Brevet FR2510922A1 — publié le 19830211

La présente invention concerne le domaine de la fonderie et a notamment pour objet des matériaux liants organiques utilisés pour la fabrication de sables à moules et à noyaux. I1 est plus avantageux d'appliquer l'invention dans des compositions de sables utilisant un liant siliceux durci tant par le gaz carbonique qu'au moyen d'une dessication thermique et l'aide de durcisseurs chimiques (liquides ou solides). Dans ce cas, il est possible de remplacer le matériau liant siliceux et notamment le verre soluble par un liant organominéral. Les matériaux liants siliceux actuellement connus ne permettent pas d'obtenir des sables moules et à noyaux qui puissent entre extraits aisément des pièces coulées. Du fait d'un décochage difficile, les sables a liant siliceux malgré leurs assez bonnes caractéristiques sanitaires et hygiéniques, n'ont trouvé l'application que dans la production des pièces coulées moyennes et grosses. A l'heure actuelle, pour résoudre le problème d'amélio- ration du décochage des sables a moules, on a recours a différentes méthodes: a) introduction, dans la composition du sable de différents additifs spéciaux qui, sous l'action de la température du m8tal remplissant le moule, peuvent soit se décomposer et créer des concentrateurs des tensions dans la pellicule du liant siliceux, soit créer des systemes ternaires qui élèvent la température de fusion du liant siliceux ; b) introduction d'additifs organiques dans le verre soluble qui créent, avec celui-ci, des solutions réelles. A titre d'exemple de réalisation de la première desdites méthodes, on peut citer un sable a moules et a noyaux contenant (% en poids): 92,0 à 94,2 de sable de quartz, 4,5 à 5,5 de verre soluble, 0,9 à 1,1 de soude caustique et 0,8 à 1,0 d'extrait provenant de l'épuration sélective de distillats d'huile. La présence de l'extrait permet d ' amé- liorer quelque peu le décochage du sable à moules des pièces coulées. Toutefois, un haut pouvoir gazogène du sable à moules, à la formation duquel contribue l'extrait, provoque le risque de formation de soufflures de gaz dans les pièces coulées, surtout, dans celles en acier. La deuxième méthode visant à améliorer le décochage qui consiste à introduire des additifs immédiatement dans le verre soluble par mélange mécanique a également été utilisé en fonderie. A l'aide de cette méthode, on obtient un matériau liant qui est le plus proche de l'invention décrite en ce qui concerne sa technique et le résultat obtenu. On connaet un matériau liant "hydrosil" contenant (% en poids) : 80 à 85 de verre soluble (t = 1,48 à 1,52 g/cm3 ; m = 2,6 à 2,8) et 15 à 20 de sel double de glucose et de chlorure de sodium (hydrol). Le matériau liant "hydrosil" est produit par agitation mécanique du verre soluble et de l'hydrol pendant 15 à 30 minutes. Ayant utilise de l'hydrosil dans les compositions de sables de moulage on n'a pas réussi à effectuer d'une manière efficace l'eli- mination des noyaux des pièces coulées.Cet inconvénient est dt à ce que l'hydrol ne fait pas partie de la micelle des silicates de sodium et de potassium du verre soluble et ne peut pas détériorer d'une manière efficace la continuité de la pellicule de liant aux températures rencontrées dans le moule et qui résultent de la coulée du métal liquide dans celui-ci. En outre, l'hydrol est un produit du type fourrage incomplet déficitaire ce qui impose de réduire au maximum sa teneur dans la composition du liant organominéral. On s'est donc proposé de mettre au point un matériau liant organominéral pour la fabrication de sables à moules et à noyaux dans lequel la composition des composants serait choisie de façon à faciliter le décochage du sable des pièces coulées. Le problème posé est résolu à l'aide d'un matériau liant organominéral pour la fabrication de sable à moules et à noyaux qui contient : silicate en motte, eau et additif organique soluble dans l'eau qui peut se décomposer à la température de coulée de la fonte liquide dans le moule et qui, selon l'invention, contient lesdits composants dans les rapports suivants (% en poids): 46 à 54 de silicate en motte, 0,3 à 4,0 d'additif organique soluble en eau, le reste étant de l'eau. L'additif organique soluble dans l'eau est introduit dans la composition du matériau liant pendant la dissolution du silicate en motte dans l'eau, dans un autoclave à la température de 1800 à 2400C et sous la pression de 0,4 à 0,8 MPa. Grâce à l'utilisation de cette technologie, on a obtenu un nouveau matériau liant organominéral, qui est caractérisé en ce que l'additif organique soluble dans l'eau fait partie de la micelle du silicate de sodium ou de potassium. Cela assure des propriétés et une structure spécifiques propres seulement à ce liant.Du fait que l'additif organique soluble dans l'eau fait partie de la micelle des silicates du matériau liant, il se détruit sous l'action de hautes températures en formant des produits gazeux qui détériorent la continuité de la pellicule de liant, tandis que les composés de coke formés à la suite de la décomposition du constituant organique empèchent la pellicule du matériau liant de s'agglomérer. Tout cela permet d'obtenir une efficacité notablement plus élevée de l'utilisation du liant organominéral dans les compositions des sables à moules et à noyaux qui sont caractérisées par un décochage aisé des pièces coulées. Dans ce cas, la teneur en additif organique soluble dans l'eau doit être dans les limites de 0,3 à 4,0 % en poids. Lorsque cette teneur diminue au-dessous de la limite inférieure on ne réussit pas à obtenir l'amélioration désirée du décochage des sables contenant comme liant du silicate, des pièces coulées alors que lorsque la teneur est supérieure à la limite supérieure, l'effritement des sables croît. La teneur en silicate en motte doit être dans les limites de 46 à 54 % en poids. La diminution de la teneur en silicate en motte au-dessous de 46 % ne permet pas d'obtenir un matériau liant d'une densité requise tandis que l'augmentation au-dessus de 54 % en poids diminue notablement la vitesse de dissolution du silicate en motte dans l'eau et ralentit le processus d'obtention du matériau liant organominéral. I1 est avantageux d'utiliser l'hydrol à raison de 2,0 à 4,0 % en poids, comme additif organique soluble dans l'eau dans la composition du matériau liant organomineral. Le matériau liant organominéral est produit dans un autoclave suivant le régime décrit ci-après. Le mécanisme du comportement des sables de moulage contenant un matériau liant organominéral revendiqué est le suivant. Du fait que lthydrol est un sel double de glucose et de chlorure de sodium de 15 à 20 % et contient jusqu'à 45 à 48 % des substances de réduction, celui-ci en faisant partie de la composition de la micelle de silicate de sodium se décompose sous l'action de hautes températures (jusqu'à 8000C) en formant une quantité notable de produits gazeux qui dêteriorent la pellicule solidifiée du liant et diminuent ainsi la résistance du sable de moulage après le refroidissement. La diminution de la quantité d'hydrol dans le liant au-dessous de 2,0 % en poids n'est pas rationnel car on n'obtient pas, dans ce cas, l'objectif visé tandis que l'augmentation au-dessus de 4,0 % en poids contribue à l'augmentation de l'effritement du sable de moulage et à une certaine diminution de sa résistance. Comme additif organique soluble dans l'eau dans une composition du matériau liant organominéral, on peut utiliser avec succès l'urée technique à raison de 0,3 à 2,0 % en poids. L'urée technique contribue à l'élevation de la vitesse de durcissement des sables de moulage contenant un liant orga nomiéral selon l'invention par suite de l'élévation de la vitesse de cristallisation des composés chimiques résultant des réactions de durcissement. Le matériau liant obtenu exerce une influence substantielle sur le comportement des mélanges aux températures élevées, en réduisant considérablement, le travail de décochage des mélanges en comparaison avec les mélanges de verre soluble. Lors du chauffage des mélanges jusqu'! une température de 8000C il y a destruction du carbamide entrant dans la composition du matériau liant. I1 en résulte une rupture de la continuité de la pellicule du liant. En outre la répartition régulière des corps nouvellement formés (composés chimiques, se formant en résultat du durcissement du liant avec un durcisseur) dans la structure du liant entraine une répartition volumique régulière des éléments combustibles dans le mélange, ce qui facilite considérablement le décochage des mélanges. Pour une densité 1440 kg/m3, le matériau liant organominéral présente les propriétés suivantes: Module = 2,62, pH = 10,70, tension superficielle = 53,0 x 10 3 N/m. I1 est aussi avantageux d'utiliser une résine de phénol- formaldéhyde à raison de 0,3 à 1,5 % en poids comme additif organique soluble dans l'eau dans la composition du matériau liant. Cet additif exerce une influence sensible sur le comportement des sables de moulage contenant un liant élaboré aux hautes températures (jusqu'à 8000C). Le méca- nisme d'action de cet additif réside en ce que dans la zone des températures élevées de 350 à 5000C la résine de phénolformaldéhyde faisant partie de la composition du liant organominéral se décompose, en dégageant une forte quantite de produits gazeux, qui ameublissent et baissent la résis- tance de la base de silicate du matériau liant.Aux températures plus élevées (3000C) à la suite de la condensation des chaînes carbonées, il se forme des ponts de carbone qui, grâce à une assez faible mouillabilité du bain de silicate de sodium fondu, empêchent, dans une grande mesure, le rétablissement de l'intégrité de la pellicule de silicate précedemment détériorée par les gaz dégagés, ce qui contribue à l'amélioration du décochage du sable de moulage. Le matériau liant revendiqué est caractérisé par les propriétés physiques et chimiques suivantes à la densité de 1440 Kg/m : module = 2,35 ; pH = 10,7, tension superficielle = 53,1 x 10 3 N/m. Si l'on diminue la quantité de résine phénol-formal- déhyde au-dessous de 0,3 % en poids on n'obtient pas l'effet désiré et si l'on augmente au-dessus de 1,5 % en poids on ralentit sensiblement le processus de dissolution du silicate en motte dans l'eau. I1 est possible d'utiliser avec succès de la glycérine à raison de 0,3 à 2,5 % en poids comme additif organique soluble dans l'eau dans la camposition du matériau liant organominéral. Le mécanisme d'action de cet additif est analogue à celui obtenu lors de l'introduction de la resine phénolformaldéhyde dans la composition du matériau liant. Dans ce cas, le matériau liant revendiqué est caractérisé par les propriétés physiques et chimiques suivantes à la densité de 1440 Kg/m : module = 2,66 ; pH = 10,7 tension superficielle = 53,6 x 10 3 N/m. Si l'on diminue la quantité de glycérine au-dessous de 0,3 % en poids on n'obtient pas le résultat désiré, tandis que l'augmentation au-dessus de 2,5 % en poids aboutit à l'augmentation de l'effritement du sable de moulage. Les meilleures variantes de l'invention sont citées ci-dessous. Le matériau liant organominéral pour la fabrication des sables à moules et à noyaux comprend: silicate enmotte, des additifs organiques solubles dans l'eau se décomposant à la température de coulée de la fonte dans le moule et de l'eau. Selon l'invention, le matériau liant contient lesdits constituants dans les rapports suivants (% en poids): 46 à 54 de silicate en motte 0,3 à 4,0 d'additifs organiques solubles dans l'eau le reste étant de l'eau. Comme additif organique soluble dans l'eau on peut utiliser dans le matériau liant soit de l'hydrol à raison de 2,0 à 4,0 % en poids, soit de l'urée technique à raison de 0,3 à 2,0 % en poids, soit une résine phénol-formaldehyde à raison de 0,3 à 1,5 % en poids, soit de la glycérine à raison de 0,3 à 2,5 % en poids. L'invention est illustrée par les exemples suivants. Ayant utilisé les liants organominéraux obtenus par dissolution du silicate en motte dans une solution aqueuse d'additifs revendiques dans un autoclave, on a préparé des sables de moulage ayant la composition suivante (% en poids): sable de quartz 91,0 scorie de ferro-chrome 3,5 liant organominéral 5,5 et notamment sable de moulage nO 1 - 2,0 % en poids d'hydrol dans le liant organominéral sable de moulage nO 2 - 3,0%en poids d'hydrol ; sable de moulage nO 3 - 4,0 % en poids d'hydrol sable de moulage nO 4 - 0,3 % en poids d'urée technique ; sable de moulage nO 5 - 1,2 % en poids d'urée technique sable de moulage nO 6 - 2, % en poids d'urée technique sable de moulage nO 7 - 0,3 % en poids de résine de phénol-formaldéhyde. sable de moulage nO 8 - 0,9 % en poids de résine de phénol-formaldéhyde. sable de moulage nO 9 - 1,5 % en poids de résine de phénol-formaldéhyde ; sable de moulage nO 10 0,3 % en poids de glycérine sable de moulage nO 11 1,4 % en poids de glycérine sable de moulage n 12 2,5 % en poids de glycérine. TABLEAU 1 Propriétés physiques et mécaniques des sables de moulage n0 en MPa pour une durée de durcissement en du heures sable ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ de moulage 0,5 I 2 24 I 2 3 4 5 I 0,4-0,6 0,5-0,6 0,6-0,8 1,3-1,7 2 0,5-0,6 0,5-0,6 0,6-0,85 1,3-1,8 3 0,5-0,7 0,6-0,95 0,8-0,95 1,7-1,9 4 0,4-0,6 0,7-0,9 1,2-1,4 1,6-1,9 5 0,6-0,8 0,9-1,3 1,3-1,6 1,9-2,0 6 0,7-0,9 1,0-1,3 1,4-1,6 1,9-2,0 7 0,5-0,7 1,0-1,2 1,4-1,5 1,6-2,0 8 0,6-0,7 1,2-1,4 1,5-1,6 1,6-2,0 9 0,4-0,6 1,0-1,2 1,4-1,6 1,8-1,9 10 0,5-0,6 0,8-0,9 1,2-1,4 1,7-1,8 11 0,6-0,7 0,8-1,0 1,2-1,4 1,7-1,8 12 0,6-0,7 0,8-1,0 1,2-1,4 1,7-1,8 TABLEAU 1 (SUITE) Effritement % Permeabilité Travail de décochage unité 8CK)"C, T 6 7 8 0,8-0,9 180-210 10-20 0,8-0,9 180-210 5-15 0,1-0,9 181-212 0-10 0,6-0,8 172-200 20-40 0,6-0,7 180-210 10-20 0,6-0,7 185-212 0-15 0,6-0,7 180-210 50-60 0,5-0,7 180-210 50-60 0,5-0,9 180-210 40-50 0,8-1,0 180-210 40-50 0,9-1,2 180-210 40-50 0,9-1,2 180-210 30-40 I1 ressort du tableau I que tous les sables de moulage avec liants organominéraux assurent une réduction notable du travail de décochage après chauffage du mélange jusqu'S 8000C. Le tableau 2 résume les caractéristiques du décochage (selon la résistance résiduelle des échantillons du sable de moulage après chauffage et refroidissement) pour les sables de moulage mentionnés. TABLEAU 2 nO du Résistance résiduelle à la compression, MPa, sable après le chauffage jusqu'à la température de moulage 1000C 4000C I 2 3 1 0,7-0,8 0,9-1,2 2 0,8-1,0- 0,8-1,2 3 0,8-1,0 0,8-1,2 4 0,7-0,8 0,9-1,3 5 0,7-0,8 1,1-1,3 6 0,9-1,2 1,3-1,4 7 0,9-1,2 1,3-1,6 8 0,9-1,3 1,5-1,8 9 1,0-1,3 1,6-2,0 10 0,8-1,0 0,8-1,2 11 0,8-1,0 0,8-1,2 12 0,8-1,0 0,9-1,4 Ainsi, les liants organominéraux selon l'invention à base de silicate introduits dans les compositions des sables à moules et à noyaux assurent l'obtention d'un décochage amélioré des sables de moulage des pièces coulées. TABLEAU 2 (SUITE) Résistance résiduelle à la compression, MPa, après le chauffage jusqu'à la température 6000C 8000C 10000C 4 5 6 0,3-0,4 0,2-0,4 0,8-1,9 0,2-0,4 0,1-0,3 0,6-0,8 0,2-0,4 0,1-0,2 0,5-0,7 0,3-0,4 0,3-0,5 0,8-1,2 0,2-0,4 0,2-0,4 0,6-0,9 0,3-0,5 0,1-0,2 0,7-0,9 0,6-0,7 0,6-0,7 0,9-1,3 0,5-0,7 0,4-0,7 1,2-1,5 0,3-0,5 0,2-0,4 1,2-1,5 0,6-0,7 0,2-0,4 0,7-0,9 0,5-0,7 0-2-0,4 0,8-1,0 0,3-0,5 0,1-0,3 0,8-1,0 REVENDICATIONS 1. Matériau liant organominéral pour la fabrication de sables à moules et à noyaux qui contient du silicate en motte, de l'eau et des additifs organiques solubles dans l'eau qui peuvent se décomposer à la température de coulée de la fonte liquide dans le moule, caractériséen ce qu'il comporte des constituants dans les proportions suivantes (% en poids): 46 à 54 de silicate en motte, 0,3 à 4,0 d'additifs organiques solubles dans l'eau, le reste étant de l'eau. 2. Matériau selon la revendication I, caractérisé en ce qu'il contient de l'hydrol à raison de 2,0 à 4,0 % en poids, comme additif organique soluble dans l'eau. 3. Matériau selon la revendication I, caractérisé en ce qu'il contient de l'urée, à raison de 0,3 à 2,0 % en poids, comme additif organique soluble dans l'eau. 4. Matériau selon la revendication I, caractérisé en ce qu'il contient une résine de phenol-formaldehyde, à raison de 0,3 à 1,5 % en poids, comme additif organique soluble dans l'eau. 5. Matériau conforme à la revendication I, caractérisé en ce qu'il contient de la glycérine à raison de 0,3 à 2,5 % en poids, comme additif organique soluble dans l'eau.