Sable de moulage : propriétés, types et production en fonderie

Dans cet article, nous allons étudier ce qu'est le sable de moulage, ses propriétés et ses différents types.

Le matériau principal utilisé en fonderie pour le moulage est le sable, car il possède les propriétés essentielles à cet usage.

Origines

Tous les sables résultent de la fragmentation des roches sous l'action de forces naturelles : gel, vent, pluie, chaleur et courants d'eau. Les roches étant complexes, les sables contiennent la plupart des éléments des roches dont ils sont issus. C'est pourquoi les sables de moulage varient considérablement selon les régions. Aujourd'hui, le sable est extrait d'anciens lits et berges de rivières ainsi que de dunes.

En Inde, les sables de fonderie se trouvent dans les zones de Damodar et Barakar, Santhal Pargana (Bihar), Batala (Gurdaspur, Pendjab), Bhavnagar (Saurashtra), Londha (Maharashtra), Avadi et Veeriyambakam (Madras), Kanpur, Jabalpur, Rajkot, Guntur, dans le Gange et bien d'autres lieux.

Principaux composants

Les ingrédients principaux du sable de moulage sont : (1) grains de sable siliceux, (2) argile, (3) humidité et (4) matériaux divers.

La silice, sous forme de quartz granulaire, est le constituant principal. Le sable siliceux contient 80 à 90 % de dioxyde de silicium et se caractérise par une haute température de ramollissement et une grande stabilité thermique.

Il provient de la fragmentation de roches quartzitiques ou de la décomposition du granite, composé de quartz et de feldspath. Le feldspath décomposé devient de l'argile (silicate d'aluminium hydraté). Les grains de silice confèrent au sable sa réfractarité, sa résistance chimique et sa perméabilité. Ils sont classés selon leur taille et forme moyennes.

L'argile est définie comme les particules de sable (inférieures à 20 microns) qui ne sédimentent pas à une vitesse de 25 mm/min en suspension dans l'eau. Elle comprend deux éléments : le limon fin et la vraie argile. Le limon fin est une impureté minérale sans pouvoir liant.

C'est la vraie argile qui donne au sable de moulage sa résistance de liaison, permettant au moule de garder sa forme après le tasseau. La vraie argile est constituée d'agrégats cristallins minuscules, généralement en feuillets, appelés minéraux d'argile. La plupart des sables de moulage contiennent 5 à 20 % d'argile. L'humidité, en quantité adéquate, active le pouvoir liant de l'argile.

Lorsque l'eau est ajoutée à l'argile, elle pénètre le mélange et forme un microfilm qui enrobe les particules feuilletées. La qualité de liaison dépend de l'épaisseur maximale du film d'eau que l'argile peut maintenir. La liaison est optimale si l'eau ajoutée correspond exactement à la quantité nécessaire pour former ce film. Un excès d'eau affaiblit le moule. La teneur en eau doit être comprise entre 2 et 8 %.

Les matériaux divers présents en plus de la silice et de l'argile sont : oxyde de fer, calcaire, magnésie, soude et potasse. Les impuretés doivent rester inférieures à 2 %.

Classification

Les sables de moulage se classent généralement en trois types : (1) sables de moulage naturels, (2) sables synthétiques ou à haute teneur en silice et (3) sables spéciaux.

1. Sables de moulage naturels

Les sables de moulage naturels, appelés sables verts, sont prélevés dans les lits de rivières ou extraits de carrières. Ils contiennent une quantité appréciable d'argile qui lie les grains de sable et sont utilisés tels quels avec adjonction d'eau. La quantité et le type de minéral d'argile influencent la résistance, la ténacité et la réfractarité du sable.

Ils peuvent aussi être obtenus par concassage et broyage de grès jaune tendre, de roches carbonifères, etc. Lors du broyage, les agrégats d'argile se décomposent et les particules se répartissent uniformément sur les grains de sable. La forme des grains doit être sous-angulaire à arrondie.

Grâce à leur disponibilité, leur faible coût et leur grande souplesse d'utilisation, les sables naturels servent pour la plupart des pièces en métaux ferreux et non ferreux légers. Leurs exigences sont définies par la norme IS: 3343-1965, qui les classe en trois grades A, B et C selon leur teneur en argile et leur température de frittage.

2. Sables synthétiques

Les sables synthétiques sont essentiellement des sables à haute teneur en silice contenant peu (moins de 2 %) ou pas de liant (argile) à l'état naturel. Ils se présentent sous forme de dépôts sédimentaires meubles ou mal consolidés, de dunes soufflées vers l'intérieur des terres ou de dépôts accumulés dans les estuaires et les rivières côtières.

Ils sont également produits en fonderie en concassant des grès quartzitiques, puis en les lavant et les classant pour obtenir un sable de forme et de distribution granulométrique requises. Les propriétés de résistance et de liaison souhaitées sont obtenues par des ajouts séparés : bentonite, eau et autres additifs.

Cela permet une plus grande flexibilité pour ajuster à volonté des propriétés telles que la résistance verte et sèche, la perméabilité, etc. Par conséquent, les sables synthétiques sont plus coûteux que les sables naturels.

La norme IS: 1987-1974 couvre les exigences des sables à haute teneur en silice pour la fonderie et les classe en trois grades selon la teneur en silice.

3. Sables spéciaux

Les sables spéciaux permettent d'obtenir des caractéristiques particulières non rencontrées dans les sables ordinaires. On utilise souvent le zircon, l'olivine, la chamotte, la chromite et le chrome-magnésite. Les sables de zircon conviennent aux noyaux pour les fontes de laiton et de bronze. Certaines fonderies emploient le sable d'olivine pour les pièces non ferreuses complexes. La chamotte est précieuse pour les grosses pièces en acier.

Les sables de chromite et de chrome-magnésite sont particulièrement utiles pour augmenter la puissance de refroidissement et contrôler la solidification. Ils servent aussi de matériaux de parement dans les moules pour fontes d'acier.

Types de sable de moulage selon l'usage

Les sables de moulage peuvent être reclassés selon leur utilisation en plusieurs variétés, décrites ci-dessous.

Sable vert (Green Sand)

C'est un mélange de sable siliceux avec 18 à 30 % d'argile, contenant 6 à 8 % d'eau totale. L'argile et l'eau assurent la liaison. Il est fin, tendre, léger et poreux. Étant humide, il conserve la forme donnée sous pression. Les moules ainsi préparés sont appelés moules en sable vert.

Sable sec (Dry Sand)

Le sable vert séché ou cuit après la confection du moule est appelé sable sec. Il convient aux pièces de grande taille. Les moules sont dits moules en sable sec.

Sable gras (Loam Sand)

Le sable gras contient jusqu'à 50 % d'argile et durcit au séchage. Il est utilisé pour le moulage en sable gras, généralement pour les grosses pièces.

Sable de parement (Facing Sand)

Le sable de parement forme la face du moule, en contact direct avec le modèle et le métal en fusion. Il subit les conditions les plus sévères et doit posséder une haute résistance et réfractarité.

Il est composé de sable siliceux et d'argile, sans adjonction de sable usagé. Différentes formes de carbone empêchent le métal de pénétrer dans le sable. On le mélange parfois avec 6 à 15 fois plus de sable de moulage fin pour obtenir des parements.

L'épaisseur de la couche de parement varie de 20 à 30 mm. De 10 à 15 % du sable total utilisé en fonderie est du sable de parement. Un mélange pour le moulage en sable vert de fonte peut contenir 25 % de sable frais spécialement préparé, 70 % de sable usagé et 5 % de charbon de mer.

Sable de remplissage (Backing Sand)

Le sable de remplissage (ou sable de fond) soutient le sable de parement et remplit tout le volume du châssis. On utilise principalement du sable de moulage usagé à plusieurs reprises.

Il est parfois appelé sable noir car l'ancien sable devient noir à cause de la poussière de charbon et de la combustion au contact du métal en fusion.

Sable de système (System Sand)

Dans les fonderies mécanisées où le moulage machine est employé, on utilise un sable dit « de système » pour remplir tout le châssis. Dans les unités de préparation et de manutention mécanisées, pas de sable de parement n'est utilisé. Le sable usagé est nettoyé et réactivé par adjonction d'eau, de liants et d'additifs spéciaux. C'est le sable de système. Comme tout le moule est fait de ce sable, sa résistance, perméabilité et réfractarité doivent être supérieures à celles du sable de remplissage.

Sable de séparation (Parting Sand)

Le sable de séparation empêche le sable vert d'adhérer au modèle et permet la séparation des surfaces de joint du copeau et du chassis sans accrochage. C'est un sable siliceux propre, sans argile, servant de poudre de séparation.

Sable à noyaux (Core Sand)

Le sable utilisé pour faire les noyaux est appelé sable à noyaux, parfois sable à l'huile. C'est du sable siliceux mélangé à de l'huile de noyau composée d'huile de lin, de résine, d'huile minérale légère et d'autres liants. Du goudron, de la farine et de l'eau peuvent être utilisés pour les gros noyaux par économie.

Propriétés du sable de moulage

Quelles sont les propriétés du sable de moulage ?

Un bon sable de moulage doit posséder six propriétés : porosité, fluidité, collapsibilité, adhésivité, cohésivité (ou résistance) et réfractarité.

1. Porosité : La propriété la plus importante, aussi appelée perméabilité. C'est la capacité du sable à laisser passer les gaz. Lors du coulage, des gaz et de la vapeur se forment. Cette propriété dépend de la forme et de la taille des grains, ainsi que de la quantité d'argile, de liant et d'humidité.
2. Fluidité : Aptitude du sable à combler les moindres interstices du modèle. Une fluidité élevée donne un moule plus précis, utile pour les pièces détaillées.
3. Collapsibilité : Capacité du mélange à s'effondrer sous l'effort. Une bonne collapsibilité permet au métal de se rétracter librement lors de la solidification, évitant les déchirures à chaud et les fissures.
4. Adhésivité : Propriété qui fait adhérer les grains de sable aux parois du chassis. L'adhérence du sable permet de lever le copeau avec le sable.
5. Cohésivité : Capacité des particules de sable à rester ensemble. C'est la résistance à la traction du sable. Essentielle pour conserver les formes complexes du moule. Une résistance insuffisante peut provoquer l'effondrement du moule lors de la manipulation, du retournement ou de la fermeture. L'ajout d'argile et de bentonite améliore la cohésivité.
6. Réfractarité : Aptitude à résister aux hautes températures du métal en fusion sans fusionner ni ramollir. Les sables à faible réfractarité peuvent s'enflammer au contact du métal. Les moules en sable doivent généralement supporter jusqu'à 1650 °C.
7. Résistance : La résistance du sable séché ou cuit est appelée résistance sèche. Elle doit supporter les forces érosives du métal en fusion et garder sa forme.

Procédé de moulage en sable

Le moulage en sable, aussi appelé coulée en sable ou procédé de moulage en sable, est un procédé de fabrication par coulée utilisant un moule en sable. Il produit des pièces métalliques de tailles et formes variées. En perspective, le moulage en sable représente plus de 60 % de toutes les pièces moulées. Les six étapes principales sont détaillées ci-dessous.

Étape 1 : Placer le modèle dans le sable

Le positionnement du modèle dans le sable est la première étape. Le modèle détermine directement la taille et la forme de la pièce. Les fabricants doivent donc créer de nouveaux modèles pour produire des pièces aux dimensions et formes spécifiques.

Étape 2 : Établir un système de coulée

Un système de coulée est utilisé dans presque tous les procédés de coulée. Il canalise le métal en fusion vers l'empreinte du moule via une coupelle de coulée et des canaux ou « portes ». Les entreprises mettent en place ce système après avoir positionné le modèle dans le sable.

Étape 3 : Retirer le modèle

Une fois le système de coulée en place, le modèle est retiré du sable. Il devient superflu car le sable a pris sa forme. Le retrait est alors possible.

Étape 4 : Verser le métal en fusion dans l'empreinte

On verse alors le métal en fusion dans l'empreinte. Fonte, acier, aluminium, bronze, magnésium, zinc, étain et bien d'autres alliages peuvent être coulés en sable. Selon le métal, il faut chauffer jusqu'à 3000 °F (environ 1650 °C). Une fois liquide, le métal est versé dans l'empreinte.

Étape 5 : Laisser refroidir le métal

Il faut attendre que le métal en fusion refroidisse. Les temps de refroidissement varient selon les métaux. Le métal passe de l'état liquide à l'état solide.

Étape 6 : Briser le moule pour extraire la pièce

La dernière étape consiste à briser le moule pour récupérer la pièce moulée. Les modèles sont généralement réutilisables, mais les moules ne le sont pas. À chaque nouvelle pièce, un nouveau moule doit être fabriqué.

Collapsibilité du sable de moulage

La collapsibilité du sable de moulage désigne sa capacité à être facilement retiré de la pièce après solidification. Les sables à faible collapsibilité adhèrent fortement à la pièce. Une mauvaise collapsibilité provoque fissures et déchirures à chaud dans les pièces qui se déforment beaucoup au refroidissement ou qui ont de larges intervalles de solidification. Des additifs peuvent améliorer la collapsibilité.

QCM

1. La perméabilité peut être définie comme la propriété du sable de moulage

A. à maintenir les grains de sable ensemble
B. à laisser les gaz s'échapper facilement du moule
C. à résister à la chaleur du métal sans ramollissement
D. aucune des réponses ci-dessus

Réponse : Option B

2. Pourquoi le sable de moulage doit-il être poreux ?

A. Pour que les gaz entrent
B. Pour que l'eau entre
C. Pour que les gaz s'échappent
D. Pour que l'eau s'échappe

Réponse : Option C
Explication : Un sable de moulage est défini comme un sable qui a des pores et peut contenir une certaine humidité. Il doit être poreux pour que les gaz s'échappent librement.

Cet article a couvert tous les aspects du sable de moulage : définition, propriétés, procédés de moulage en sable vert et sec, collapsibilité et QCM.