Sable de moulage : Composition, utilisations et avantages en moulage en sable

Utilisé dans le processus de moulage en sable pour préparer la cavité du moule. Communément appelé « sable vert », c'est un agrégat de sable, argile bentonite, poudre de charbon et eau. Son usage principal : moules de coulée de métaux. La plus grande partie est toujours le sable, souvent un mélange homogène de silice.

De nombreuses recettes pour les ratios d'argile, mais toutes équilibrent formabilité, finition de surface et capacité du métal en fusion à dégazer. Le charbon (carbone de mer), <5 %, brûle partiellement à la surface du métal en fusion, entraînant le dégazage de vapeurs organiques.

Le moulage en sable est l'une des premières formes de coulée pratiquées grâce à la simplicité des matériaux. Pour la même raison, il reste l'une des méthodes de coulée de métal les moins chères.

D'autres méthodes (coquille) offrent meilleure finition de surface mais coût plus élevé. Le sable vert (comme autres sables de fonderie) est stocké en fonderie dans des « flasques » : boîtes sans fond ni couvercle.

La boîte est divisée en deux moitiés empilées pour l'usage. Moitiés appelées « chapeau » et « flasque de moulage ».

Un conteneur spécial en bronze est versé dans le sable vert formant une forme creuse continue dans le moule. Le dessous peut être rempli de métal en fusion et devenir une pièce finie. Tout le sable vert n'est pas vraiment vert. Mais considéré « vert » car utilisé humide (comme le bois vert).

Selon certaines sources, d'autres méthodes sèchent le sable moulé à chaud avant de verser le métal en fusion. Ce processus de coulée sèche donne un moule plus rigide, mieux adapté aux pièces lourdes.

Histoire du sable de moulage

Pas de records explicites attribuant la première coulée de métal et l'usage du sable de fonderie, mais artefacts et écrits anciens remontent à ~3200 av. J.-C. en Mésopotamie. L'histoire est difficile à étudier car ces pratiques précèdent l'écriture.

Le sable de moulage était utilisé exclusivement pour les coulées de bronze pionnières par les Chinois anciens. Avancée importante en Inde 500 av. J.-C. : création d'acier au creuset. Sir Humphrey Davy fit les premières coulées d'aluminium en Grande-Bretagne vers 1808.

Actuellement, capacité de production US : >8 millions tonnes fonte, 1,4 million tonnes acier, 1,7 million tonnes aluminium, 321 000 tonnes cuivre.

L'industrie moderne du métal a innové grâce à l'énorme amélioration de la qualité du sable due à un meilleur outillage, métallurgie et compréhension des propriétés des métaux.

Sources du sable de moulage

Sources générales : rivages marins, rivières, lacs, déserts, éléments rocheux granulaires. Sables de moulage : naturels ou synthétiques.

• Naturels : contiennent suffisamment de liant.
• Synthétiques : préparés artificiellement avec ingrédients de base (sable quartz 85–91 %, liant 6–11 %, humidité 2–8 %) et additifs en proportions pondérales appropriées, mélange et broyage parfaits avec équipement adéquat.

Ingrédients du sable de moulage

Composants principaux : sable quartz, liant, humidité, additifs. Sable siliceux granulaire = composant principal du sable de fonderie, réfractarité suffisante pour conférer résistance, stabilité, perméabilité au sable de moulage et sable de noyau.

Avec la silice, petites quantités d'impuretés : oxyde de fer, alumine, calcaire (CaCO₃), oxyde de magnésium, soude, potasse. La composition chimique du sable quartz indique les impuretés (chaux, magnésie, alcalis).

Quantités excessives d'oxyde de fer, oxydes alcalins, chaux abaissent significativement le point de fusion (indésirable). Sable quartz déterminé par granulométrie et forme (angulaire, oblique, arrondi).

Liants des sables de moulage

Liants inorganiques ou organiques. Inorganiques : silicate de sodium, argile, ciment Portland. En fonderie, l'argile agit comme liant : kaolinite, argile boule, argile de feu, limonite, terre à foulon, bentonite.

Organiques : dextrine, mélasse, liants céréaliers, huile de lin, résines (phénol-formaldéhyde, urée-formaldéhyde). Majoritairement pour fabrication de noyaux. Parmi tous, la bentonite est la plus utilisée.

Mais cette argile seule ne peut créer de liaisons entre grains de sable sans humidité dans le sable de moulage et de noyau.

Teneur en humidité des sables de moulage

Humidité : 2–8 %. Ajoutée au mélange argile + sable quartz pour induire le liage. Quantité d'eau pour remplir les pores entre particules d'argile sans les séparer.

Cette eau est retenue rigidement par l'argile, responsable principale de l'augmentation de la résistance du sable. Action argile+eau réduit la perméabilité quand teneur argile et humidité augmentent. Résistance à la compression à l'état brut augmente d'abord avec teneur argile, puis diminue au-delà d'une certaine valeur.

Pour améliorer les propriétés, additifs ajoutés aux ingrédients de base.

Additifs et poudre de charbon

Additifs = matériaux ajoutés au mélange sable de moulage/noyau pour obtenir propriétés spéciales. Couramment : poudre de charbon, farine de maïs, dextrine, charbon de mer, goudron, farine de bois, farine de quartz.

Poudre de charbon : crée atmosphère réductrice pendant la coulée. Lie chimiquement l'oxygène dans les pôles pour qu'il n'oxide pas le métal. Ajoutée aux sables de moulage pour moules de production de fonte grise et malléable.

Autres additifs pour sable de moulage

Farine de maïs (glucide amidonné) : augmente la collabilité du sable de moulage/noyau. S'évapore complètement sous la chaleur en forme de sable, laissant un espace entre grains.

Cela permet aux grains de bouger librement, faisant bouger les parois du moule et réduisant la dilatation du moule → moins de défauts de coulée. Farine de maïs améliore grandement la résistance du moule et du noyau.

Sable de moulage avec charbon de mer

Charbon de mer = poudre fine de charbon bitumineux qui se loge dans les pores des grains de quartz du sable de moulage/noyau. Chauffé → coke qui remplit les pores, résistant à l'eau.

Grains de sable deviennent finis, ne peuvent former un compactage dense. Charbon de mer réduit mouvement parois moule et perméabilité, gardant surface moule/noyau propre et lisse.

Goudron = forme distillée de charbon tendre. 0,02–2 % dans sable moulage/noyau. Augmente résistance à chaud, finition surface moule, comportement identique au charbon de mer.