Brevet FR2382290A1 — publié le 19780929

La présente invention concerne la fonderie et a plus précisément pour objet un sable liquide solidifiable à l'air. Le sable suivant l'invention est utilisé pour la confection de moules et de noyaux. On connaît déjà des sables liquides solidifiables à l'air, contenant une charge réfractaire, un liant tel qu'une solution aqueuse d'un silicate de métal alcalin (verre soluble) et un durcisseur, Les durcisseurs peuvent etre soit gazeux, comme le gaz carbonique, soit solides comme le silicium et ses alliages tels que le ferrosilicium, le silicocalcium, le silicate dicalcique1 ou des matériaux les contenant, soit liquides, tels que des acides. On connatt également un sable liquide solidifiable à l'air, contenant à titre de durcisseur un ester de polyalcool tel que le diacétate d'éthylène-glycol. Tous les mélanges indiqués sont caractérisés par un temps de durcissement excessif (20 à 40 mn > . On connait également un sable liquide solidifiable à l'air, destiné à la confection de moules et de noyaux de fonderie, contenant une charge réfractaire, un liant tel qu'une solution aqueuse à 50% de silicate d'un métal alcalin, caractérisé par un rapport SiO2 : Na2O = 2,5, et un durcisseur constitué par un mélange d'esters tels que la diacétine et la triacétine. Lesdits esters ne sont pas équivalents, au point de vue de leur activité chimique, à la solution aqueuse de silicate de métal alcalin. La diacétine confère au sable une haute vitesse de durcissement, alors que dans le cas d'utilisation de la triacétine le mélange présente une vitesse de durcissement insuffisante. Aussi, pour obtenir un mélange ayant la vitalité et la vitesse de durcissement requises, imposte-t-il de mélanger lesdits esters. La présence, dans un tel sable, d'un durcisseur à deux constituants complique sensiblement la préparation du mélange et entrave en outre le réglage de ses caractéristiques. Cela s'explique par la haute sensibilité du sable aux proportions des constituants entrant dans la composition du durcisseur. Tout écart par rapport à ces proportions entraine une variation brusque de la vitalité et de la vitesse de durcissement du sable. Le but de la présente invention est d'éliminer les inconvénients précités. On s'est donc proposé de créer un sable liquide solidifiable à l'air, dans lequel le durcisseur et le rapport en moles de la silice à l'oxyde de métal alcalin dans la solution aqueuse de silicate de métal alcalin sont choisis de manière que la vitalité et la vitesse de durcissement du sable solidifiable à l'air satisfassent aux conditions nécessaires à sa mise en oeuvre industrielle. Ce problème est résolu du fait que le sable liquide soli difiable à l'air, du type contenant une charge réfractaire, une solution aqueuse d'un silicate de métal alcalin à titre de liant, et un durcisseur, est caractérisé, suivant l'invention, en ce qu'il contient, camme durcisseur, du propylène-carbonate. Suivant l'invention, le sable liquide solidifiable à l'air contient de préférence (parties en poids) charge réfractaire 100 solution aqueuse d'un silicate de métal alcalin dans lequel le rapport SiO2 e2O est égal à 1,5-3,15 (Ne20 étant un oxyde d'un métal alcalins et une masse volumique de 1,25 à 1,5 4/cm 2,0 à 7,0 propylène-carbonate 0,1 à 1,0 Pour faire passer le sable à l'état liquide, il est recommandé d'y introduire an outre des sulfates d'alcoyle à raison de 0,3 à 1 partie en poids par rapport à la charge réfractaire. Suivant un mode de réalisation de l'invention, le sable contient en outre du silicate dicalcique à raison de 0,5 à 5 parties en poids par rapport à la charge réfractaire. Le procédé de préparation du sable liquide solidifiable à l'air suivant l'invention consiste en ce qui suit. Le sable liquide solidifiable à l'air peut Entre prépare dans un mélangeur d'un type connu quelconque, à marche continue ou discontinue. Au cas où l'on prépare le sable dans un mélangeur à marche discontinue, on ajoute à la charge réfractaire du propylene- carbonate et l'on brasse pendant 60 à 90 secondes, en additionnant ensuite une solution aqueuse d'un silicate de métal alcalin, et l'on brasse à nouveau pendant 30 à 60 secondes. On peut utiliser à titre de charge réfractaire du sable quartzeux, de l'olivine, de la chromo-magnésite ou tout ante matériau genéralement utilisé en fonderie pour la fabrication des moules et des noyaux. Le liant utilisé dans le sable est de préférence une sol'il tion aqueuse de silicate de sodium ou de potassium (verre soluble), ayant un rapport SiO2 : Na20 ou bien SiO2 s K20 égal à 1,5 à 3,15, et une masse volomique de 1,25 à 1,5 g/cs3. La solution aqueuse de silicate de métal alcalin utilisée le plus fréquemment à titre de liant dans les sables de foaderie est le silicate de sodium, aussi1 dans la description gui va suivre, va-t-on mentionner le silicate de sodium, bien que des résultats analogues puissent etre également obtenus en employant du silicate de potassium. En modifiant le rapport en moles Si02 t Na20 du verre soluble entre les limites indiquées, il est possible de faire varier la vitalité du sable et sa vitesse de durcissement. Plus ce rapport est bas, plus la vitalité du sable est élevée et sa vitesse de durcissement basse, et vice versa. Pour cette raison il est possible d'utiliser dans le sable du silicate de sodium avec le rapport SiO2 t Na2O requis, ou bien on peut y introduire un alcali abaissant le rapport SiO2 t Na20. On introduit la solution aqueuse de silicate de métal alcalin dans le mélange à raison de 2,0 à 7,0 parties en poids, de préférence à raison de 3,0 à 5,0 parties en poids. L'introduction de la solution aqueuse de silicate de métal alcalin en proportions inférieures à 2, Q parties en poids rend très faible la résistance mécanique du sable au bout de 24 heures (4,0 à 5,0 kgf/cm2), et augmente considérablement sa friabilité. Une modification analogue de ces propriétés est observée quand on utilise du verre soluble d'une masse volumique inférieure à 1,25 g/cm3. I1 a été établi que lorsqu'on augmente la teneur on solution aqueuse de silicate de sodium au-dessus de 7 parties en poids, la résistance mécanique résiduelle du sable après la coulée de métal augmente sensiblement, alors que son aptitude au décochage (au débourrage) des pièces de fonderie diminue notablement On utilise à titre de durcisseur liquide le propylène- carbonate, qui est un ester cyclique de propylènelycol et d'acide carbonigue de formule suivante Le propylène-carbonate est un produit de la réaction entre l'oxyde de propylène et le gaz carbonique en présence d'halogénures de métaux alcalins. Le propylène-carbonate n'est pas toxique. Il est avantageux d'introduire le propylène-carbonate dans le sable à raison de 0,1 à 1,0 partie en poids,de préférence à raison de 0,2 à 0,6 partie en poids. Quand on introduit moins de 0,1 partie en poids de propylène-carbonate, le mélange durcit pendant deux à trois heures et sa résistance mécanique ne depasse pas 5 kgtlcm2. Quand on ajoute plus de 1,0 partie en poids de propyline-carbonate, le sable durcit très vite (1 à 1,5 mn), sa vitalité baisse brusquement et on observe simulta nément une augmentation de la friabilité du sable. Le sable, suivant I ltinvention, peut ventre obtenu à l'état liquide par introduction d'un dérivé tensio-actif moussant. Quand on fabrique à partir du sable liquide des moules et des noyaux, on peut le couler dans la boite à noyaux ou dans le chassis de moulage sans compactage. On extrait le modèle après durcissement du moule ou du noyau. A titre de produit tensio-actif, suivant l'invention, on utilise des sulfates d'alcoyle. I1 est préférable d'utiliser des sulfates d'alcoyle à radical alcoyle en C10 - C13. La proportion de dérivé tensio-actif au sein du sable peut varier entre 0,3 et 1,0 partie en poids par rapport à la charge. Si la teneur en dérivés tensio-actifs est inférieure à 0,3 partie en poids, le sable n'acquiert pas la fluidité requise, et on éprouve des difficultés pour le couler dans la botte à noyaux ou dans le chassies de moulage. L'augmentation de la proportion de dérivé tensio-actif au dessus de 1,0 partie en poids conduit à une baisse de la résistance mécanique du sable. Le sable, suivant l'invention, peut contenir aussi une addition de silicate dicalcique à raison de 0,5 à 5 parties en poids par rapport à la charge réfractaire. On prépare alors le sable de la manière suivante : on brasse la charge réfractaire avec le silicate dicalcique. L'ordre d'introduction des autres constituants (propylènecarbonate, verre soluble) a été exposé plus haut. L'utilisation, dans le sable suivant l'invention, de silicate dicalcique de pair avec le propylène-carbonate permet d'augmenter la résistance mécanique au début du processus de durcissement. On peut citer comme exemples de matériaux contenant le silicate dicalcique les laitiers des fabrications métallurgiques, tels que le laitier de haut fourneau, la scorie sponta dément friable de la fabrication du ferro-dhrome, le ciment ferrométallurgique (Portland de haut fourneau). La modification du rapport entre le verre soluble et le durcisseur permet de régler facilement la vitalité et la vitesse de durcissement du sable. En outre, en modifiant le rapport Si02 t Na20 au sein du verre soluble, on peut régler la vitalité du sable entre 2-3 et 20-25 mn. L'invention permet de réduire sensiblement, au sein des sables, la proportion de verre soluble(environ de moitié) en comparaison du sable pour le procédé employant oo2, tout en augmentant la résistance mécanique du sable et en améliorant son aptitude au décochage. Cette dernière circonstance a une importance particulière pour réduire le volume de travail indispensable au décochage des pièces de fonderie et améliorer les conditions de travail des ouvriers. En comparaison des durcisseurs pulvérulents (comme le silicate dicalcique), le propylène-carbonate est absolument inoffensif et sa consomma~ tion est de 10 à 15 fois plus basse. L'abaissement, au sein du sable, de la proportion de verre soluble augmente sensiblement la fluidité du sable. Elle réduit, et mtme permet dans certains cas, de supprimer son compactage au cours de la confection des noyaux et des moules. En outre, l'emploi d'un seul durcisseur au lieu de deux permet de réaliser une plus haute précision de dosage et d'obtenir des sables caractérisés par des propriétés plus stables, tout en simplifiant la procédure de préparation desdits sables. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention seront mieux compris à la lecture de la description, qui va suivre, de plusieurs exemples concrets mais non limitatifs de préparation du sable liquide solidifiable à l'air, Exemple 1 On prépare le sable liquide solidifiable à l'air dans un mélangeur à aubes à marche discontinue. On ajoute à 100 parties en poids de sable quartzeux 0,1 partie en poids de propylène- 3 carbonate d'une masse volumique de 1, 2 gXom et on brasse pen- dant 60 secondes. Ensuite on ajoute au sable 2,0 parties en poids d'une solution aqueuse de silicate de sodium (rapport SiO2/Ma2O = 2,8, masse volumique = 1,35 g/cm3) et on brasse à nouveau pendant 60 secondes. On prépare à partir du sable ainsi obtenu des moules et des noyaux par un procédé connu quelconque. Vitalité du sable : 3 mn. Résistance à la compression d'éprouvettes standards (diamètre 50 mm, hauteur 50 mm) obtenues à partir dudit sable (en kgf/cm2) au bout de 1 heure 2,0 à 2,5 au bout de 3 heures 3,0 à 4,0 au bout de 24 heures 5,0 à 6,0 Exemple 2 On prépare un sable de composition suivante (parties en poids) sable quartzeux 100 solution aqueuse de silicate de sodium (rapport SiO2/Na2O = 2,8, masse volumique= 1,4 g/cm3) 7,0 propylène-carbonate(masse volumique = 1,2 gfcm3) 1,0 Vitalité du sable obtenu 3 mn Résistance à la compression d'éprouvettes standards pré parées à partir du sable obtenu (en kgf/om) :: au bout de 1 heure 13 à 15 au bout de 3 heures 17 à 20 au bout de 24 heures 20 à 25 Exemple 3 On prépare un sable de composition suivante (parties en poids) : sable quartzeux 100 solution aqueuse de silicate de sodium (rapport SiO P a20 = 3,0, masse volumique = 1,5) 4,0 propylène-carbonate (masse volumique 1,2 g/cm3) 0,3 Vitalité du sable obtenu 3 wn Résistance à la compression d'éprouvettes standards obtenues à partir du sable préparé (kgf/cm2) s au bout de 1 heure 4 à 6 au bout de 3 heures 13 à 15 au bout de 24 heures 20 à 22 Exemple 4 On utilise pour la préparation du sable solidifiable à l'air les constituants suivants (parties en poids) t sable quartzeux 100 solution aqueuse de silicate de sodium (rapport SiO2/Na20 = 2,8, masse volumique 1,42 g/cm3) 4,0 propylène carbonate (masse volumique 1,2 gXcm3) 0,4 soude caustique 0,27 On prépare le sable d'une façon analogue à celle de l'exemple 1, en dissolvant au préalable la soude caustique dans la solution aqueuse de silicate de sodium, ce qui réduit à 2,5 le rapport Si02/Na2O. Vitalité du sable obtenu: 8 à 9 mn. Résistance à la compression d'éprouvettes standards préparées à partir du sable obtenu (kg f/cm2) t au bout de 1 heure 8 à 10 au bout de 3 heures 10 à 15 au bout de 24 heures 40 à 45 Exemple 5 On utilise pour la préparation du sable les constituants suivants (parties en poids) :: sable quartzeux 100 solution aqueuse de silicate de sodium (rapport SiO2/Na2O = 2,8, masse volumique 1,34 g/cm ) 6t0 propylène-carbonate (masse volumique 1,2 g/cm3) 0,4 sulfate d'alcoyle à radical alcoyle en C10-Cl2 0,5 On prépare le sable d'une façon analogue à celle de l'exemple 1, en dissolvant au préalable le sulfate d'alcoyle dans la solution aqueuse de silicate de sodium. On obtint en définitive un sable liquide solidifiable à l'air, que l'on coule dans des boites à noyaux et sur des modèles et que l'on abandonne à l'air pour durcissement. Vitalité du sable obtenu 4 mn.Résistance à la compression d'éprouvettes standards préparées à partir du sable obtenu (kgfZcm2) : au bout de 1 heure 4 à 6 au bout de 3 heures 6à8 au bout de 24 heures 12 à 15 Exemple 6 On prépare un sable de composition suivante (parties en poids) : sable quartzeux 100 scorie résultant de la fabrication de ferro chrome 1,0 solution aqueuse de silicate de sodium (rapport SiO2/Na2O = 2,8, masse volumique = 1,4 g/cm ) 4,0 propylène-carbonate o, 15 Vitalité du sable obtenu : 7 mn.Résistance à la compression d'éprouvettes standards préparées à partir du sable obtenu (kg/cm ) : au bout de 1 heure 4 å 6 au bout de 3 heures 6à8 au bout de 24 heures 14 à 16 Exemple 7 On utilise pour la preparation du sable les constituants suivants (parties en poids) t sable quartzeux 100 solution aqueuse de silicate de sodium (rapport SiO ç NaçO = 2,8, masse volumique 5 1,38 9/cm ) 3,0 propylène-carbonate (masse volumique=1,2 g/cm3) 0,3 potasse caustique 0,6 L'introduction de la potasse caustigue permet de réduire à 1,5 le rapport SiO2/Na2O dans le verre soluble. Vitalité du sable obtenu : 30 à 40 mn. Résistance à la compression d'éprouvettes standards obtenues à partir du sable préparé (kgf/cm2) au bout de 1 heure 1,5 à 2,0 au bout de 3 heures 3,0 à 4,0 au bout de 24 heures 20,0 à 25,0 Exemple 8 Pour préparer le sable on utilise les constituants suivants (parties en poids) 2 sable quartzeux 100 solution aqueuse de silicate de sodium (rapport SiO2/Na20 = 2,8, masse volumique = 1,3 g/cm3) 6,0 propylène-carbonate 0,6 soude caustique 0,4 L'introduction de la soude caustigue permet de réduire à 2,0-2,1 le rapport SiO vNa20 dans le verre soluble. Résistance à la compression d'éprouvettes standards préparées à partir du sable obtenu (kgf/cm2) : au bout de 1 heure 3,0 à 4,0 au bout de 3 heures 5,0 à 6,0 au bout de 24 heures 8,0 à 10,0 Bien entendu, l'invention 'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. REVENDICATIONS 1. Sable liquide solidifiable à l'air pour la confection de moules et de noyaux de fonderie, du type contenant une charge réfractaire, une solution aqueuse d'un silicate de métal alcalin à titre de liant, et un durcisseur, caractérisé en ce qu'il contient du propylène-carbonate à titre de durcisseur. 2. Sable liquide solidifiable à l'air, suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il contient : 100 parties en poids d'une charge réfractaire, 2,0 à 7,0 parties en poids d'wie solution aqueuse d'un silicate de métal alcalin dans lequel le rapport SiO P e20 est de 1,5 à 3,15 (Me2O étant un oxyde de métal alcalin) et dont la masse volumique est de 1,25 à 1,5 g/cm3, et 0,1 à 1,Q partie en poids de propylène-carbonate. 3. Sable liquide solidifiable à l'air, suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il contient en outre un agent moussant tel que, par exemple, un sulfate d'alcoyle, à raison de 0,3 à 1,0 partie en poids par rapport à la charge réfractaire. 4. Sable liquide solidifiable à l'air, suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il contient en outre du silicate dicalcique à raison de 0,5 à 5,0 parties en poids par rapport à la charge réfractaire. 5. Moules et noyaux de fonderie, caractérisés en ce qu'ils sont fabriqués à partir du sable faisant l'objet de l'une des revendications 1 à 4.