Sable de Moulage : Types, Propriétés et Utilisations en Fonderie

Qu'est-ce que le Sable de Moulage ?

Le sable de moulage, également appelé sable de fonderie, est un sable qui, une fois humidifié et compressé, huilé ou chauffé, se compacte bien et conserve sa forme. Il est utilisé dans le processus de moulage en sable pour préparer la cavité du moule.

La matière première principale utilisée dans le moulage est le sable de moulage car il offre plusieurs caractéristiques majeures qui ne peuvent être obtenues d'autres matériaux. Le sable de moulage est défini comme des particules granulaires résultant de la décomposition des roches, due à l'action de forces naturelles telles que le gel, le vent, la pluie, la chaleur et les courants d'eau. Les roches ont une composition complexe et le sable contient la plupart des éléments des roches.

Pour cette raison, le sable de moulage diffère considérablement selon les régions du monde. Dans la nature, on le trouve au fond et sur les berges des rivières et des lacs. Le sable de moulage est classé en différentes catégories selon la nature de son origine.

Les constituants principaux des sables de moulage sont les suivants :

• Silice (SiO2) — 86 à 90 %
• Alumine (Al2O3) — 4 à 8 %
• Oxyde de fer (Fe2O3) — 2 à 5 % avec de plus petites quantités d'oxydes de Ti, Mn, Ca et quelques composés alcalins

Sable Naturel / Sable Vert

Il est également appelé sable vert et est collecté à partir de ressources naturelles. Il contient l'eau comme seul liant. Il a l'avantage de maintenir sa teneur en humidité pendant longtemps, d'avoir une large plage de travail en humidité, permettant un raccommodage et une finition faciles des moules.

Le sable vert est un agrégat de sable, d'argile bentonite, de charbon pulvérisé et d'eau. Son utilisation principale est la fabrication de moules pour la coulée de métaux. La plus grande partie de l'agrégat est toujours le sable, qui est souvent un mélange uniforme d'une forme de silice.

Il existe de nombreuses recettes pour la proportion d'argile, mais elles trouvent toutes des équilibres différents entre la malléabilité, la finition de surface et la capacité du métal en fusion chaud à se dégazer. Le charbon, généralement appelé charbon de mer, présent à un ratio inférieur à 5 %, se consume partiellement en surface du métal en fusion, entraînant un dégazage de vapeurs organiques.

Le moulage en sable est l'une des premières formes de coulée pratiquées en raison de la simplicité des matériaux impliqués. Il reste l'un des moyens les moins chers de couler les métaux pour cette même raison. D'autres méthodes de coulée, telles que celles utilisant la coquille, offrent une meilleure qualité de finition de surface mais ont un coût plus élevé.

Le sable vert (comme les autres sables de coulée) est généralement logé dans ce que les ouvriers de fonderie appellent des « flasques », qui ne sont rien d'autre que des boîtes sans fond ni couvercle. La boîte est divisée en deux moitiés qui sont empilées ensemble lors de l'utilisation. Les moitiés sont appelées respectivement flasque supérieure (cope) et flasque inférieure (drag).

Tout le sable vert n'est pas vert de couleur. Mais il est considéré comme « vert » au sens où il est utilisé à l'état humide (à l'image du bois vert). Selon le site de la Fédération des Métaux Coulés, une méthode de coulée alternative consiste à sécher le sable moulé au four avant de verser le métal en fusion. Ce processus de coulée en sable sec donne un moule plus rigide, mieux adapté aux pièces plus lourdes.

Sable Synthétique

C'est un sable artificiel obtenu en mélangeant du sable relativement exempt d'argile, un liant (eau et bentonite) et d'autres matériaux selon les besoins. C'est un meilleur sable de moulage car ses propriétés peuvent être facilement contrôlées en variant la composition du mélange.

La composition du sable synthétique vert pour les coulées en acier est la suivante :

Sable de silice neuf — 25 %, sable usagé — 70 %, Bentonite — 1,5 %, Dextrine — 0,25 %, et humidité — 3 à 3,5 %.

La composition du sable synthétique sec pour les coulées en acier est la suivante :

Sable de silice net — 15 %, sable usagé 84 %, Bentonite — 0,5 %, et humidité — 0,5 %.

En plus de cela, il existe certaines variétés de sables spéciaux tels que le Zirconite, l'Olivine, etc. Ces sables spéciaux sont plus chers que la silice et ne sont donc utilisés que lorsque leur utilisation est justifiée.

Types de Sable de Moulage

Les sables de moulage peuvent également être classés en différents types selon leur utilisation : sable de dos, sable de noyau, sable sec, sable de parement, sable vert, sable loam, sable de séparation, sable de système.

1. Sable de dos ou sable de sol

Le sable de dos ou sable de sol est utilisé pour soutenir le sable de parement et pour remplir tout le volume du flasque de moulage. Le sable de dos est parfois appelé sable noir car le sable de moulage vieux, utilisé à plusieurs reprises, est noir en raison de l'ajout de poussière de charbon et de la combustion au contact du métal en fusion.

2. Sable de noyau

Le sable de noyau est utilisé pour fabriquer les noyaux et est parfois aussi connu sous le nom de sable à l'huile. Le sable de noyau est un sable siliceux très riche mélangé à des liants à l'huile tels que l'huile de noyau composée d'huile de lin, de résine, d'huile minérale légère et d'autres matériaux liants. La poix ou les farines et l'eau peuvent également être utilisées dans les gros noyaux pour des raisons d'économie.

3. Sable sec

Le sable vert qui a été séché ou cuit dans un four approprié après la fabrication du moule et des noyaux est appelé sable sec. Il possède plus de résistance, de rigidité et de stabilité thermique. Le sable sec est principalement utilisé pour les grosses coulées. Le moule préparé avec ce sable est connu sous le nom de moule en sable sec.

4. Sable de parement

Le sable de parement forme la face du moule. Il est au contact de la surface du modèle et entre en contact avec le métal en fusion lorsque le moule est coulé. Le revêtement initial autour du modèle et donc pour la surface du moule est donné par le sable de parement. Le sable de parement a une haute résistance et réfractarité. Il est composé de sable siliceux et d'argile, sans utilisation de sable déjà utilisé.

Différentes formes de carbone sont utilisées dans le sable de parement pour empêcher le métal de brûler dans le sable. Un mélange de sable de parement pour sable vert de fonte peut consister en 25 % de sable frais spécialement préparé et 5 % de charbon de mer.

Ils sont parfois mélangés avec 6 à 15 fois plus de sable de moulage fin pour faire les parements. La couche de sable de parement dans un moule varie généralement entre 20 et 30 mm. De 10 à 15 % de la quantité totale de sable de moulage est du sable de parement.

5. Sable vert

Le sable vert est également connu sous le nom de sable tempéré ou naturel, qui est un mélange fraîchement préparé de sable siliceux avec 18 à 30 % d'argile, ayant une teneur en humidité de 6 à 8 %. L'argile et l'eau fournissent le liant pour le sable vert. Il est fin, doux, léger et poreux.

Le sable vert est humide lorsqu'on le presse dans la main et il conserve la forme et l'empreinte qu'on lui donne sous pression. Les moules préparés avec ce sable ne nécessitent pas de sable de dos et sont donc connus sous le nom de moules en sable vert.

Le sable vert est facilement disponible et peu coûteux. Il est couramment utilisé pour la production de coulées ferreuses et non ferreuses.

6. Sable loam

Le sable loam est un mélange de sable et d'argile avec de l'eau jusqu'à obtention d'une pâte plastique fluide. Le sable loam possède une teneur en argile élevée, jusqu'à 30-50 % et 18 % d'eau. Les modèles ne sont pas utilisés pour le moulage loam et la forme est donnée au moule par des balayages. Le sable loam est particulièrement employé pour le moulage loam utilisé pour les grosses coulées en fonte grise.

7. Sable de séparation

Le sable de séparation, sans liant ni humidité, est utilisé pour empêcher le sable vert de coller au modèle et pour permettre au sable de la surface de séparation du cope et du drag de se séparer sans adhérer. Le sable de séparation est un sable siliceux propre, exempt d'argile, qui remplit le même rôle que la poudre de séparation.

8. Sable de système

Dans les fonderies mécanisées où le moulage machine est employé, le sable de système est utilisé pour remplir tout le flasque de moulage. Dans les unités de préparation et de manutention mécanique du sable, le sable de parement n'est pas utilisé. Le sable usagé est nettoyé et réactivé par l'ajout d'eau et d'additifs spéciaux.

Ceci est connu sous le nom de sable de système. Puisque tout le moule est fait de ce sable de système, les propriétés telles que la résistance, la perméabilité et la réfractarité du sable de moulage doivent être supérieures à celles du sable de dos.

Propriétés du Sable de Moulage

Les propriétés de base requises dans le sable de moulage et le sable de noyau sont l'adhésivité, la cohésivité, la collapsibilité, l'écoulement, la résistance à sec, la résistance verte, la perméabilité, la réfractarité, décrites ci-dessous.

1. Adhésivité

L'adhésivité est la propriété du sable de moulage à coller ou adhérer à un matériau étranger, tel que le sable de moulage collant à la paroi interne de la boîte de moulage.

2. Cohésivité

La cohésivité est la propriété du sable de moulage par laquelle les grains de sable interagissent et s'attirent mutuellement à l'intérieur du sable de moulage. Ainsi, la capacité de liaison du sable de moulage est améliorée pour augmenter les propriétés de résistance verte, à sec et à chaud du sable de moulage et de noyau.

3. Collapsibilité

Après que le métal en fusion dans le moule se soit solidifié, le moule en sable doit être collapsible afin que la contraction libre du métal se produise, ce qui évite naturellement le déchirement ou la fissuration du métal en contraction. En l'absence de propriété de collapsibilité, la contraction du métal est entravée par le moule et entraîne des larmes et des fissures dans la coulée. Cette propriété est hautement requise dans les noyaux.

4. Résistance à sec

Dès que le métal en fusion est versé dans le moule, l'humidité dans la couche de sable adjacente au métal chaud s'évapore et cette couche de sable sec doit avoir une résistance suffisante pour conserver sa forme afin d'éviter l'érosion de la paroi du moule pendant l'écoulement du métal en fusion. La résistance à sec empêche également l'agrandissement de la cavité du moule causé par la pression métallostatique du métal liquide.

5. Écoulement ou plasticité

L'écoulement ou plasticité est la capacité du sable à se compacter et à se comporter comme un fluide. Il s'écoulera uniformément vers toutes les parties du modèle lors du tassement et répartira la pression de tassement uniformément tout autour dans toutes les directions.

Généralement, les particules de sable résistent au déplacement autour des coins ou des saillies. En général, l'écoulement augmente avec une diminution de la résistance verte et vice versa. L'écoulement augmente avec une diminution de la taille des grains de sable. L'écoulement varie également avec la teneur en humidité et en argile du sable.

6. Résistance verte

Le sable vert après avoir été mélangé à l'eau doit avoir une résistance et une ténacité suffisantes pour permettre la fabrication et la manipulation du moule. Pour cela, les grains de sable doivent être adhésifs, c'est-à-dire qu'ils doivent être capables de s'attacher à un autre corps et, par conséquent, les grains de sable ayant une adhésivité élevée colleront aux parois de la boîte de moulage.

De plus, les grains de sable doivent avoir la propriété connue sous le nom de cohésivité, c'est-à-dire la capacité des grains de sable à coller les uns aux autres. En vertu de cette propriété, le modèle peut être retiré du moule sans le casser, et l'érosion des surfaces des parois du moule ne se produit pas pendant l'écoulement du métal en fusion.

La résistance verte dépend également de la forme et de la taille des grains, de la quantité et du type d'argile et de la teneur en humidité.

7. Perméabilité

La perméabilité est également appelée porosité du sable de moulage afin de permettre l'échappement de tout air, gaz ou humidité présents ou générés dans le moule lorsque le métal en fusion y est versé. Tous ces gaz générés pendant les processus de coulée et de solidification doivent s'échapper, sinon la coulée devient défectueuse.

La perméabilité est une fonction de la taille des grains, de la forme des grains, et de la teneur en humidité et en argile dans le sable de moulage. L'étendue du tassement du sable affecte directement la perméabilité du moule. La perméabilité du moule peut être encore augmentée par le ventage à l'aide de tiges de ventilation.

8. Réfractarité

La réfractarité est définie comme la capacité du sable de moulage à résister à des températures élevées sans se décomposer ou fondre, permettant ainsi d'obtenir une coulée saine. C'est une caractéristique très importante des sables de moulage. La réfractarité ne peut être augmentée que dans une mesure limitée.

Un sable de moulage avec une faible réfractarité peut brûler sur la surface de la coulée et aucune surface de coulée lisse ne peut être obtenue. Le degré de réfractarité dépend de la teneur en SiO2, c'est-à-dire en quartz, et de la forme et de la taille granulométrique de la particule.

Plus la teneur en SiO2 est élevée et plus la composition volumique des grains est rugueuse, plus la réfractarité du sable de moulage et du sable de noyau est élevée. La réfractarité est mesurée par le point de frittage du sable plutôt que par son point de fusion.

9. Propriétés diverses du sable de moulage

En plus des exigences ci-dessus, le sable de moulage ne doit pas coller à la coulée et ne doit pas réagir chimiquement avec le métal. Le sable de moulage doit être économiquement bon marché et facilement disponible dans la nature. Il doit être réutilisable pour des raisons économiques. Ses coefficients de dilatation thermique doivent être suffisamment faibles.