulage (bench life). La demanderesse a constaté, en outre, que l'effet dans le cas du carbonate de sodium est sensiblement influencé par la température et l'humidité de l'air ambiant et ne s exerce pas complètement à coeur du moulage i par contre, il s'est avéré que le sesquicarbonate de sodium exerce un effet différé quasiment indépendant de la température et que cet effet se produit également à coeur du moulage, ce qui assure évidemment une meilleure résistance mécanique. I1 y a dès lors intéreXt évident à utiliser le sesquicarbonate de sodium comme durcisseur plutôt que le bicarbonate de sodium ou le carbonate de sodium. La demanderesse a constaté que la résistance mécanique du moulage est influencée par trois paramètres qui peuvent s'exprimer par des rapports pond6- raux, à savoir eau totale $ silicate de sodium sec et sesquicarbonate des silicate de sodium sec ' sesquicarbonate de sodium sable tel quel les valeurs choisies pour ces rapports pouvant eAtre d'ailleurs influencées par la granulométrie du sable ou de la matière analogue constitutive du moulage et par le module du silicate de sodium (rapport pondéral SiO2 J a20). Pour l'évaluation de l'eau totale, il y a lieu bien entendu de tenir compte de celle se trouvant dans le sesquicarbonate (NaHCO3.Na2CO3.2H2O) et de l'eau contenue dans la lessive de silicate de sodium. L'objet de la présente invention réside en un procédé de fabrication de moules ou de noyaux en sable ou matériau analogue durci, ou le moulage des métaux, la cohésion des grains de ce matériau étant assurée par une solution de silicate de sodium et un carbonate de sodium pulvérulent ajoutés ainsi que de l'eau avant la mise en forme, caractérisé en ce que le carbonate de sodium utilisé est le sesquicarbonate et en ce qu'on respecte les rapports pondéraux eau totale/silicate de sodium sec compris entre 1,4 et 3,5, silicate de sodium sec/sesquicarbonate de sodium compris entre 0,3 et 3, et sesquicar- bonate do sodium/sable compris entre 0,005 et 0,05. Les limites de ces rapports assurent des résistances admissibles quel que soit le degré d'buiidité de l'air. I1 va de soi que si un utilisateur peut se contenter d'une résistance mécanique inférieure à celle comuunément estimée nécessaire, les limites ci-dessus pourront être dûment modifiées. Dans la pratique industrielle courante, les rapports pondéraux susmentionnés seront cependant avantageusement choisis dans les limites ci-après eau totale/silicate de sodium sec s 1,8 à 3,3 silicate de sodium sec/sesquicarbonate s 0,5 à 1,5 sesquicarbonate/sable : 0,01 à 0,03 Les module du silicate de sodium (rapport pondéral SiO2/Na2O) peut être compris entre 1,6 et 3,2, Mis il est préférable de le choisir aux environs de 2. La précision des rapports à adopter, dans les limites prémentionnées, peut se déterminer aisément par expérience dans chaque cas en tenant compte des conditions d'utilisation, de la granulométrie du sable ou matériau analogue et du module du silicate employé. Pour augmenter la durée du bench life, c'est-à-dire du temps pendant lequel le sable peut être travaillé et conservé avant serrage, il peut s'avé- rer utile d'ajouter au mélange une petite quantité de dextrose ou d'un autre hydrate de carbone à propriétés similaires, à raison par exemple de 0,25 à 1 f en poids, par rapport au sable. On a constaté que lors de l'application du procédé suivant l'invention de nombreuses peintOses de. modèles en bois utilisées couramment en fonderie ne résistent pas à l'action du mélange sable-silicate de sodium-sesquicarbo- nate de sodium, ce gui a pour effet de provoquer l'adhérence du sable aux modèles. Cet inconvénient ut oependant pallié ai l'on utilise une peinture adéquatement choisie; ainsi, par exemple, lu vernis de polyuréthane du type vendu sous la marque "RK 813 IMRON TEXTILE FLOOR FINISH" par E.I. du Pont de Nemours and CO, donnent de très bons résultats. Les essais relatés au tableau ci-après illustrent le procédé suivant l'invention, sans cependant en limiter la portée. Pour ces essais, on s'est conformé aux indications reprises à la norme américaine AFA telle qu'elle est décrite dans le recueil "Foundry Sand Handbook", 7e édition, 1963, de l'AMERICAN FOUNDRYMEN'S SOC, aux sections 4 et 8. On a mélangé 100 parties en poids de sable avec 3 kg d'une lessive de silicate de module et de teneur en eau indiqués et avec 1, 2 eu 3 parties de sesquicarbonate de sodium, ainsi qu'éventuellement les quantités d'eau men tionnées, de nanière à obtenir divers rapports caractéristiques suivant 1' in- vention. Le mélange peut s1 effectuer dans un mélangeur classique de fonderie les durées du mélange ne diffèrent pas de celles généralement admises pour le procédé C02/silicate. Immédiatement après le mélange, on a comprimé des échantillons d'environ 155 g de ce sable pour former des éprouvettes colin driques d'environ 5 cm de diamètre et 5 cm de hauteur conformément à la norme AFA.Ensuite, après 2, 6 ou 24 heures de conservation, on a déterminé la résistance des éprouvettes àla compression en appliquant un taux de mise en charge de 140 + 20 psi/min soit environ 10 kg/cm2.min (voir norme AFA 8-5). Pour une série d'essais en laboratoire (voir essais avec silicate de module Rp = 2,1) on s'est placé volontairement dans des conditions très défavorables du fait que le séchage avant test a été réalisé en moule fermé, c'est à-dire à un degré élevé d'humidité relative i la résistance mécanique des éprouvettes s'en trouve amoindrie.Pour l'autre série d'essais (silicate de module Rp 3 2,02), les résultats sont plus proches de ce qu'on peut attendre dans les conditions industrielles, car le séchage a été réalisé à l'air libre (23 C, HR = 45 %) i cela se traduit par une résistance à la compression plus élevée. Les deux séries d'essais permettent en tout cas d'évaluer l'incidence des divers paramètres sur la résistance à la compression des éprouvettes examinées. Les résultats sont rapportés à des échantillons contenant 1 kg de sable. SABLE MOL AFA 60.65 - SECHAGE EN MOULE FERME SABLE MOL F.50-SECHAGE A L'AI@ SILICATE DE SODIUM (Rp = 2,1) - 55 % H2O SIL.DE SODIUM (Rp=2,02) 49,6 % d'eau 30 g/kg sable 40 g/kg sable 30 g/kg sable 50 g/kg sable 30 g/kg sable DURCISSEUR @ SESQUICARBONATE DE SODIUM, g/kg sable 10 g/kg 20 g/kg 27 g/kg 30 g/kg 50 g/kg 20 g/kg sesqui/sable 0,01 0,02 0,027 0,03 0,033 0,02 sil.sec/duro. 1,35 0,675 0,66 0,45 0,678 0,756 H2O ajoutée H2O tot. kg/cm2 H2Otot. kg/cm2 H2Otot. kg/cm2 H2O tot. kg/cm2 H2O tot. kg/cm2 H2O tot. kg/cm2 g sil,sec 2h 6h 24h sil.sec 2h 6h 24h sil.sec 2h 6h 24h sil.sec 2h 6h 24h sil.sec 2h 6h 24h sil.sec 2h 6h 24h 0 1,46 3,6 4,0 5,0 1,20 2,8 3,9 7,0 1 1,42 1,9 2,5 4,5 1,65 3,1 3,7 4,4 5 1,71 1,4 3,0 6,2 1,83 4,8 4,7 7,0 1,96 4,5 4,6 6,5 1,53 3,5 5,3 7,4 7,5 1,90 1,0 1,3 5,9 1,69 5,6 8,4 9,0 10 2,08 0,8 1,2 3,9 2,20 3,4 5,6 10,0 2,32 3,9 4,0 5,7 1,86 8,4 16,2 19,7 12,5 2,02 10,5 19,3 23,2 14 2,38 0,5 0,8 2,0 15 2,57 3,8 7,2 14,6 2,19 9,1 20,7 28,8 17,5 2,35 7,0 21,8 32,3 20 2,82 0,3 0,5 0,5 2,94 3,9 8,0 16,4 2,19 4,6 9,4 24,5 3,01 4,9 5,3 8,7 1,99 5,3 10,8 30,0 2,52 7,7 22,5 33,4 25 3,19 0,2 0,3 0,4 3,31 4,2 8,0 10,0 3,43 2,4 4,9 5,6 27 3,45 3,5 5,4 6,9 30 3,80 1,2 2,0 3,2 35 4,00 0,8 1,6 2,0 De ces résultats on peut tirer la conclusion que les rapports sesqui/ sable = 0,02 et silicate sec/durcisseur = 0,675-0,756 sont avantageux. On voit également que la courbe représentative de la résistance à la compression en fonction du rapport eau totale/silicate sec passe par un maximum et que les rapports intéressants se situent antre las et 3,3. Pour les compositions mentionnées à la deuxième partie du tableau (silicate de Rp-2,02), additionnées d'eau pour amener le rapport eau totale/ silicate sec entre 2,4 et 2,5, le bench life est de 20-25 minutes ; par addition de 1 % de dextrose, on a pu porter ce bench life à 60 min sans nuire de manière prohibitive â la résistance à la compression. Le procédé suivant l'invention est particulièrement intéressant dans les cas où l'on veut associer une bonne résistance mécanique des moulages â une durée assez longue de l'ouvrabilité des mélanges. Une application spéciale, à laquelle le brevet n'est bien entendu pas limité, réside dans le moulage de grosses pièces pour lesquelles les moules et les noyaux, qui sont de grandes dimensions,doivent autre durcis à coeur. Des modffications peuvent eAtre apportées au procédé décrit sans se départir de 11 esprit du brevet, pour autant quelles restent dans le cadre tracé par les revendications. R E V E N D I C A TI O N S 1 - Procédé de fabrication de moules ou de noyaux en sable ou matériau analogue durci, pour le soulage des métaux, la cohésion des grains de ce maté- risu étant assurée par une solution de silicate de sodium et un carbonate de sodium pulvérulent ajoutés ainsi que de l'eau avant la mise en forme, caractérisé en ce que le carbonate de sodium utilisé est du sesquicarbonate et en ce qu'on respecte les rapports pondéraux eau totale/silicate de sodium sec compris entre 1,4 et 3,5, silicate de sodium sec/sesquicarbonate de sodium compris entre 0,3 et 3, et sesquicarbonate de sodium/sable compris entre 0,005 et 0,05. 2 - Procédé suivant la revendication 1 caractérisé en ce que les rapports pondéraux â respecter sont de préférence de 1,8 â 3,3 pour le rapport eau totale/silicate do sodium sec, de 0,5 â 1,5 pour le rapport silicate de sodium sec/sesquicarbonate de sodium et de 0,01 à 0,03 pour le rapport sesquicarbonate de sodium/sable. 3 - Procédé suivant les revendications 1 et 2 caractérisé en ce qu'an ut@ise un silicate de sodium de module pondéral SiO2/Na2O compris entre 1,6 et 3,2, de préférence voisin de 2. 4 - Procédé suivant les revendications 1, 2 et 3 caractérisé en ce qu'on ajoute de 0,25 A 1 % en poids de dextrose au mélange pour allonger la durée de l'ouvrabilité, le pourcentage étant calculé par rapport au sable. 5 - A titre de produits industriels nouveaux, les moules et noyaux pour le moulage de métaux préparés selon le procédé faisant l'objet de l'une quelconque des revendications 1 à 4.