Brevet FR2160791A1 — publié le 19730706

L'invention concerne un procédé de fabrication de noyaux de fonderie de grande surface et de forme compliquée, en particulier de noyaux pour éléments en fonte de chaudière de chauffage, ces noyaux étant fabriqués selon le procédé "Hot Box", sous forme de noyaux pleins dépourvus de canaux d'aération ou n'en comportant qu'un petit nombre. Comme on le sait, on fabrique jusqu'à présent les noyaux de ce genre manuellement, selon des procédés classiques, principalement avec des liants huileux séchant au four ou des liants de résine synthétique, par le procédé à choc thermique. Dans chaque cas, on fabrique des demi-noyaux que l'on colle après coup ou pendant un processus de durcissement en deux étapes. Il est nécessaire de fabriquer deux demi-noyaux destinés à être assemblés afin de pouvoir disposer dans le noyau des canaux communiquant entre eux et qui servent à l'évacuation des gaz lors du processus de coulée. Jusqu'à présent, on ntest pas arrivé à fabriquer par le procédé "Rot Box" des noyaux de grande surface et de forme compliquée qui puissent être coulés, en particulier des noyaux pour éléments de chaudière de chauffage, destinés à une fonte grise à paroi mince et dépourvus de canaux d'évacuation de gaz, ou des noyaux pleins comportant un petit nombre de canaux, bien que des essais de ce genre aient déjà été entrepris souvent. Les procédés usuels antérieurement dans la technique de fonderie présentent différents inconvénients. Dans l'ancien procédé à huile et à sable, doit entre signalé le grand effort physique imposé aux confectionneurs de noyaux, étant donné la dimension de ces noyaux. En outre, les noyaux nécessitent à deux reprise un temps de séchage de plusieurs heures. Ainsi, le procédé réclame beaucoup de temps, de transport et de main d'oeuvre ainsi que des chambres de séchage de grand volume. Il est vrai que le procédé à choc thermique offre la possibilité de fabriquer les noyaux à la machine, mais il nécessite un four à passage de grande longueur dans lequel steffectue le durcissement rapide (par choc thermique) des noyaux. Si lwas- semblage des moitiés de noyau doit s'effectuer pendant le processus de durcissement, il faut deux passages à travers le four ou dans le cas contraire, une opération supplémentaire qui consiste à coller les moitiés de noyau après le durcissement. On risque toujours que le joint collé ne soit pas étanche et que de la fon tejne%%4ndtre dans les canaux d'évacuation de gaz. Dans les deux procédés, il faut de lourds plateaux de séchage sur lesquels les noyaux reposent pendant le processus de durcissement. Ceux-ci aussi doivent être transportés et chauffés. De même, dans les deux procédés, il est usuel ou nécessaire d'insérer des fils métalliques d'armature à ltintérieur du noyau. On a déjà tenté aussi de constituer les canaux d'évacuation de gaz dans le noyau en insérant de la matière en moussue. Outre le fait qu'il faut également faire gonfler ou mousser les moitiés de noyau par un procédé en deux temps, ce mode de travail n'a pas pu s'implanter dans la technique. Pour rendre plus économique la fabrication des noyaux on a tenté aussi de fabriquer les moitiés de noyau par le procédé "Hot Box" et de les coller à chaud aussittt retirés de la boite, à noyaux grâce à la chaleur qu'ils contiennent, ou bien de les coller après refroidissement. Toutefois, il fallait tenir compte du fait qu'il n'était pas possible d'obtenir une fermeture absolument stre des Joints collés très longs, parce que les noyaux se déformaient de façon irrégulière lors du processus de refroidissement. Avec ces noyaux, on ne peut pas obtenir de moulages satisfaisants car même par suite de légers défauts d'étanchéité dans le joint collé, de la fonte coule dans les canaux d'évacuation de gaz.Mais on obtient un déchet beaucoup plus grand dans l'utilisation de noyaux de ce genre, du fait que la pression appliquée lors du collage crée dans le noyau des tensions qui causent une dilatation non uniforme du noyau lors du processus de coulée. Par suite, il apparaît dans la pièce de fonderie des épaisseurs de paroi non uniformes, ou même des ruptures de noyau. L'invention a pour but d'éliminer les inconvénients cités et grtce à cela, de permettre une fabrication plus rationnelle des noyaux y compris dans les assortiments de noyaux comme ceux de grande surface et de forme compliquée qui se présentent par exemple dans le cas des noyaux pour éléments de chaudière de chauffage. L'invention a pour but de mettre au point un procédé qui permette de fabriquer sur des machines "Hot Box" des noyaux de fonderie de grande surface et de forme compliquée, en particulier des noyaux pour éléments de chaudière de chauffage sous forme de noyaux pleins dépourvus de canaux d'évacuation de gaz ou n'en comportant qu'un petit nombre et sans armature, et de faire en sorte que la dilatation des noyaux lors de la coulée soit constante et puisse entre déterminée. On a trouvé que l'on arrive à fabriquer des noyaux compliqués de grande surface, en particulier des noyaux pour éléments de chaudière de chauffage sous la forme de noyaux pleins dépourvus de canaux d'évacuation de gaz ou n'en comportant qu'un petit nombre, et donc à couler des pièces de fonderie satisfaisantes, si l'on utilise un mélange de liants en résines synthétiques pour noyaux, par exemple des résines phénol/formaldéhyde, des acides toluènesulfoniques, comme accélérateurs de durcissement, et du sable quartzeux très perméable aux gaz que l'on injecte dans des boites à noyaux chauffées, à une température de 240 à 30000. Comme liants en résines synthétiques, on utilise de préférence des résines phénol/formaldéhyde que l'on obtient en condensant avec précaution en milieu alcalin le phénol et le formaldéhyde, principalement dans un intervalle de température de 40 à 700C, puis en distillant jusqutà une teneur en solides qui est habituellement de 70 à 75 %. Comme agents de condensation, on utilise de préférence les hydroxydes des métaux alcalins et alcalino-terreux. Pour communiquer au mélange de condensation une fluidité suffisante, on règle le liant à une viscosité (à 25C) de 400 + 100 cPo. Le pH ne doit pas dépasser 7,0 à 8,5 et de préférence 7,5. Il est important pour le succès de choisir un accélérateur de durcissement approprié. On a trouvé que parmi les accélérateurs connus, les acides toluènesulfoniques sont les plus appropriés. Mais contrairement au procédé généralement usuel qui consiste à employer des acides dilués, on a trouvé qutil faut choisir une concentration d'acide assez élevée pour qu'avec de petites quantités de durcisseur, on puisse régler exactement un pR de 3 à 3,5. De cette manière, le mélange de sable acquiert une fluidité particulièrement bonne, ce qui a une importance décisive pour l'injection de noyaux compliqués à grande surface.En outre, le mélange conserve cette fluidité plusieurs heures Si le pH du mélange de sable ne devient pas inférieur à 3, D'autre part, en respectant un pR de 3 à 3,5, on assure un durcissement complet, rapide et uniforme des noyaux jusqu'à l'intérieur de sections variables. Or cela est une condition importante pour que des noyaux de grande surface présentent lors du processus de coulée une dilatation définie, faible et dont on puisse tenir compte pour les dimensions à donner à la boite à noyaux. On utilise les acides toluènesulfoniques à une concentration de 55 à 65 %, de préférence de 60 %. Il est avantageux d'ajouter au durcisseur 10 à 20 % et de préférence 15 % dtéthylène-glycol, de glycérol ou de diols ou triols similaires. Outre le choix d'un système approprié de liant et de durcisseur, il est nécessaire au succès d'utiliser un sable quartzeux très perméable aux gaz. Celui-ci doit présenter en mélange avec le système liant une perméabilité minimale aux gaz de 250. loutefois, la granulométrie ne doit pas Entre tellement grossière que l'on obtienne une pièce de fonderie dont la surface manque de netteté. Selon la qualité du sable, on utilise pour la fabrication des noyaux un mélange comprenant 97 à 98 % de sable quartzeux de 2 à 3 % de liant en résine synthétique pour noyaux. Avant d'ajouter le liant, on mélange préalablement, par kilogramme de sable quartzeux, 1 à 2 ml d'un durcisseur formé d'acide toluènesulfonique aqueux alcoolique (55 à 65 , de préférence 60 %). Le mélange de sable à noyaux a un pR de 3 à 3,5 et une perméabilité aux gaz d'au moins 250. On injecte ce mélange de sable à noyaux dans des bot- tes à noyaux chauffées, à une température de 240 à 3000C. Les boites à noyaux sont disposées horizontalement et l'on'introduit le mélange de sable à travers le haut de la boite. Pour les noyaux pour éléments de chaudière de chauffage dtun ordre de grandeur de 700 x 1600 mm et ayant une Fasse de 66 kg, il faut un temps maximal de séjour de 3 mn des noyaux dans la boite à noyaux chauffée. Au bout de ce temps, on peut retirer sans déformation les noyaux du bas de la bote au moyen d'éjecteurs et les transporter. Au moyen d'un appareil d'essais de dureté, on peut constater après le refroidissement que la dureté des noyaux est à peu près égale dans toutes les sections. Si l'on mélange du liant en résine phénol/formaldéhyde à de petites quantités de durcisseurs concentrés et à du sable quartzeux, on obtient après le durcissement des noyaux qui dégagent peu de gaz lors de la décomposition thermique pehdant le processus de coulée. Contrairement aux expériences antérieures, on a constaté de façon surprenante qutun sable quartzeux très perméable aux gaz, convenablement sélectionné, présente une porosité suffisante pour évacuer à travers les marques des noyaux les gaz qui se forment lorsqu'on effectue la coulée avec des noyaux compliqués de grande surface, notamment des noyaux pour éléments de chaudière de chauffage, fabriqués avec de tels systèmes de liant. Ainsi, dans beaucoup de noyaux, on peut renoncer complètement à la disposition de canaux d'évacuation de gaz.Dans quelques assortiments compliqués, on peut aussi faciliter l'évacuation des gaz en insérant, avant de remplir la boite à noyaux, des dégorgeoirs d'environ 8 mm de diamètre que l'on retire immédiatement après le remplissage. On peut boucher par de petits bouchons les trous qui restent dans le noyau en plus de leurs marques. On a constaté en outre que de façon surprenante, le système de liant et de durcisseur décrit provoque lors du proces- sus de coulée une dilatation faible, uniforme et déterminable des noyaux, qui dépend simplement de la grandeur et de la forme de section dans les trois directions coordonnées Par suite, on peut déterminer les sous-cotes, rayons de courbure et écarts de position nécessaires dans le modèle relativement à la cavité que lton désire obtenir dans la pièce de fonderie, et en tenir compte dans la forme donnée à la bote à noyaux. Par l'application du procédé décrit, on réalise pour la première fois en une seule opération des noyaux compliqués de grande surface, notamment des noyaux pour éléments de chaudière de chauffage, sous forme de noyaux pleins, de sorte que relativement aux modes de fabrication usuels antérieurement, les efforts physiques sont diminués et que par suppression de l'armature du noyau et raccourcissement du processus de séchage, l'économie de la fabrication des noyaux est notablement accrue. En outre* ce procédé garantit des noyaux de dimensions parfaitement exactes, de sorte que la qualité des pièces de fonderie s'en trouve amd- livrée. On expliquera plus précisément l'invention ci-après à propos de quelques exemples. Exemple 1 On mélange 100 kg de sable quartzeux séché (grosseur moyenne de grains 0,35 mm, taux d'uniformité 72 %, 0,2 % de matières en suspension), 100 ml de durcisseur (acide toluènesulfonique à 60 % contenant 15 % d'éthylèneglycol) et 2500 g de résine phénol/formaldéhyde condensée en milieu alcalin et durcissable par les acides (pH 7,5, viscosité à 25 C 400 cPo). Au durcissement à 3000C dans des boites à noyaux chauffées, ce mélange donne les résistances à la flexion suivantes :: Temps de dur- à chaud à froid cissement (s) (kg/cm2) (kg/cm2) 7,5 6 23 15 Il 37 30 21 50 60 33 60 120 33 80 La perméabilité aux gaz d'une éprouvette normalisée non durcie de 50 mm de diamètre, avec 9 coups de pilon, est de 270, avec 6 et 4 coups de pilon elle est respectivement de 290 et de 300. Le taux de dégagement de gaz (perte de poids à la cokéfaction dans un creuset de quartz couvert en l'espace de 6 minutes à 100000 (rapportée à la quantité de liant du noyau) est de 45 ss pour des noyaux ayant un temps de durcissement de 60 secondes. Exemple 2 On coule de la fonte à 13500C, sur une longueur de coulée de 350 mm et une épaisseur de paroi de 8 mm, autour d'une colonne de noyau de 60 mm de diamètre. On mesure la dilatation du noyau en longueur pendant le processus de coulée et par la suite jusqu'à la solidification dans le moule, au moyen dtun capteur de course à induction. Si pour la fabrication du noyau on a utilisé la recette de l'exemple 1, on obtient, avec un temps de durcissement de 3 minutes, une dilatation du noyau en longueur de 0,3 mm avant la solidification de la fonte, avec un temps de durcissement de 5 minutes, cette dilatation est de 0,6 mm. Pour une longueur usuelle de noyau de 1600 mm, cela correspond respectivement à 1,6 et 3,2 mm. Ces rapports apparaissent constants et on peut en tenir compte dans les dimensions de la bote à noyaux. Dans la pratique, on a pu obtenir des pièces de fonderie présentant des tolérances étroites d'épaisseur de paroi. Si pour la fabrication du noyau on a utilisé d'autres systèmes de résine synthétique et de durcisseur avec lesquels l'intérieur du noyau n'est pas durci à coeurjjusqutà une résine tance optimale ou qui ont dans l'ensemble une résistance insuffisante, on obtient en convertissant pour la longueur totale de 1600 mm, du noyau, une dilatation en longueur de 10 à 15 mm et davantage, ces valeurs variant fortement sur plusieurs expériences. Avec des noyaux de ce genre, on ne peut pas obtenir en pratique des épaisseurs de paroi uniformes des pièces de fonderie. De même, on ne peut plus compenser une telle dilatation en longueur lors du dimensionnement de la boite à noyaux. ExemPle 3 Au moyen d'une machine automatique à souffler les noyaux, à partir d'un mélange de sable selon l'exemple 1, on fabrique des noyaux à grande surface ayant une longueur maximale de 1500 mm et un poids de 55 kg et destinés au moulage d'éléments de chaudière de chauffage. La pression de soufflage est de 0,5 kg/cm2, le temps de soufflage de 12 s, la température de durcissement dans le bas et le haut de la botte chauffée au gaz est de 270 C en moyenne. Au bout de 2,5 mn après la fin du temps de soufflage, on retire de la boite à noyaux au moyen d'éjecteurs le noyau plein sans canaux d'aération et on le stocke pour le refroidissement. Après nettoyage, on l'insère sans autre traitement dans un moule de sable vert et on effectue la coulée. Le processus de coulée se déroule régulièrement.La pièce de fonderie obtenue est exempte de bulles de gaz et autres défauts et l'épais- seur de paroi exigée de 8 mm est réalisée avec de faibles tolérances dans toutes les sections. Exemple 4 On fabrique, de la même façon que dans l'exemple 3, des noyaux à grande surface destinés au moulage d'éléments de chaudière de chauffage et ayant une longueur maximale de 1600 mm et un poids de 66 kg et qui sont de forme plus compliquée que les noyaux de l'exemple 3. Mais avant d'injecter le mélange de sable dans la botte à noyaux, on insère un dégorgeoir longitudinalement et deux transversalement. Ceux-ci se croisent dans les deux marques du noyau. Immédiatement après avoir rempli la boite à noyaux, on retire les dégorgeoirs. Au bout de 3 mn de durcissement, on retire les noyaux du bas de la bâite au moyen d'éjecteurs et on les stocke pour le refroidissement. Pendant que l'on injecte et que l'on durcit le noyau suivant, on a le temps de nettoyer le noyau obtenu et de boucher par de petits bouchons les trous menant à l'extérieur. Le processus de coulée se déroule comme dans l'exemple 3, la pièce est de dimensions aussi exactes et ne présente pas de bulles de gaz. REVENDICAUIONS 1 - Procédé de fabrication de noyaux de fonderie de grande surface et de forme compliquée, en particulier de noyaux pour éléments en fonte de chaudière de chauffage, caractérisé par le fait que l'on injecte à une température de 240 à 3000C dans des boites à noyaux chauffées un mélange comprenant d'une part des liants en résines synthétiques pour noyaux telles que des résines phénol/formaldéhyde et un accélérateur de durcissement tel qu'un acide toluènesulfonique auxquels on ajoute de l'éthylène- glycol, du glycérol ou des diols ou triols similaires, et d'autre part du sable quartzeux très perméable aux gaz, le mélange présentant, gracie à l'addition de petites quantités d'accélérateur de durcissement, un pH de 3 à 3,5 et une perméabilité aux gaz d'au moins 250. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que pour fabriquer le mélange de sable à noyaux, on utilise un liant en résine synthétique qui, au moyen d'un accélérateur de durcissement, est capable de durcir rapidement et uniformément à des températures de 250 à 30000 et qui, lors de la coulée de métal liquide, ne dépasse pas un taux de dégagement de gaz de 45 % (indice de cokéfaction), le liant étant de préférence formé d'une résine phénol/formaldéhyde condensée en milieu alcalin que Iton fabrique principalement dans un intervalle de température de 40 à 700C avec ensuite une distillation jusqu'à une teneur en solides de 70 à 75 %, en utilisant comme agents de condensation des substances alcalines ou alcalino-terreuses, et qui présente un pH de 7 à 8,5 de préférence de 7,5. 3 - Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que l'accélérateur de durcissement constitue une solution aqueuse-alcoolique à haute teneur contenant 55 à 65 % d'acides toluènesulfoniques et pouvant contenir en outre 10 à 20 ffi de diols ou de triols. 4 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que pour la fabrication des noyaux, on utilise un mélange comprenant 97 à 98 % de sable quartzeux et 2 à 3 % de liant en résine synthétique et qu'avant d'ajouter le liant, on ajoute 1 à 2 Fl d'accélérateur de durcissement par kg de sable quartzeux.