LES SABLES DE MOULAGE

I) Généralités :

Il s’agit de produits naturels provenant de la désagrégation de certaines roches.

Ils sont de composition différente suivant les lieux géographiques où on les trouve et selon les phénomènes qui les ont formés.

Par exemple : Un sable de rivière est très siliceux tandis qu’un sable de carrière contient de la silice et des proportions variables d’argile.

Utilisations :

Ils servent à confectionner les moules ( sable de moulage ), les noyaux ( sable de noyautage ), les réfractaires, ils servent encore à nettoyer les pièces coulées ( sables de dessablage très siliceux ou silex ).

Classification des sables de moulage :

Les sables de moulage sont classés en 4 catégories différentes :

- sable naturel

- sable synthétique

- sable semi-synthétique

- sable d’étuve ( abandonné )

On distingue en plus quatre types de sables de moulage destinés à des usages particuliers :

- sable au zircon

- sable à l’olivine

- sable à la chamotte

- chromite

Ils sont constitués par un support ( silice ) et un agglutinant ( argile ).

II) Qualités générales requises pour les sables de moulage :

1) Cohésion – Plasticité :

Cohésion : Aptitude que possède le sable de garder la forme de l’empreinte et de résister à l’érosion du métal.

Plasticité : Qui permet au sable d’épouser plus ou moins facilement les contours du modèle.

Cela dépend de nombreux facteurs : finesse du sable, quantité et qualité de l’argile utilisée, humidité du sable, enrobage de l’argile autour des grains de silice, serrage.

a) finesse du sable :

Pour une quantité d’argile donnée, on constate que plus un sable est fin, plus la pellicule d’argile autour des grains de silice est mince et plus le collage des grains les uns contre les autres est faible.

Donc : Plus un sable est fin, plus il doit être chargé en argile.

b) Quantité et qualité de l’argile :

Pour un même degré de finesse des grains de silice, plus il y a d’argile et plus les grains sont enrobés.

Les argiles ont des propriétés colloïdales différentes.

c) Humidité de l’argile :

Soit un sable donné, à sec il ne présente aucune cohésion, en ajoutant de l’eau, il devient plastique : cette plasticité-cohésion passe par un maximum pour décroître ensuite ( Principe de la recherche des caractéristiques mécaniques maximum des sables de moulage)

d) Enrobage :

Autour des grains de silice :

Si l’argile est bien repartie autour des grains de silice, chacun de ceux-ci trouvera sur son voisin la quantité d’adhésif nécessaire : C’est la cohésion maximum. Il y a donc intérêt à avoir un sable homogène.

e) Serrage du sable :

Plus le sable est serré, plus la cohésion est forte.

2) Perméabilité :

La perméabilité est la faculté que possède un sable de se laisser traverser par les gaz qui se dégagent lors de la coulée du moule.

L’argile pure et plastique est imperméable

La silice pure est très perméable

C’est pour cela que le sable de moulage ( silice + argile ) possède une perméabilité variable.

Cette perméabilité dépend de nombreux facteurs :

Grosseur et régularité des grains de silice ( Analyse de granulométrie)

La perméabilité est due aux interstices existants entre les grains de silice, plus ceux ci sont gros et plus grands sont les interstices : la perméabilité augmente.

Si le sable se compose de grains de grosseur irrégulière, les petits grains se glissent dans les intervalles laissés par les gros et bouchent presque totalement les vides : la perméabilité diminue.

Quantité, Qualité et humidité de l’argile

Si les grains de silice sont peu enrobés d’argile, ils s’enfonceront moins dans celle-ci, celle-ci bouchera moins les interstices, la perméabilité sera bonne.

L’argile augmente de volume lorsqu’elle est humidifiée, donc la perméabilité diminue.

Si la qualité de l’argile est faible, il en faut beaucoup dans le sable : la perméabilité diminue.

Serrage du sable

Si le serrage est trop énergique, les grains de silice refoulent l’argile entre les interstices : la perméabilité diminue.

Refractairité du sable

Si l’argile est de mauvaise qualité réfractaire ou si le sable contient des impuretés jouant le rôle de fondants, il peut se produire une fusion partielle ou grésage du sable ( vitrification ), la couche grésée est imperméable.

3) Réfractairité :

La réfractairité est la qualité que présente le sable de résister plus ou moins bien aux températures élevées des métaux coulés.

Le support silice du sable est réfractaire.

Les argiles le sont plus ou moins suivant leurs qualités, et leurs quantités d’impuretés.

4) Qualités annexes mais non négligeable :

Finesse : en partie responsable de la qualité des moulages obtenus ( peau de pièce )

Aptitude au décapage : un bon sable de moulage ne doit pas coller à la pièce, conditionne l’aspect extérieur (peau)

Stabilité de l’humidité : qui fait qu’un sable ne se dessèche pas dans le temps et que le moule ne se détériore pas.

Non-tendance à coller aux parois du modèle : afin de ne pas contrarier le démoulage

Aptitude à la récupération : possible lorsque le coût de cette récupération est inférieur au coût des matières récupérées.

Le prix de revient minimum

Aptitude au serrage ; flowability ; aptitude à l’écoulement.

Obtention de ces qualités

On ne peut pas les obtenir toutes à la fois, ce qui fait que dans un premier temps, il faut retenir 4 catégories principales de sable ( voir plus haut ) et que dans un deuxième temps il faut remplacer l’agglutinant naturel ( argile )par des agglomérants pour aboutir aux types de sables dits spéciaux ( tout en conservant le support : silice ).

Cependant les meilleurs compromis de qualités sont obtenus en choisissant un sable d’une pureté suffisante, et dont la granulométrie répond aux conditions exigées par le travail à effectuer. L’argile choisie aussi pure, aussi réfractaire que possible, sera enrobée par frottage autour des grains de silice.

L’humidification sera sévèrement contrôlée et homogénéisée de telle façon qu’avec un minimum d’eau et d’argile, la cohésion maximum du sable soit obtenue.

CLASSIFICATION DES ARGILES

Argile = silicates d’alumine, substances naturelles complexes.

Il existe 3 types principaux d’argile :

- Kaolinite : Non utilisées en fonderie car elles sont chères.

- Montmorillonite

- Illite ( argiles dites de type PROVINS ou HOUDAN )

LES ILLITES

Particules de l’ordre de 5 µm

Pouvoir agglutinant assez faibleàle rendement moyen est de l’ordre de 100 g/cm²

Rappel : Le rendement est la résistance à la compression que confère à un sable siliceux une teneur de 1% d’argile.

Bonne tenue de l’humidité, pas de dessèchement rapide.

Résistance pyroscopique variant de 1400 à 1700°C.

Elles sont couramment appelées argiles réfractaires.

Les Illites sont les argiles des sables naturels.

LES MONTMORILLONITES

Ce sont des argiles de type bentonite

Particules de l’ordre du 1/10^éme de µm

Pouvoir agglutinant importantàle rendement moyen est de l’ordre de 200g/cm²

Mauvaise tenue à l’humidité, dessèchement rapide

Résistance pyroscopique variant de 1100 à 1300°C

Elles sont couramment appelées argiles colloïdales

Les Montmorillonites sont les argiles des sables synthétiques.

LES DIFFERENTS SABLES DE MOULAGE

Comme je l’ai cité plus haut, il existe différents types de sables de moulage, qui sont :

-Sable naturel

-Sable semi-synthétique

-Sable synthétique

-Sable d’étuve

Sable naturel : ce genre de sable de moulage étant de plus en plus abandonné, je répondrais directement aux diverses question à ce sujet.

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Sable semi-synthétique :

Il s’agit d’un sable de moulage intermédiaire entre le sable naturel et le sable synthétique.

Du point de vue composition, le tableau suivant fait apparaître les différences :

Nature du sable	Support	Agglutinant
Sable semi-synthétique	Grains de silice contenus dans un sable naturel faiblement argileux	Argile naturelle de type Illite ( sable naturel) + Montmorillonite ( bentonite ) Illites
Sable synthétique	Grains de silice contenus dans un sable extra siliceux naturel	Montmorillonite ( bentonite ) Illites
Sable naturel	Grains de silice contenus dans un sable naturel argileux	Argile naturelle type Illite ( sable naturel )

Cette technique réalise un heureux compromis des deux méthodes et augmente les qualités du sable naturel de celles du sable synthétique, sans pour autant présenter une mauvaise tenue de l’humidité.

Sable synthétique :

Le sable synthétique est un sable « fabriqué » par un dosage précis d’éléments connus précis.

Ce sable se compose essentiellement :

- De silice ( sable extra siliceux naturel à moins de 0,5% d’argile naturelle )

- D’argile ( MONTMORILLONITES ) ce pourrait être une argile de type Illites, mais en fait, cela reviendrait à fabriquer un sable naturel du point de vue caractéristique. Les Montmorillonites sont les argiles des sables synthétiques.

- D’eau

- D’impuretés

- D’ingrédients ou adjuvant : noir minéral ; farine de bois (stabilisateur d’humidité )

Compte tenu de ses constituants, un sable synthétique présente les caractéristiques suivantes :

Avantages :

- Faible teneur en argile : meilleure perméabilité

- Faible teneur en eau : meilleure perméabilité

- Peu de gaz dégagés à la coulée

- Bonne aptitude au décapage car faible vitrification du fait qu’il y a peu d’argile ; et d’autre part, on peut augmenter le % de noir minéral du fait que la perméabilité de départ est excellente.

- Bonne réfractairité malgré la qualité de l’argile du fait qu’il n’y a pas d’impuretés.

- Bonne tenue des empreintes car on peut forcer nettement le serrage tout en gardant une bonne perméabilité.

Inconvénients :

- % d’argile faible qui entraîne un défaut de dilatation à chaud ( gale ) Farine de bois

- % H2O faible qui se traduit par des entraînements de sable ( érosion ) dus à son dessèchement Farine de bois

- Instabilité à l’humidité Farine de bois

- Manque de cohésion à chaud due à la faible quantité d’argile.

Note :

La farine de bois est de moins en moins utilisée, elle est remplacée par des produits amylacés ( amidon )

La technique du sable synthétique est efficace pour supprimer de nombreux défauts, ce qui permet d’obtenir un extérieur de pièce particulièrement propre aux techniques actuelles de moulage grâce à sa qualité principale : la régularité.

Composition courante :

Silice 95 à 97% ( parfois 90 à 97% selon les adjuvants )

Noir minéral 2 à 6% ( 5 à 6% en général )

Argile colloïdale 3 à 5% ( 3 à 10% )

Eau 2 à 3% ( voire 4%-5%-6% )

Formule courante :

Silice 94%

Argile 6%

Eau 4%

Pour une résistance à la compression de 1200 g/cm²

Sable d’étuve : ce genre de sable de moulage étant de plus en plus abandonné, je répondrais directement aux diverses question à ce sujet.

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Sable pour usages particuliers :

Il s’agit ici d’obtenir un matériau de moulage plus réfractaire utilisé surtout en fonderie d’acier.

Dans ces cas la silice est remplacée par :

Le zircon : Silicate naturel de zirconium

Résistance pyroscopique : 1800°C

Il est aggloméré avec la bentonite

L’olivine : roche naturelle abondante constituée d’une solution solide Si O₄ Fe dans Si O₄ Mg₂

La chamotte :Grés artificiel obtenu en cuisant pendant 4 à 6 jours à plus de 500°C des briques agglomérées de 65% de silice SiO₂ et 35% d’alumine Al₂O₃ + eau.

Ensuite on prépare le sable qui est formé de 90% de chamotte, 5% de bentonite, 5% de SiO₂ + eau.