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Sable (fonderie)

Le sable de fonderie est un élément essentiel de la préparation des moules qui concerne deux secteurs de la fonderie :

  1. Le secteur sablerie qui stocke, prépare les mélanges, achemine la matière vers l’atelier de moulage en sable, puis récupère le sable usé pour, soit le régénérer, soit le transporter en décharge.
  2. Le secteur noyautage qui possède, dans les grandes fonderies, sa propre préparation de mélange sable+résine+catalyseur, au plus près des machines de moulage des noyaux.

Caractéristiques

Moule en sable.

Un sable de fonderie doit satisfaire Ă  deux exigences fondamentales qui sont :

  • la mise en forme au contact d’un modèle mère en Ă©pousant tous ses dĂ©tails. Le serrage du sable est effectuĂ© par un effort manuel ou mĂ©canique (pression, secousse, vibration, projection mĂ©canique ou pneumatique) ;
  • la conservation de cette forme jusqu’à la solidification complète du mĂ©tal ; cela sous-entend des caractĂ©ristiques mĂ©caniques suffisantes pour rĂ©sister Ă  la pression statique du mĂ©tal liquide ainsi qu’à la pression dynamique (afin d’éviter les phĂ©nomènes d’érosion) sans pour autant faire obstacle au retrait du mĂ©tal en cours de solidification.

D'autres propriétés sont également nécessaires :

  • la rĂ©fractaritĂ©, car le sable doit prĂ©senter une tempĂ©rature de fusion supĂ©rieure Ă  la tempĂ©rature de coulĂ©e de l’alliage considĂ©rĂ© ;
  • la permĂ©abilitĂ©, qui permet l’évacuation des gaz contenus dans l’empreinte du moule ou gĂ©nĂ©rĂ©s lors de la coulĂ©e ;
  • l’absence des rĂ©actions moule-mĂ©tal susceptibles de crĂ©er des dĂ©fauts d’inclusions solides ou gazeuses dans le mĂ©tal constituant la pièce ;
  • la facilitĂ© de dĂ©cochage, afin de pouvoir sĂ©parer facilement la pièce obtenue de son moule.

Composition générale

La satisfaction de l’ensemble des exigences ci-dessus fait qu’un sable de fonderie est très généralement composé de trois catégories de matériaux qui sont :

  • un matĂ©riau granuleux ou sable de base qui en constitue la masse principale, en quelque sorte son squelette rĂ©fractaire ;
  • un liant organique ou minĂ©ral[1] destinĂ© Ă  agglomĂ©rer les grains entre eux et qui doit obligatoirement pouvoir Ă©voluer de l’état liquide ou plastique Ă  l’état solide, c’est le phĂ©nomène de durcissement ;
  • un certain nombre d’adjuvants, sans pouvoir liant mais nĂ©anmoins nĂ©cessaires Ă  la rĂ©ussite d’un moulage, destinĂ©s Ă  confĂ©rer des propriĂ©tĂ©s secondaires comme l'Ă©tat de surface ou bien les propriĂ©tĂ©s de dĂ©moulage (du modèle).

Il existe trois types de sable :

  • le sable naturel ;
  • le silico-argileux ;
  • le sable Ă  prise chimique.

Sable naturel

Il est directement extrait de carrière et se compose de silice, d’argile en forte proportion et de poussières. C'est la version « naturelle » du sable silico-argileux.

Sable silico-argileux

Les sables silico-argileux, dits aussi synthétiques par opposition aux sables naturels, sont constitués d'un réfractaire (silice) aggloméré par de l'argile activée par de l'eau. Des additifs sont ajoutés à ce sable afin d'en améliorer son comportement à la coulée

Les constituants du sable sont :

  • le sable siliceux ;
  • l'argile, souvent du type bentonite ;
  • les additifs carbonĂ©s ;
  • l'eau ;
  • d'autres Ă©lĂ©ments Ă©ventuellement.

Sable siliceux

La silice (SiO2) est largement répandue sur Terre. Extrait de carrières, le sable brut est traité par lavage, classé en fonction de sa granulométrie, puis séché. La pureté des sables ainsi traité avoisine les 99,5 %. Le choix du sable dépend de sa granulométrie c’est-à-dire de la taille des grains qui le constitue. Elle est définie par le calcul de l'indice de finesse du sable (indice AFS).

L'indice de finesse a une échelle définie tel que le plus petit indice représente une granulométrie grossière, exemple le 35 AFS, le plus fort indice représente une granulométrie fine, par exemple 120 AFS. Un indice élevé favorise l'état de surface de la pièce brute au détriment de la perméabilité du moule et vice versa. De plus un indice élevé amène à une vitrification plus précoce du sable. Dans les fonderies d'alliages ferreux cet indice est de l'ordre 55 à 65 AFS (cas des fontes), plus élevé dans le cas des alliages légers (où le problème de vitrification ne se pose pas).

La tempĂ©rature de vitrification de la silice pure est de 1 700 °C.

L'argile

L’argile, généralement de la bentonite, sert de liant entre les grains de silice par enrobage de ces grains. Cette argile est activée par de l’eau (masse d’eau incorporée égale au tiers de la masse d’argile).

Les additifs carbonés

Il est principalement constituĂ© de noir minĂ©ral. Ce produit est un charbon pulvĂ©risĂ© dont la taille des particules est infĂ©rieure Ă  80 ÎĽm. Son rĂ´le dans le sable de moulage est d'Ă©viter l'abreuvage, la pĂ©nĂ©tration de l'alliage entre les grains de sable.

L'eau

Son rôle est d'activer l'argile afin de lui conférer sa plasticité.

Sable Ă  prise chimique

Il est composé de silice (pour l'aluminium et les fontes) ou de chromite (pour les aciers), de résines (environ 1 % à 2 % de la masse du sable) et d'un catalyseur (5 à 60 % de la masse de résine). La polymérisation des résines, déclenchée par le catalyseur permet d’assurer la cohésion entre les grains de sable. L’ajout des résines et du catalyseur se fait juste avant le moulage, généralement à l'aide d'un malaxeur à vis rapide, muni de pompes doseuses qui délivre la quantité de sable préparé nécessaire à la réalisation d'un moule. La « durée de vie » de ce sable préparé (temps pendant lequel il peut être travaillé avant durcissement) est ajustable en fonction de la taille des moules à réaliser. Généralement de l'ordre de 5 minutes, elle peut être allongée jusqu'à 15 minutes pour le moulage de grosses pièces. L'ajustage de ce temps se fait en jouant sur le dosage du catalyseur. Le sable est stocké «à sec», généralement dans un silo situé au-dessus ou à proximité du malaxeur.
Il existe plusieurs types de résines, comme la « furanique » ou le « PEP-SET » (polyuréthane), par exemple.

Comparaison des trois types de sables

  • Le sable silico-argileux a des propriĂ©tĂ©s mĂ©caniques faibles vis-Ă -vis du sable Ă  prise chimique.
  • Le sable silico-argileux est employĂ© dans le moulage de pièce de faible dimension (de 10 Ă  800 mm), de la fabrication unitaire Ă  la très grande sĂ©rie, tandis que le moulage par sable Ă  prise chimique permet aussi de rĂ©aliser de grosses pièces (de quelques grammes Ă  80 tonnes), mais gĂ©nĂ©ralement en faibles sĂ©ries (1 Ă  2000 pièces).
  • Le sable naturel est rĂ©servĂ© aux fonderies d'art car il donne une peau de pièce remarquable, cependant il est peu permĂ©able et nuit Ă  l’évacuation des gaz lors de la coulĂ©e, ce qui n'est pas gĂŞnant avec ce type de production car les pièces sont entièrement retravaillĂ©es, mais n'est pas admissible pour certaines pièces techniques (porositĂ© de gazage). Ainsi, ce type de sable nĂ©cessite le perçage d'Ă©vents ("CheminĂ©e d'Ă©vacuation des gaz") dans le moule afin d'Ă©vacuer les gaz emprisonnĂ©s dans l'empreinte lors de la coulĂ©e. Le moule en sable naturel nĂ©cessite un Ă©tuvage pour permettre de les sĂ©cher car il contient beaucoup d'eau.

Recyclage

Ces sables sont recyclables[2], le premier par dépoussiérage, ajout d’argile, ajout de sable neuf (rarement) et ajout d’eau. Le second par calcination, broyage dépoussiérage.
Après ces opérations ils sont réintroduits dans des silos de stockage ou des trémies pour être de nouveau utilisé. Cependant, il est souvent nécessaire, dans le cas du sable à prise chimique, d'utiliser du sable neuf au contact de la pièce, le sable recyclé servant à remplir les zones du moules sans contact avec le métal ; ou bien d'incorporer une certaine proportion de sable neuf au mélange. C'est pourquoi on utilise généralement :

  • soit deux silos distincts ;
  • soit des silos munis d'une sĂ©paration.

Notes et références

Articles connexes

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