Brevet FR2567431A1 — publié le 19860117

L'invention concerne la fonderie et a notamment pour objet un sable autodurcissant pour la fabrication de moules et de noyaux de fonderie. Ces moules et noyaux peuvent être utilisés notamment dans la production unitaire et en petites séries de moyens et gros moulages en fonte, acier, alliages à base de cuivre, d'aluminium, etc. On connais un sable autodurcissant pour la fabrication de moules et de noyaux , constitué par une charge réfractaire, par exemple du sable quartzeux, du zircon, un agglomérant (lignosulfonates) et un durcisseur. Le durcisseur est un mélange d'aluminate tricalcique (3CaO.A1203) introduit à raison de 25 à 98 parties en poids, de silicates de calcium introduits à raison de 0,5 à 70 parties en poids, d'alumoferrite tétracalcique à raison de 0,5 à 25 parties en poids, et de trialuminate pentacalcique à raison de 0,5 à 10 parties en poids (certificat d'auteur URSS NO 343 506, Cl. Int. B 22 C 1/10, Bulletin Découvertes, inventions, modèles industriels, marques de fabrique" N 47, 1981). Le constituant actif du durcisseur indiqué est 1'aluminate tricalcique 3Ca0. A1203 . Les autres constituants du durcisseur sont des impuretés inertes se formant lors de la fabrication du constituant actif. Le durcisseur (le constituant actif auquel sont associées les impuretés accessoires ou satellites inertes) est fabriqué à partir de calcaire avec'addition de divers matériaux alumineux; alumine technique (A1203 - 98%), bauxite (Al203 ~~ 30%), argile kaolinitique ou alunite, etc. Pour obtenir par ce procédé un durcisseur à haute teneur en aluminate tricalcique, il faut utiliser une alumine technique à teneur en Au205 proche de 98%. Toutefois, l'utilisation de l'alumine technique pour la fabrication du durcisseur est désavantageuse, car l'alumine technique est un produit d'approvisionnement difficile, employé dans la fabrication de l'aluminium et des abrasifs. Quant à l'utilisation d'une autre matière première alumineuse (bauxite, argile, etc.) à plus faible teneur en Al203 , elle ne permet d'obtenir que des durcisseurs à basse teneur en aluminate tricalcique. Par ailleurs, pour obtenir la dureté requise des moules et des noyaux, il faut introduire dans le sable autodurcissant une grande quantité de durcisseur. Ceci implique une teneur élevée en impuretés inertes, ce qui, à son tour, se traduit par un abaissement de la perméabilité aux gaz et de la résistance pyroscopique ou réfractairité du sable autodurcissant obtenu. De plus, la fabrication de ce durcisseur requiert l'emploi d'un équipement de fabrication compliqué pour le broyage soigné et l'homogénéisation des constituants bruts de départ, d'un four rotatif pour la cuisson à haute température, à 1300-1550 C, et d'un broyeur pour le broyage du produit cuit jusqu'à une surface spécifique d'au moins 3000 cm2/g. Le but de l'invention est de supprimer les inconvénients indiqués. On s'est proposé, pour cela, de créer un sable autodurcissant pour la fabrication de moules et de noyaux de fonderie qui, grâce au choix d'un durcisseur pouvant être obtenu plus facilement, par une méthode plus simple, et ne contenant pas d'impuretés inertes, permettrait d'obtenir des moules et noyaux de fonderie à résistance mécanique et perméabilité aux gaz élevées. La solution consiste en un sable autodurcissant pour la fabrication de moules et noyaux de fonderie, comprenant une charge réfractaire, des lignosulfonates et de l'aluminate de calcium, sable autodurcissant dans lequel, d'après l'invention, l'aluminate de calcium est un hydrogrenat de formule générale 3CaO.Al203.xSiO2yH20, dans laquelle x = 0,01 à 0,25 et y = 1,3 à 1,7 , la proportion des constituants dudit sable étant la suivante (parties en poids) charge réfractaire 100 lignosulfonates 4 à 8 hydrogrenat 2 à 5 Le durcisseur utilisé ne contient pas d'impuretés inertes, ce qui permet d'abaisser sa proportion dans le sable autodurcissant, et, de la sorte, d'éviter la diminution de la perméabilité aux gaz et de la résistance pyroscopique ou réfractairité dudit sable. En outre, le durcisseur décrit permet d'obtenir des moules et des noyaux à grande résistance mécanique (la résistance à la compression au bout de 24 h de durcissement atteint 1960 à 2156 kPa) et à faible effritement (non supérieur à 0,15%). La méthode de mesure de l'effritement consiste à placer un moule ou un noyau d'essai, en forme de cylindre de 50 mm de diamètre et de 50 mm de hauteur, dans un tambour grillagé, puis à- faire tourner ce tambour à une vitesse de 60 t/min pendant une minute. Le rapport de la diminution de masse de l'éprouvette à sa masse initiale, exprimé en pourcentage, caractérise 1 'effritement. Le durcisseur utilisé dans le sable autodurcissant faisant l'objet de l'invention est un produit d'obtention facile et pouvant être fabriqué par une méthode simple à partir d'hydrogrenats de formule générale 3CaO*Al203.xSiO2yH20 , dans laquelle x = 0,01 à 0,25 et y = 5,5 à 5,98. Ce produit se forme en grandes quantités (dizaines de milliers de tonnes) dans la fabrication de l'alumine et n'est pas d'approvisionnement difficile. La méthode de fabrication du nouveau durcisseur consiste à laver à l'eau l'hydrogrenat de départ pour le débarrasser des additions d'alcali, et à le sécher à 300-5000C. Le durcisseur ainsi obtenu ne requiert pas un broyage supplémentaire, car, après séchage, il a une surface spécifique de 5000 à 6000 cm2/g. Ce durcisseur permet de fabriquer avec le sable autodurcissant obtenu des moules et des noyaux à vitesse de durcissement élevée, telle que leur résistance à la compression au bout de 1 h de durcissement atteint 490 à 784 kPa. Le sable autodurcissant conforme à l'invention, contenant le durcisseur indiqué, a une vie en pot suffisante (12 à 15 min à 18-20 OC), une grande perméabilité aux gaz (jusqu'à 180 unités), et s'élimine bien des moulages. Le sable autodurcissant de composition indiquée, conforme à l'invention, peut être utilisé pour la fabrication de moules et noyaux de diverses dimensions et formes à des températures ne dépassant pas 35 à 40qu. Tous les constituants utilisés pour obtenir le sable faisant l'objet de l'invention sont facilement accessibles, non toxiques. Comparativement aux sables autodurcissants à base de résines synthétiques, le sable conforme à l'invention présente des avantages notables. Au cours de la préparation d'un tel sable autodurcissant, de la fabrication des moules et des noyaux avec le sable préparé, ainsi qu'au cours de la coulée du métal liquide dans les moules fabriqués et de leur refroidissement, il ne se dégage pas de gaz toxiques. Le sable autodurcissant usé, évacué à la décharge, est écologiquement inoffensif. Le constituant principal (en poids) du sable autodurcissant est la charge réfractaire, par rapport à laquelle sont déterminées les quantités des autres constituants. La quantité de lignosulfonates dans le sable autodurcissant est de 4 à 8 parties en poids. En effet, une quantité de lignosulfonates inférieur à 4 parties en poids rend les moules et les noyaux obtenus très fragiles et ceux-ci s'effritent fortement. Quand la quantité de lignosulfonates est supérieure à 8 parties en poids, le sable autodurcissant donne lieu à de forts dégagements gazeux. La quantité de durcisseur dans le sable autodurcissant est de 2 à 5 parties en poids. En effet, une quantité de durcisseur inférieure à 2 parties en poids diminue la résistance mécanique des moules et des noyaux obtenus, accroît leur fragilité et leur effritement. Quand la quantité du durcisseur est supérieure à 5 parties en poids, la vie en pot du sable autodurcissant diminue fortement et sa perméabilité aux gaz baisse. Il est connu que la vie en pot et la vitesse de durcissement des sables autodurcissants sont influencées par la température ambiante, dont l'élévation provoque une réduction de la vie en pot et un accroissement de la vitesse de durcissement. Plus haut, on a indiqué que la vie en pot du sable autodurcissant conforme à l'invention à 18-200C est de 12 à 15 min. Dans une série de cas, quand il faut fabriquer des moules et des noyaux de grandes dimensions et/ou de forme compliquée, cette vie s'avère insuffisante. Pour accrottre la vie en pot et régler la vitesse de durcissement du sable autodurcissant, il est recommandé d'introduire dans sa composition des phosphates solubles dans l'eau, à raison de 0,03 à 0,50 partie en poids. En tant que phosphates solubles dans l'eau, il est recommandé d'utiliser du phosphate de fer et/ou du phosphate de manganèse, ou bien du phosphate trisodique. L'utilisation de phosphates solubles dans l'eau en quantités inférieures à 0,03 partie en poids n'est pas recommandée, car, dans ce cas, ils ne se produit aucun ralentissement du durcissement. L'introduction d'une quantité de phosphates solubles dans l'eau supérieure à 0,5 partie en poids ralentit le durcissement à un tel point que la résistance mécanique des moules et des noyaux baisse (la résistance à la compression au bout de 24 h de durcissement ne dépasse pas 490 à 686 kPa). Dans le sable autodurcissant faisant 1'objet de l'invention, la charge réfractaire utilisée peut être un sable quartzeux, le zircon, la chromite, l'olivine, la chromite-magnésie, la chamotte et d'autres réfractaires connus en fonderie. Les lignosulfonates utilisés sont des produits de la transformation du bois et sont largement utilisés en fonderie en tant qu'agglomérants pour la fabrication des moules et des noyaux. On peut utiliser comme phosphates solubles dans l'eau divers phosphates très répandus, et que l'on peut introduire soit individuellement, soit en diverses combinaisons. Les phosphates préférés sont les phosphates de fer et/ou de manganèse, ou le phosphate trisodique. Le sable autodurcissant est préparé dans des mélangeurs à action continue ou discontinue. On mélange d'abord les constituants secs du sable : charge réfractaire et durcisseur, puis on introduit l'agglomérant et le brassage continue 1 ou 2 min au maximum. Le sable autodurcissant ainsi préparé est versé dans le chassies ou la boite à noyaux. Sa résistance mécanique initiale est faible, aussi se prEte-t-il bien au serrage par vibration, damage, compression, etc. Pour la préparation d'un sable autodurcissant avec addition de phosphates solubles dans l'eau, ceux-ci sont dissous au préalable dans l'agglomérant (les lignosulfonates). Le sable autodurcissant préparé par le procédé décrit est mis en oeuvre pour la fabrication des moules et des noyaux par la méthode qui est universellement adoptée en fonderie quand on utilise de tels sables. Pour une meilleure compréhension de l'invention, on donne ci-après plusieurs exemples concrets mais non limitatifs de préparation du sable autodurcissant conforme à l'invention. Les résultats des essais des éprouvettes obtenues sont indiqués dans le tableau donné après les exemples. Exemple 1 Préparation d'un sable autodurcissant de composition suivante (parties en poids) sable quartzeux 100 lignosulfonates 8 hydrogrenats 3CaO.A1203-0,01SiO2-1,7H20 5 Le sable quartzeux est mélangé avec l'hydrogrenat, puis sont introduits les lignosulfonates et le brassage continue pendant 1 à 2 min. Ces opérations sont réalisées à 18-20 OC. Le sable ainsi préparé est versé dans une botte à noyaux ou un châssis et y est maintenu à la température indiquée. Le sable durcit. Après durcissement, les éprouvettes de sable sont soumises aux essais physicomécaniques. Exemple 2 Un sable autodurcissant est préparé de la même manière que dans l'exemple 1, sa composition étant la suivante (parties en poids) zircon 100 lignosulfonates 4 hydrogrenat 3CaO-Al203-0,13SiO21,5H20 2 Exemple 3 Un sable autodurcissant est préparé de la même manière que dans l'exemple 1, sa composition étant la suivante (parties en poids) chromite 100 lignosulfonates 6 hydrogrenat SCa0A1203'0,25Si02 1,3H20 3 Exemple 4 Préparation d'un sable autodurcissant de composition suivante (parties en poids) olivine 100 lignosulfonates 7 hydro grenat 3CaO-A1203-0,20SiO2 1,4H20 4 phosphate de fer Fe(H2P04)2 0,03 Le sable autodurcissant de cette composition est préparé de la même manière que dans l'exemple 1, sauf que le phosphate de fer est mélangé au préalable avec les lignosulfonates, puis le mélange d'agglomérant et de phosphate de fer est mélangé à l'olivine et à 1 'hydrogrenat. Exemple 5 Préparation d'un sable autodurcissant de composition suivante (parties en poids) chromite-magnésie 100 lignosulfonates 5 hydrogrenat 3CaO-Al203-0,13SiO21,5H20 3 phosphate de manganèse Mn(H2P04)2 0,50 Le sable autodurcissant de cette composition est préparé de la même manière que dans l'exemple 1, sauf que le phosphate de manganèse est mélangé au préalable avec les lignosulfonates, puis le mélange d'agglomérant et de phosphate de manganèse est mélangé à la chromite-magnésie et à l'hydrogrenat. Exemple 6 Préparation d'un sable autodurcissant de composition suivante (parties en poids) sable quartzeux 100 lignosulfonates 7 hydrogrenat 3Ca0.Al203 0,25Si02.1,5H20 4 phosphate trisodique Na04.12H20 0,15 Le sable autodurcissant de cette composition est préparé de la même manière que dans l'exemple 1, sauf que le phosphate trisodique est mélangé au préalable avec les lignosulfonates, puis le mélange d'agglomérant et de phosphate trisodique est mélangé au sable quartzeux et à l'hydrogrenat. Exemple 7 Préparation d'un sable autodurcissant de composition suivante (parties en poids) sable quartzeux 100 lignosulfonates 7 hydrogrenat 3Ca0.Al203è0,01Si02.1,7H20 4 phosphate de manganèse Mn(H2P04)2 0,25 phosphate de fer Fe(H2P04)2 0,05 Le sable quartz eux à la température de 350C est mélangé à l'hydrogrenat, puis est introduit l'agglomérant (lignosulfonates) dans lequel les phosphates de fer et de manganèse ont été dissous au préalable, et le brassage continue pendant 1 à 2 min. Le sable préparé est versé dans une boite à noyaux ou un châssis et maintenu à 350C. Le tableau ci-après indique les résultats des essais physico-mécaniques des éprouvettes obtenues. Tableau N Résistance initiale à la Vie en d'exemple compression du sable pot, autodurcissant, kPa min 1 2 3 1 8,82 12 2 3,92 15 3 4,90 15 4 6,86 21 5 4,90 120 6 5,88 48 7 7,84 14 Tableau (suite) Résistance à la compression Perméa- Effri après durcissement, kPa bilité tement, aux çaz, gaz, Ih 3h 24h unites 1 4 5 ~ 6 7 8 1 490 882 1470 140 0,10 2 686 1176 1960 30 0,05 3 784 1372 2156 25 0,06 4 392 784 1568 60 0,06 5 17,64 196 1470 40 0,08 6 98 490 1666 180 0,12 7 392 686 1470 180 0,11 De la sorte, le sable autodurcissant faisant l'objet de l'invention, réalisé avec utilisation du durcisseur conforme à l'invention, est caractérisé par une résistance mécanique initiale faible, une vie en pot de valeur nécessaire et une haute perméabilité aux gaz. Les moules et noyaux fabriqués avec un tel sable autodurcissant ont une résistance mécanique suffisamment élevée et un faible effritement. L'emploi de phosphates solubles dans l'eau permet de régler dans une plage étendue la vie en pot du sable autodurcissant, ce qui est particulièrement important quand il faut fabriquer des moules et des noyaux de grandes dimensions et/ou de forme compliquée. En outre, l'introduction de phosphates solubles dans l'eau permet d'obtenir un sable autodurcissant à vie en pot de valeur nécessaire à une température ambiante de 35 à 40"C. REVENDICATIONS 1.- Sable autodurcissant pour la fabrication de moules et noyaux de fonderie, du type comprenant une charge réfractaire, des lignosulfonates et de l'aluminate de calcium, caractérisé en ce que l'aluminate de calcium est un hydrogrenat de formule générale 3CaO-Al203-xSiO2yH20 t dans laquelle x = 0,01 à 0,25 et y = 1,3 à 1,7. 2.- Sable de fonderie suivant la revendication 1, caractérisé par la composition suivante (parties en poids): charge réfractaire 100 lignosulfonates 4 à 8 hydrogrenat 2 à 5 3.- Sable autodurcissant selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il contient en outre au moins un phosphate soluble dans l'eau, à raison de 0,03 à 0,50 partie en poids. 4.- Sable autodurcissant selon l'une des revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que les phosphates solubles dans l'eau utilisés sont le phosphate de fer et/ou le phosphate de manganèse. 5.- Sable autodurcissant selon l'une des revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que le phosphate soluble dans l'eau utilisé est le phosphate trisodique.