Brevet FR2377244A1 — publié le 19780811

La présente invention concerne un procédé de fabrication de moules ou de noyaux de moulage à partir dtun mélange aqueux de sable de moulage, d'agent de liaison et de matière carbonee formant du carbone brillant lorsque le moule ou le noyau de moulage est chauffé par contact avec du metal fondu, sans avoir été préalablement durci ou séché, la matière du moule ou du noyau de moulage étant, après une opération de moulage, réutilisée pour fabriquer un nouveau moule ou un nouveau noyau de moulage, tout en ajoutant des quantités supplémentaires d'agent de liaison et de matière carbonée pour remplacer l'agent de liaison et la matière carbonée perdus au cours de l'opération de moulage précédente.Plus particulièrement, le procédé concerne la fabrication de moules ou de noyaux en sable à vert, lesquels peuvent être utilisés immédiatement après avoir été formés sans qu'il y ait lieu d'effectuer un séchage ou un durcissement préalables, et le sable de tels moules ou noyaux peut être reutilisé après que la pièce moulée se soit solidifiée. Le terme "métal" utilisé dans la présente invention concerne principalement le fer, le cuivre, ainsi que les alliages d'aluminium ou les autres métaux dont les propriétés importantes ne sont pas affectées par contact de ces métaux avec du carbone. Par "sable de moulage", on entena principalement dans la présente invention du "sable de quartz", bien que le terme sable de moulage puisse également comprendre les sables à chromite, à olivine et à zircon.Le procédé de fabrication de moules ou de noyaux de moulage,tel qu'il a été décrit précédemment, est connu dans la technique. Dans ces procédés connus on sait, pour le moulage du fer et d'autres métaux, mélanger le sable de moulage avec un produit tel que le charbon de houille ou le noir de carbone sous forme pulvérisée, produit appelé ci-après oudre de charbon et qui est une matière susceptible de former du carbone brillant lorsque le moule ou le noyau de moulage est chauffé par contact avec un métal fondu. Entre autre chose, la poudre de charbon empêche que le sable adhère au produit moulé, ce qui fait que la pièce moulée présente des surfaces lisses. La poudre de charbon aide également à réduire, d'une manière efficace, l'apparition de défauts de moulage, notamment des défauts connus dans la technique sous le nom de dartre ou de gale. Plusieurs théories ont été mises en avant pour expliquer l'effet de la poudre de charbon dans un moule en sable à vert. A ce sujet, on a admis les faits suivants dont chacun correspond à l'effet favorable de la poudre de charbon sur les propriétés du sable de moulage 10 une couche gazeuse est formée entre la paroi du moule et le métal fondu, et cette couche empêche que le métal ne mouille les parois du moule et réagisse avec le quartz et les silicates du sable de moulage 20 le gaz produit par la poudre de charbon est un gaz réducteur qui s'incorpore à l'air chaud du moule pour empêcher oxydation du métal se trouvant à l'intérieur du moule ;; 30 la poudre de charbon facilite la dilatation du quartz 40 dans une gamme de températures de 650 à 12000C, le charbon est précipité sur les particules de quartz présentes dans le sable en formant une peau par désintégration thermique des matières hydrocarbonées ; cette peau de charbon isoleles particules de sable du métal se trouvant dans le moule et empêche toute réaction entre les oxydes métalliques tels que le FeO et le quartz 50 à une température d'environ 1000 à 11000C la poudre de charbon est soumise à un processus de distillation à sec par lequel sont formées des particules de coke ; ces particules sont poreuses et adsorbent l'eau lors du mél-ange du sable pour obtenir la composition désirée du moule. Le processus décrit ci-dessus en 5 fait que l'eau des particules de coke, bentonite et matière fine soit chassée lorsque la température s'élève au cours d'une opération de moulage et que cette eau s'élève et traverse la paroi du moule en direction de la cavité de moulage. Ceci présente deux conséquences importantes a) l'agent de liaison présent dans la composition de moulage, normalement le mélange argile-bentonite minérale, est empêché de s'évaporer ou de sécher et de perdre ainsi certaines de ses propriétés adhésives b) lorsque la vapeur atteint la cavité du moule, les surfaces des particules de sable et de métal en fusion sont refroidies. Cette formation de vapeur est le premier processus se produisant lorsqu'on coule du métal dans un moule. Les réactions suivantes mentionnes précédemment concernant la poudre de charbon se produisent ensuite au fur et à mesure que s'elève la température des parois du moule. Tous ces éléments contribuent au moulage d'une pièce sans défauts. Un des inconvénients associés à l'utilisation de poudre de charbon en tant que matière carbonée pouvant former du carbone brillant réside dans le fait que cette poudre doit être seche lorsqu'elle est mélangée avec le sable et qu'elle doit présenter un degré de finesse élevé. Lorsque cette matière très fine est manipulée, une atmosphère extrêmement poussiéreuse se forme ce qui nuit considérablement à l'environnement de travail dans la fonderie. De plus, le charbon contient des hydrocarbures aromatiques polynucléaires cancérigènes tels que le benzo-a-pyrène, de sorte que ce produit ne doit pas venir en contact avec la peau ni être inhalé. Du fait de l'effet nuisible de la poudre de charbon sur l'environnement, on a tenté de trouver des matières de substitution pouvant la remplacer. Des exemples de telles matières de substitution comprennent le brai de pétrole, les produits chimiques riches en carbone, tels que le polystyrène, l'asphalte,la lignite et les huiles de carbone. Ces derniers comprennent souvent des mélanges de produits provenant des industries de traitement du pétrole, du charbon et du bois, et ils contiennent un pourcentage élevé d'hydrocarbures aromatiques, naphténiques et aliphatiques ainsi que des cendres, la teneur en cendre étant normalement inférieure à 4 % en poids et, en particulier, inférieure à environ 2 % en poids. Toutes les matières de substitution mentionnées ci-dessus sresentent des propriétés qui les rendent relativement impropres a ztre mélangées avec du sable de moulage pour produire de bonnes compositions de moulage. Du fait de leur haute teneur en gaz et en carbone brillant, ces matières sont mélangées avec le sable de moulage selon des quantités relativement faibles par rapport à celles utilisées en liaison avec la poudre de charbon. Supplementairement, lorsque ces matières sont dégazéifiées, elles forment des quantités relativement faibles de coke d'un type identique ou analogue à celui formé avec la poudre de charbon. Ainsi, lorsqu'on utilise une telle matière de substitution, le pourcentage de matière fine dans la matière du moule est très faible, ce qui constitue un inconvénient. Lorsque la poudre de charbon est remplacée par une matière de substitution, la matière de substitution et les quantités dans lesquelles elle est utilisée sont choisies de telle sorte que les propriétés de la matière du moule soient sensiblement les mêmes que celles d'une matiere semblable comprenant de la poudre de charbon. Cependant, lorsqu'on utilise de telles matières de substitution, la matière du moule s'épuise progressivement en particules de coke au cours d'un usage répété, des particules de coke étant perdues. De cette façon, la matière du moule ne comprend plus cette reserve d'eau et ce contenu en particules fines nécessaire à l'obtention d'un moulage satisfaisant. Ainsi, lorsqu'on utilise de telles matières de substitution, les propriétés de la composition du moule sont graduellement altérées avec une dégradation de la qualité des objets moules. Le pourcentage ae produits moulés que l'on doit rejeter augmente ainsi. De manière à surmonter cet inconvénient qui se rencontre lorsqu'on utilise lesdites matières de substitution, le sable de moulage a été mélangé avec des quantités supplémentaires de poudre de charbon de manière à former de nouvelles particules de coke susceptibles de maintenir l'eau absorbée. Un inconvénient important qui se rencontre néanmoins lorsqu'on utilise une matière de substitution est que celle-ci ne peut pas former une quantité suffisante de coke sous les conditions régnant au cours du moulage, bien que ce coke est nécessaire pour retenir l'eau adsorbée. La présente invention a pour objet d'éliminer les inconvénients rencontrés lorsque la poudre de charbon est utilisée en tant qu'additif au sable de moulage tout en maintenant les propriétés hydrophiles de la matière de moulage. Dans des recherches ayant conduit à la présente invention, on a systématiquement étudié les matières de substitution dont l'utilisation dans la présente invention élimine les inconvénients rencontrés lorsqu'on utilise des poudres de charbon. De telles matières de substitution présentent une teneur en carbone inférieure à celle des poudres de charbon connues. De plus, elles présentent une teneur relativement élevée en hydrogène et une teneur relativement faible en cendre.La présente invention est plus particulièrement basée sur l'utilisation de matières contenant des hydrocarbures et présentant les compositions suivantes Teneur en carbone 50-90 Teneur en hydrogène ) 6,8 % Teneur en cendre c 4,0 % Du fait de son contenu relativement élevé en hydrogène, les matières en question produisent, lorsqu'elles sont chauffées, une quantité relativement élevée d'éléments volatils, en général plus de 45 %. Le pourcentage d'éléments volatils produits par le charbon reste pratiquement toujours en dessous de cette valeur. De plus, le charbon contient de l'eau selon des proportions d'environ 2 à 15 %, ce qu'aucune des matières de substitution utilisable ne présente.. Des exemples de produits tombant dans la composition donnée précédemment comprennent les matières de substitution mentionnées plus haut.Un avantage important pré senté par certaines des matières mentionnées précédemment, en ce qui concerne le problème de l'environnement et de la protection, est que ces matières ne contiennent pas d'hydrocarbures polynucléaires aromatiques cancérigènes ou seulement de petites quantités de tels hydrocarbures. L'invention est caractérisée en ce que l'on utilise, en tant que matière carbonée formant du carbone brillant, lorsque le moule ou le noyau de moulage est chauffé par contact avec du métal fondu, une substance anhydre contenant un hydrocarbure et présentant une teneur en carbone de 50-95 %, une teneur en hydrogène supérieure à 6,8 % et une teneur en cendre inférieure à 4,0 %, cette substance lorsqu'elle est chauffée formant de petites quantités de coke mais pas d'hydrocarbures polynucléaires aromatiques cancérigènes, ou seulement de très petites quantités de tels hydrocarbures, par exemple du benzo-a-pyrène, et en ce que de manière à compenser la faible capacité de la matière de moulage à retenir l'eau, du fait de la faible quantité de coke formé ou de la faible capacité du coke formé à se lier avec l'eau, on mélange, à la matière de moulage, une quantité de matière minérale fine, poreuse, hydrophile, résistant à la chaleur et présentant des pores ouverts ainsi qu'un coefficient de surface spécifique d'au moins 100 m2/g. Lorsqu'on utilise une telle matière de substitution, on obtient les avantages suivants 10 la matière peut être utilisée sous la forme de pastilles ou de granules, de sorte qu'aucune poussière n'est for mée 20 lorsqu'on utilise de la poudre de charbon, la matière de moulage ne contient pas d'hydrocarbures aromatiques polynu cléaires cancérigènes, ou seulement de faibles quantites de tels hydrocarbures 30 la matière de moulage contient un pourcentage élevé de carbone brillant ; cette teneur est de cinq a six fois celle obtenue lors de l'utilisation de poudre de charbon 40 la matiere de moulage présente une teneur en gaz élevée, cette teneur en gaz pouvant être de 2,5 à 3 fois celle obtenue lors de l'utilisation de poudre de charbon 50 la matière de moulage présente une faible teneur en cendre 60 la matière peut être mélangée plus facilement avec le sable de moulage. Ainsi, dans la présente invention, à la place du coke adsorbant l'eau, et qui est formé par la poudre de charbon lors du chauffage au cours d'une opération de moulage, on utilise une matière minérale fine, poreuse, hydrophile, résistant à la chaleur et qui presente une granulométrie appropriée au sable de moulage utilisé pour l'obtention d'une matière de moulage présentant une granulométrie appropriée et une quantité appropriée de matière fine et de matière granulaire. Les propriétés d'adsorption de l'eau désiréepeuvent être obtenues avec une matière présentant un coefficient de surface spécifique d'au moins 100 m2/g. La valeur du coefficient de surface spécifique représente une mesure appropriée de la propriété d'adsorption de la matière. Le contenu en matière fine1 poreuse, hydrophile et résistant à la chaleur peut etre obtenu en ajoutant une matiere obtenue par expansion d'une matière minérale contenant de l'eau. On peut ainsi par exemple ajouter de la perlite expansée. La perlite expansée est une matière appropriée à l'objet de l'invention. Une matière brute à partir de laquelle on peut obtenir de la perlite expansée est constituée par une roche volcanique contenant environ 2 à 5 % d'eau et qui, d'un point de vue chimique, est constituée de silicate d'aluminium. Lorsque cette roche est chauffée à 12600C, le silicate d'aluminium libère son eau de cristallisation et se dilate d'une manière importante. La perlite expansée est poreuse et adsorbe plus que son poids de liquide. Cette matiere résiste à la chaleur jusqu'à une température d'environ 13000C, elle présente une densité faible et est tout à fait sure du point de vue de l'environnement. La silice présente est complètement liée sous forme de silicate. La perlite expansée présente la composition chimique suivante Si02 76-78 D A1203 11-13,5 % Fie 203 environ 0,7 % CaO 0,5-1,3 % MgO environ 0,5 % K20,Na20 7-10 % D'autres matières appropriées en tant qu'additifs pour la mise en oeuvre de la présente invention sont constituées par de la vermiculite expansée, des cendres, de la terre de diatomée calcinée ou de la pierre ?once. La bentonite est un agent de liaison convenant particulièrement bien au procedé conforme à la présente invention. L'invention concerne également une matière de moulage pouvant être utilisée dans le procédé conforme à l'invention. La matière de moulage comprend un mélange aqueux de sable de moulage, d'agent de liaison et de matière carbonée susceptible de former du carbone brillant lorsque le moule ou le noyau de moulage est chauffé par contact avec du métal fondu. Conformément à l'invention, la matière carbonée, formant du carbone brillant lorsque le moule ou le noyau de moulage est chauffé par contact avec du métal fondu, comprend une substance anhydre contenant des hydrocarbures et qui présente une teneur en carbone de 50-95 %, une teneur en hydrogène supérieure a 6,8 % et une teneur en cendre de moins de 4,0 %, cette substance lorsqu'elle est chauffée formant de faibles quantités de coke et pas d'hydrocarbures aromatiques polynucléaires cancéri gènes, tels que le benzo-a-pyrène, ou seulement de faibles quantités de tels hydrocarbures, et une matière minerale fine, poreuse, hydrophile, résistant à la chaleur et qui présente des pores ouverts et un coefficient de surface specifique d-au moins 100 m2/g de manière à compenser la faible capacité de la matière de moulage à retenir l'eau par suite de la faible quantité de coke formé ou de la faible capacité du coke formé à se lier avec l'eau. Les matières carbonées susceptibles de former du carbone brillant, en liaison avec ce qui précède, comprennent des produits résineux obtenus par polymérisation oxydante de distillat d'huile minérale et/ou d'extraits de solvants présentant une teneur en carbone aromatique correspondant à une constante de viscosité VGC d'au moins 0,85 et un poids moléculaire moyen compris entre environ 150 et 600, ce produit résineux présentant un point d'ébullition initial d'au moins 3000C sous 760 mm de mercure. La majorité des matières contenant des hydrocarbures et présentant une teneur en carbone de 50 à 95 %, ainsi qu'une teneur relativement élevée en hydrogène égale à au moins 6,8 %, présente normalement une teneur en cendre relativement faible et égale au plus à 2 %. Des matières présentant une telle faible teneur en cendre sont avantageuses en ce qui concerne la présente invention car elles ne modifient pas la distribution des particules du sable de fonderie de la meme façon que des matières présentant une teneur plus élevée en cendre, par exemple une teneur en cendre supérieure à 4 %.Ainsi, lorsqu'elles sont utilisées en liaison avec la présente invention, des matières présentant un pourcentage relativement élevé en cendrE ne nécessitent pas l'application de mesures excessivement compliquées pour maintenir correcte la distribution de granulométrie des particules de la matière formant le sable de fonderie. Des procédés de préparation des résines de pétrole mentionnées précédemment sont connus et sont plus particulièrement indiqués dans les demandes de brevets sudédois 74 06252-4 et 75 12352-1, les passages de ces demandes applicables à la présente invention étant considérés comme faisant partie de cette description. Des extraits appropriés pour des processus de polymérisation oxydante sont obtenus en utilisant le processus dit à double solvant, qui est un processus dans lequel on utilise des solvants mutuellement non miscibles tels que le crésol et le propane. Les extraits particulièrement préférés sont constitués par les extraits Edeleanu et les extraits de furfural de distillat de pétrole, c'est-à-dire les extraits obtenus en utilisant du dioxyde de soufre liquide en combinaison avec du benzène, ou des extraits obtenus avec du furfural. Ces extraits sont des matières à point d'ébullition élevé se présentant en général sous la forme de produits liquides ou de produits fortement visqueux. Des extraits présentant un point d'ébullition supérieur à 3000C sous 760 mm de mercure, et contenant plus de 30 % de carbone aromatique, sont les plus appropriés pour le processus d'oxydation. Selon une forme de réalisation très importante de la présente invention, on peut utiliser la résine de pétrole en question sous forme pulvérisée et de préférence sous forme refroidie par pulvérisation, ce qui permet de réduire considérablement la tendance de la résine à former de la poussière, la présence d'une telle poussière dans les fonderies étant hautement préjudiciable du point de vue sanitaire. Selon une autre forme de réalisation de l'invention, le produit résineux utilisé peut être un produit présentant un point d'ébullition initial élevé, c'est- -dire un point d'ébullition initial d'au moins 4000C. La présente invention concerne également une matière de moulage comprenant un mélange de sable de moulage, d'agent de liaison et d'une matière pouvant former du carbone brillant, cette dernière matière contenant la résine de pétrole dont il a été question précédemment. REVENDICATIONS 1 - Procédé de fabrication de moules ou de noyaux de moulage à partir d'un mélange aqueux de sable de moulage, d'agent de liaison et de matière carbonée formant du carbone brillant lorsque le moule ou le noyau de moulage est chauffé par contact avec du métal fondu, sans avoir été préalablement durci ou séché, la matière du moule ou du noyau de moulage étant réutilisée pour fabriquer de nouveaux moules ou de nouveaux noyaux de moulage tout en ajoutant des quantités supplémentaires d'agent de liaison et de matière carbonée pour remplacer l'agent de liaison et la matière carbonée perdue au cours de l'opération de moulage précédente, caractérisé en ce que la matière carbonée formant du carbone brillant lorsque le moule ou le noyau de moulage est chauffé par contact avec du métal fondu se présente sous la forme d'une substance anhydre contenant des hydrocarbures et présentant une teneur en carbone de 50-95 %, une teneur en hydrogène supérieure à 6,8 % et une teneur en cendre de moins de 4,0 %, cette substance lorsqu'elle est chauffée formant une faible quantité de coke et pas d'hydrocarbures aromatiques polynucléaires cancérigènes, tels que le benzo-a-pyrène, ou seulement de faibles quantités de tels hydrocarbures, et en ce que, de manière à compenser la faible capacité de la matière de moulage à retenir l'eau par suite de-la faible quantité de coke formé ou de la faible capacité du coke formé à se lier avec l'eau, on ajoute une quantité de matière minérale fine, poreuse, hydrophile résistant à la chaleur et qui présente des pores ouverts et un coefficient de surface spécifique d'au moins 100 m2/g. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la teneur en matière minérale fine, poreuse, hydrophile et résistant à la chaleur est obtenue en ajoutant une matière produite par une expansion d'une matière minerale contenant de l'eau. 3 - Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, carac térisé en ce que la teneur en matiere minérale fine, poreuse, hydrophile et résistant à la chaleur est obtenue en ajoutant de la perlite expansée. 4 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, carac térisé en ce que la teneur en matière minérale fine, poreuse, hydrophile et résistant à la chaleur est obtenue en ajoutant de la vermiculite expansée, des cendres ou de la terre de diatomée calcinée. 5 - Procédé selon l'une des revendications-l à 4, caractérisé en ce que la teneur en matière minérale fine, poreuse, hydrophile et résistant à la chaleur est obtenue en ajoutant de la pierre ponce. 6 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'agent de liaison est de la bentonite. 7 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le mélange de sable de moulage, d'agent de liaison et de matière carbonée comprend un mélange dans lequel la matière carbonée est un produit résineux obtenu par polymérisation oxydante, avec ou sans catalyseur, de distillat d'huile minérale et/ou d'extrait de solvant présentant une teneur en carbone aromatique correspondant à une constante de viscosité VGC d'au moins 0,85 et un poids moléculaire moyen compris entre environ 150 et 600, ce produit résineux présentant un point d'ébullition initial d'au moins 300qu sous 750 mm de mercure. 8 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, carac térisé en ce que le produit résineux est utilisé sous une forme pulvérisée et de préférence sous une forme refroidie par pulvérisation 9 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le produit résineux présente un point d'ébullition initial d'au moins 4000C sous 760 mm de mercure. 10 - Matière de moulage utilisée'pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce qu'elle est formée d'une composition comprenant un mélange aqueux de sable de moulage, d'agent de liaison et de matière carbonée formant du carbone brillant lorsque le moule ou le noyau de moulage est chauffé par contact avec du métal fondu, et en ce que ladite matière carbonée contient une substance anhydre renfermant un hydrocarbure et présentant une teneur en carbone de 50-95 %, une teneur en hydrogène supérieure à 6,8 % et une teneur en cendre inférieure à 4,0 %, cette substance, lorsqu'elle est chauffée, formant une petite quantité de coke mais pas d'hydrocarbures polynucléaires aromatiques cancérigènes tels que le benzo-a-pyrène, ou seulement de très petites quantités de tels hydrocarbures, et une matière minérale fine, poreuse, hydrophile résistant à la chaleur et qui présente des pores ouverts et un coefficient de surface spécifique d'au moins 100 m2/g de manière à compenser la faible capacité de la matière de moulage à retenir l'eau par suite de la faible quantité de coke formé ou de la faible capacité du coke formé à se lier avec l'eau. 11 - Matière de moulage selon la revendication 10, caractérisée en ce que la matière minérale fine, poreuse, hydrophile et résistant a la chaleur contient une matière obtenue par expansion d'une matière minérale contenant de l'eau. 12 - Matière de moulage selon l'une des revendications 10 et 11, caractérisée en ce que la matière minérale fine, poreuse, hydrophile et résistant à la chaleur contient de la perlite expansée. 13 - Matière de moulage selon l'une des revendications 10 à 12, caractérisée en ce que la matière minérale fine, poreuse, hydrophile et résistant à la chaleur contient de la vermiculite, des cendres ou de la terre de diatomée calcinée. 14 - Matière de moulage selon l'une des revendications 10 à 13, caractérisée en ce que la matière minérale fine, poreuse, hydrophile et résistant à la chaleur contient de la pierre ponce. 15 - Matière de moulage selon l'une des revendications 10 à 14, caractérisée en ce que l'agent de liaison contient de la bentonite. 16 - Matière de moulage selon l'une des revendications 10 à 15, caractérisée en ce que la matière carbone formant le carbone brillant comprend un produit résineux obtenu par oxydation de distillat d'huile minérale ou d'extrait de solvant présentant une teneur en carbone aromatique correspondant à une constante de viscosité VGC d'au moins 0,85 et un poids moléculaire moyen compris entre environ 150 et 600, e produit résineux présentant un point d'ébullition initial d'au moins 3000C sous 760 mm de mercure. 17 - Moule ou noyau de moulage fabriqué selon le procédé de l'une des revendications 1 à 9.