Brevet FR2442681A1 — publié le 19800627

La présente invention concerne la fonderie et a nota sent pour objet un sable pour la fabrication de ioules et de noyaux de fonderie. Elle peut entre utilisée avec le maximum d'eifet pour l'obtention de pièces de fonderie de précision, caractérisées par un état de suriace dehaute qualité quoique, bien entendu, elle puisse servir également pour d'autres besoins de la fonderie. Au cours des vingt dernières années on a largement utilisé des sables de moulage permettant d'obtenir des pièces ioulées essentielles. Généralement, un sable de roulage de ce genre contient une chargé, un liant et un durcissant. Suivant les conditions auxquelles doit satisfaire la pièce de fonderie, on choisit la composition et les proportions des ingrédients du sable liquide. Si l'on utilise un sable liquide on emploie colle charges des substances aussi connues que le quartz, le disthbne- sillimanite, l'alumine, le silicate de zirconium, etc. A titre de liant on utilise, dans ce même cas, une solution de silicate d'éthyle hydrolysé, alors qu'à titre de durcissant du sable liquide on net en oeuvre une grande variété de composés copra les solutions de bases, la polyéthylène-amine, la triéthanolamine, l'hexaméthylènetétramine, l'anoniaque de concentrations variées, etc. C'est ainsi que l'on connaît un sable de fonderie contenant les constituants suivants (% en poids) charge sèche ............. 79 à 90 solution de silicate d'éthy le hydrolysé ............. 9 à 18 solution à 30-100% de tri éthanolamine N (CH2CH20H)3 0,3 à 5 (cf. certificat d'auteur URSS n 363 545). On peut introduire dans une solution de tridthanol- amine au sein d'eau et d'alcool ou d'acétone jusqu'à 2528% d'ammoniac pour augmenter l'activité du durcissant. Le processus de durcissement du sable est conditionné par la gélification du silicate d'éthyle suivant le schéma La mise en oeuvre des durclssants énumérés conduit aux défauts suivants des sables de moulage connus - le processus de durcissement commence immédiatement après la mise en contact avec le durcissant, ce qui provoque le mottage du sable de moulage ou bien un durcissement irrégulier du sable en volume par suite de la difficulté d'une répartition régulière du durcissant dans le volute du sable. Cela conduit s son tour à la feriation de fissures et à la détérioration du ioule ou du noyau fini.En outre, par voie de conséquence, la résistance mécanique du ioule est compromise ; - les durcissant connus, surtout sous forme de solutions aqueuses, constituent dans la structure des sables un "ballast", c'est-à-dire des substances ne par ticipant pas i la formation de liaisons siloxaniques mo- léculaires, ce qui, à son tour réduit encore la résistance mécanique du sable durci. De cette nanibre, la résistance mécanique des sables de soulage connus ne dépasse géné- ralement pas 15 kgi/ca2 lors des essais de flexion. Il convient d'indiquer que lesdits durcissants présentent une toxicité relativenent élevée, ce qui crée des difficultés pour leur mise en oeuvre. Enfin, étant donné la haute réactivité des durcissants ou leur dureté, il convient de doser avec précision les durcissants, ce qui complique la fabrication, tandis que la nécessité d'un séchage ou d'une calcination des charges en vue d'éliminer l'humidité "ballast" compromet la résistance mécanique. L'invention vise donc à créer une composition de durcissant pour sable de roulage, qui periettrait d'augmenter la résistance mécanique, de rendre plus régulier et plus progressif le durcissement du sable de moulage. La solution à ce problème consiste en ce que dans un sable de moulage destiné à la fabrication de ioules et de noyaux de fonderie, contenant une charge, un liant sous forme d'un silicate d'éthyle hydrolysé, et un durcissant provoquant la gélification du silicate d'éthyle, suivant l'invention on introduit conte durcissant une solution organique de polyorganosilazane répondant à la formule générale suivante R étant CH3, R' étant CH3 ou C6H5 n étant égal à l'unité, k étant un nonbre de 4 à 10, m étant un nombre de 1 à 3 Les proportionsd'lngrédients du sable étant les suivantes on en poids) solution de silicate d'éthyle hydrolysé ....................... 10 à 35 solution de polyorganosilazane répondant à la formule indiquée .. 0,10 à 2,00 charge .......................... le complément à 100. La mise en oeuvre de la polyorganosilazane repose sur le déroulement, au sein du sable de moulage, de deux réactions successives. D'abord, vu l'instabilité de la liaison Si - N Il y a hydrolyse dudit durcissant avec naissance de liaisons siloxaniques Pour l'hydrolyse de la polyorganosilazane au sein du silicate d'éthyle hydrolysé on utilise l'eau liée par des liaisons de coordination (coordinence) et l'eau adsorbée de la charge, ce qui constitue l'un des avantages du durcissant conforme à l'invention, permettant de mettre en oeuvre l'eau "ballast" qui auparavant était considérée corme nuisible à l'obtention de liaisons siloxaniques additionnelles et à l'augmentation de l'adhérence. En second lieu, 1 l'ammoniac qui se forme à la surface des grains de la charge d'après les réactions 4 et 6 contribue à la naissance de liaisons siloxaniques (c'est-à- dire à la gélification du silicate d'éthyle) d'après la réaction 2 citée dans ce qui précède. Ainsi, contrairement aux durcissants connus, la polyorganosilazane, qui est un produit moins toxique, agit comme un liant, comme un durcissant du silicate d'éthyle hydrolysé et comme agent d'élimination de l'eau "ballast". La résistance mécanique du sable de moulage durci obtenu avec mise en oeuvre d'une polyorganosilazano atteint 20 à 25 kgf/cm2 en flexion, ce qui dépasse de 1,5 à 1,75 fois la résistance d'un sable obtenu avec mise en oeuvre de triéthanolamine. Par ailleurs, grâce à la réaction qui se déroule en deux étapes, on réussit à répartir uniformément la polyorganosilazane au sein du sable, en réalisant un durcissement progressif et uniforme au sable, en évitant la formation de mottes, la fissuration et on augmentant la résistance mécanique. Comme solvants de la polyorganosilazane il est possible d'utiliser le toluène, le benzène, le kérosène et d'autres hydrocarbures. Les limites précitées de la teneur du sable en solution de silicate d'éthyle hydrolysé s'expliquent par le fait que si cette teneur est inférieure à 10% en poids, le sable perd sa fluidité (mobilité) en s'épaississant et ne peut être versé dans un modèle; par contre lorsque la teneur en silicate d'éthyle est supérieure à 35% en poids, le sable est trop fluide et donne lieu à une sédimentation rapide de la charge; après le durcissement des noyaux et des moules, apparait une fissuration superficielle, ce qui compromet leur qualité de surface et réduit leur résistance mécanique. Le choix des limites indiquées de la teneur en polyorganosilazane s'explique par le fait qu'en présence d'une teneur en polyorganosilazane inférieure à 0,1 % en poids, la durée de durcissement du sable augmente au point de provoquer la démixtion (sédimentation) des ingrédients, ce qui risque de conduire à des ioules défectueux. Quand la teneur en polyorganosilazane dépasse la limite supérieure choisie de 2,00X en poids, la durée de durcissement, au contraire, diminue, c'est-à-dire que la"durée de vie" ou la "longévité" du sable tombe jusqu'à 0,5 minute ou audessous, ce qui ne permet pas à l'opérateur de couler à temps le sable dans le modèle. La teneur en pourcentage de la solution organique en polyorganosilazane n'est pas limitée d'une manière rigoureuse, mais si ladite solution est employée à de basses concentrations en polyorganosilazane, les caractéristiques de résistance mécanique des noyaux et des ioules obtenus baissent du fait de l'introduction au sein du sable d'une forte quantité de solvant organique, qui ne favorise pas la résistance mécanique et qui constitue pour cotte raison un "ballast". En outre la durée de durcisse- ment du sable augmente. Les solutions hautement concentrées de polyorganosilazane ont une viscosité supérieure à 150 cSt, ce qui rend son utilisation difficile. On a trouvé, pour ces raisons, que la concentration optimale de la solution de polyorganosilazane est comprise entre 20 et 40%. Les résultats optimaux sont obtenus avec les teneurs suivantes en ingrédients (% en poids) solution de silicate d'éthyle hydrolysé ................... 15 à 25, solution à 20-40% de poly organosilazane .............. 0,3 à 1,0 charge ...................... le complément à 100. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description suivante de plusieurs exemples concrets mais non limitatifs de préparation du sable de moulage suivant l'invention, illustrés par le dessin unique annexé dans lequel - la figure la représente la surface d'un noyau fini, obtenu en utilisant le sable connu (agrandissement de 5 fois); - la figure 1b représente la surface d'un noyau fini, obtenu on utilisant le sable de moulage suivant la présente invention (agrandissement de 5 fois). La préparation du sable de moulage suivant la présente invention peut se faire conformément à un procédé connu quelconque, consistant généralement à introduire dans le silicate d'éthyle hydrolysé, sous agitation continue, d'abord la charge et ensuite le durcissant. Exemple 1. Préparation d'un sable de moulage pour la fabrica- tion de noyaux de pièces coulées en acier pour les roues à aubes des pompes centrifuges. On introduit dans une solution de silicate d'éthyle hydrolysé du sable de quartz et du quartz pulvérulents, tout en agitant sans interruption avec un malaxeur à 2000 tr/mn. Après l'homogénéisation du mélange dans la totalité de son volume, on y introduit une solution de polyorganosilazane dans le toluène et on continue à l'agiter pendant 1 à 2 minutes. Ainsi, pour obtenir le sable de moulage, on utilise la composition suivante (% en poids) sable de quartz d'une granulométrie de 0,08 à 0,4 us ................. 30,00 quartz pulvérulent d'une granulo métrie de 0,01 à 0,06 mm .......... 45,00 solution de silicate d'éthyle hydrolysé .................... 24,25 solution à 30% de polyorgano silazane dans le toluène ...... 0,75. Ensuite on verse le mélange homogéneisé dans une caisse à noyaux, où il durcit pendant 5 minutes. Ensuite on décharge le noyau sur un sécheur et on le place dans un milieu de fixation liquide à la température ambiante pendant 2 à 6 heures. On calcine le noyau à 900-1000 C pendant I à 2 heures à une vitesse de chauffe de 100 à 150 C/heure. Après ces opérations le sable acquiert une résistance à la flexion de 30 à 80 kgf/cm2. Exemple 2. Préparation d'un sable de moulage pour la fabrication de pièces de fonderie en alliages réfractaires. La succession des opérations de préparation du sable est la même que dans l'exemple 1. Toutefois, on utilise les ingrédients dans les proportions suivantes (% en poids) Silicate de zirconium d'une granulo métrie de 0,1 à 0,3 mm ............. 44,8 Silicate de zirconium d'une granulo métrie de 0,01 à 0,04 mm ........... 45,0 solution de silicate d'éthyle hydro lysé C . 10,0 solution à 20% de polyorganosilazane 0,2. Le temps de durcissement de le composition est de 15 à 30 mn. La résistance à la flexion, après traitement thermique, est de 25 à 30 kgf/cm2. Exemple 3. Préparation d'un sable pour petites pièces de fonderie d'agrément en métaux non ferreux. La succession des opérations de préparation du sable est la même que dans ltexemple 1. Les constituants de sable sont pris dans les pro-portions suivantes (% en poids) sable de quartz d'une granulo métrie de 0,08 à 0,4 mm .......... 17,0 quartz pulvérulent d'une granulo métrie de 0,01 à 0,06 DU ......... 24,0 alumine d'une granulométrie de 0,005 à 0,03 n ................... 22,0 solution de silicate d'éthyle hydrolysé ........................ 35,0 solution à 40% de polyorganosi lazane ........................... 2,0. La durée de durcissement de la composition de sable de moulage s'échelonne de 0,8 à 1,5 minute. Sa résistance à la flexion après traitement thermique à une température de 800 c, est de 15 à 20 kgf/cm2. La surface d'un noyau durci fabriqué avec mise en oeuvre du sable de moulage conforme à l'exemple 3 ne comporte pas de fissures développées et se distingue par son aspect uni (lisse) comme on peut le voir sur la figure lb, ce qui permet d'obtenir un excellent état de surface des pièces de fonderie. Par contre, la surface d'un noyau fabriqué d'après les formules connues présente un réseau de fissures ramifiées (figure la) qui détério- rent la qualité ou l'état de surface des pièces de fonderie. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés 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 pour la fabrication de moules et de noyaux de fonderie, du type contenant une charge, un liait sous forme d'une solution de silicate d'éthyle hydrolysé et un durcissant provoquant la gélification du silicate d'éthyle, caractérisé en ce que, à titre de durcissant, on introduit une solution organique de polyorganosilazane répondant à la formule suivante R étant CH3, R' étant CH3 ou C6H5, n étant égal à 1, k étant un nombre de 4 à 10, n étant un nombre de 1 à 3. 2. - Sable conforme à la revendication 1, caractérisé en ce qu'il contient (% en poids) solution de silicate d'éthyle hydrolysé ........................ 10 à 35 solution organique de polyorgano silazane .......................... 0,1 à 2,0 charge ........................... le complément à 100. 3. - Sable liquide suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la polyorganosilazane y est utilisée sous forme d'une solution à 20-40% au sein d'un solvant organique. 4. - Sable liquide suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il contient (% en poids ) solution de silicate d'éthyle hydrolysé 15 à à 25 solution à 20-40% de polyorgano- silazane 0,3 à à 1,0 charge .......................... le complément à ion.