Comprendre le sable de moulage : types, propriétés et rôle dans le moulage en sable

Qu'est-ce que le sable de moulage ?

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

La matière première principale du moulage est le sable de moulage car il fournit plusieurs caractéristiques majeures non obtenables d'autres matériaux. Le sable de moulage est défini comme particules granulaires résultant de la décomposition de roches, due à l'action de forces naturelles : gel, vent, pluie, chaleur, 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 lacs. Il est classé en catégories selon la nature de son origine.

Les constituants principaux des sables de moulage sont :

• 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

Également appelé sable vert, collecté dans les ressources naturelles. Il contient l'eau comme seul liant. Il a l'avantage de maintenir sa teneur en humidité longtemps, une large plage de travail d'humidité, permettant un rapiéçage et finition faciles des moules.

Le sable vert est un agrégat de sable, argile bentonite, charbon pulvérisé et eau. Son usage principal : fabrication de moules pour coulée de métal. La plus grande partie est toujours le sable, souvent un mélange uniforme d'une forme de silice.

Il y a de nombreuses recettes pour la proportion d'argile, toutes trouvant différents équilibres entre moulabilité, finition de surface, et capacité du métal en fusion à dégazer. Le charbon (charbon de mer), présent à < 5 %, se consume partiellement en surface du métal fondu, entraînant un dégazage de vapeurs organiques.

Le moulage en sable est l'une des premières formes de coulée pratiquées grâce à la simplicité des matériaux. Il reste l'un des moyens les moins chers de couler les métaux pour cette même simplicité. D'autres méthodes (coquille) offrent une meilleure finition de surface mais coûtent plus cher.

Le sable vert (comme les autres sables de coulée) est généralement logé dans ce que les fondeurs appellent « flasques », qui sont des boîtes sans fond ni couvercle. La boîte est divisée en deux moitiés empilées. Les moitiés sont appelées chape et panne.

Tout le sable vert n'est pas vert en couleur. Mais considéré « vert » au sens où il est utilisé à l'état humide (comme le bois vert). Selon la Cast Metals Federation, une méthode alternative est de sécher le sable moulé avant de couler le métal fondu. Ce processus de moulage en sable sec donne un moule plus rigide, mieux adapté aux coulées lourdes.

Sable synthétique

Sable artificiel obtenu en mélangeant du sable relativement sans argile, liant (eau et bentonite), et autres matériaux requis. Meilleur sable de moulage car ses propriétés sont facilement contrôlables en variant le mélange.

Composition du sable vert synthétique pour coulées d'acier :

Nouveau sable silice — 25 %, vieux sable — 70 %, Bentonite — 1,5 %, Dextrine — 0,25 %, humidité — 3 à 3,5 %.

Composition du sable sec synthétique pour coulées d'acier :

Sable silice net — 15 %, vieux sable 84 %, Bentonite — 0,5 %, humidité — 0,5 %.

En plus, certaines variétés de sables spéciaux : Zirconite, Olivine, etc. Plus chers que la silice, utilisés seulement quand justifié.

Types de sable de moulage

Les sables de moulage peuvent aussi être classés en types selon leur usage : sable de dos, sable de noyau, sable sec, sable de face, sable vert, sable de loupe, sable de partage, sable de système.

1. Sable de dos ou sable de sol

Utilisé pour soutenir le sable de face et remplir tout le volume du châssis de moulage. Parfois appelé sable noir car le vieux sable réutilisé est noir à cause de la poussière de charbon et de la brûlure au contact du métal fondu.

2. Sable de noyau

Utilisé pour faire les noyaux, aussi appelé sable à huile. Sable silice très riche mélangé avec liants huileux comme l'huile de noyau (huile de lin, résine, huile minérale légère, autres liants). Brai ou farines et eau aussi pour gros noyaux par économie.

3. Sable sec

Sable vert séché ou cuit au four après fabrication moules et noyaux. Possède plus de résistance, rigidité, stabilité thermique. Principalement pour grosses coulées. Moules = moules en sable sec.

4. Sable de face

Forme la face du moule. Au contact du modèle et du métal fondu lors de la coulée. Le revêtement initial autour du modèle et donc pour la surface du moule est donné par le sable de face. Haute résistance, réfractarité. Fait de sable silice et argile, sans sable déjà utilisé.

Différentes formes de carbone utilisées pour empêcher le métal de brûler dans le sable. Mélange pour fonte : 25 % frais spécialement préparé et 5 % charbon de mer.

Parfois mélangés avec 6-15 fois plus de sable fin pour faire les faces. Couche de sable de face : 20-30 mm. 10 à 15 % du total du sable de moulage est le sable de face.

5. Sable vert

Aussi appelé sable temperé ou naturel, mélange fraîchement préparé de sable silice avec 18 à 30 % argile, humidité 6 à 8 %. L'argile et l'eau fournissent le liant. Fin, doux, léger, poreux.

Humide quand pressé dans la main, garde la forme et l'empreinte sous pression. Moules par ce sable ne nécessitent pas de soutien et sont moules en sable vert.

Facilement disponible, faible coût. Couramment employé pour productions de fontes ferreuses et non-ferreuses.

6. Sable de loupe

Mélange de sable et argile avec eau en pâte plastique mince. Haute teneur en argile 30-50 % et 18 % eau. Modèles non utilisés pour moulage en loupe, forme donnée par balayages. Particulièrement employé pour moulage en loupe pour grosses fontes grises.

7. Sable de partage

Sans liant ni humidité, empêche le sable vert de coller au modèle et permet au sable de la surface de partage chape/panne de se séparer sans adhérer. Sable silice propre sans argile, même but que poudre de partage.

8. Sable de système

Dans fonderies mécanisées où moulage machine est employé. Remplit tout le châssis. Dans préparation et manutention mécaniques du sable, sable de face non utilisé. Sable usagé nettoyé et réactivé par ajout d'eau et additifs spéciaux.

C'est le sable de système. Comme tout le moule est fait de ce sable, les propriétés (résistance, perméabilité, réfractarité) doivent être supérieures à celles du sable de dos.

Propriétés du sable de moulage

Propriétés de base requises dans sable de moulage et sable de noyau : adhésivité, cohésivité, collapsibilité, fluidité, résistance à sec, résistance verte, perméabilité, réfractarité.

1. Adhésivité

Propriété du sable de moulage à coller/adherer à matériau étranger (ex: paroi intérieure du châssis).

2. Cohésivité

Propriété par laquelle les grains de sable interagissent et s'attirent dans le sable de moulage. Améliore la capacité de liaison pour augmenter résistance verte, à sec, à chaud.

3. Collapsibilité

Après solidification du métal dans le moule, le moule en sable doit être collapsible pour que la contraction libre du métal se produise, évitant déchirures ou fissures. Sans collapsibilité, la contraction est entravée par le moule = larmes et fissures dans la coulée. Propriété très requise dans les noyaux.

4. Résistance à sec

Dès que le métal fondu est coulé, l'humidité dans la couche de sable adjacente au métal chaud s'évapore et cette couche de sable sec doit avoir résistance suffisante pour garder sa forme et éviter l'érosion de la paroi du moule pendant l'écoulement du métal. Empêche aussi l'agrandissement de la cavité par la pression métallostatique du métal liquide.

5. Fluidité ou plasticité

Capacité du sable à se compacter et se comporter comme un fluide. S'écoule uniformément vers toutes portions du modèle quand pilonné et distribue la pression uniformément.

Généralement, grains de sable résistent à bouger autour de coins/saillies. Fluidité augmente avec diminution résistance verte et vice versa. Augmente avec diminution taille de grain. Varie aussi avec humidité et teneur en argile.

6. Résistance verte

Le sable vert après ajout d'eau doit avoir résistance et ténacité suffisantes pour permettre fabrication et manutention du moule. Grains doivent être adhésifs (capables de s'attacher à un autre corps). Grains à haute adhésivité collent aux parois du châssis.

Grains doivent avoir cohésivité (capacité à coller entre eux). Grâce à cela, le modèle peut être retiré sans casser le moule, et pas d'érosion des parois pendant l'écoulement du métal.

La résistance verte dépend aussi forme/taille grains, quantité/type argile, teneur en humidité.

7. Perméabilité

Perméabilité = porosité du sable pour permettre l'échappement de tout air, gaz ou humidité présents ou générés dans le moule quand le métal fondu est coulé. Tous ces gaz générés pendant coulée et solidification doivent s'échapper sinon la coulée devient défectueuse.

Perméabilité fonction de taille grain, forme grain, humidité, teneur argile. Pilonnage affecte directement perméabilité. Peut être augmentée par eventage avec tiges d'eventage.

8. Réfractarité

Capacité du sable de moulage à résister aux hautes températures sans se décomposer ou fondre, facilitant coulée saine. Caractéristique très importante. Réfractarité ne peut être augmentée que dans une limite.

Sable à faible réfractarité peut brûler sur la surface de la coulée = pas de surface lisse. Degré dépend teneur SiO₂ (quartz), forme et taille grain.

Plus la teneur SiO₂ et plus la composition volumétrique grainière est rugueuse, plus la réfractarité est haute. Mesurée par point de frittage plutôt que point de fusion.

9. Propriétés diverses

En plus : le sable ne doit pas coller à la coulée ni réagir chimiquement avec le métal. Doit être économiquement bon marché et facilement disponible. Réutilisable pour raisons économiques. Coefficients d'expansion thermique suffisamment faibles.