<Desc/Clms Page number 1>
procédé de préparation de moules pour la coulée des métaux et alliages
La présente invention est relative à la confec- tion des moules destinés à la coulée des métaux et des al- liages métalliques. Elle permet de préparer des moules ayant des propriétés particulières et exigeant moins de parachèvement à cause notamment-d'une plus.-grande régu- larité de la surface et d'une plus grande précision des dimensions.
Pour la confection des moules, on emploie géné- ralement un sable spécial, appelé sable de fonderie, qui peut contenir une certaine quantité d'argile ou de craie.
On utilise également de la silice en poudre, des silica- tes minéraux ou des matières analogues. On mélange cet aggrégat avec de l'eau additionnée d'une quantité plus
<Desc/Clms Page number 2>
ou moins importante d'un faible agent liant de manière que le sable conserve sa forme pendant le séchage. Le moule achevé doit, d'une part être assez résistant pour empêcher la percée du métal et d'autre part, avoir une porosité suffisante pour permettre l'échappement des gaz qui se dégagent pendant la coulée.
On sait que la confection des moules exige une main-d'oeuvre spécialisée et que cependant les'moules pré- sentent ordinairement de nombreux défauts. La dureté des moules varie d'un point à l'autre; le retrait au séchage ne peut pas être déterminé exactement, les dimensions des pièces coulées ne sont donc qu'approximatives; la surface des moules est plus ou moins rugueuse; l'humidité restant dans un moule imparfaitement séché provoque des défauts par suite de la vaporisation de l'eau pendant la coulée du mé- tal surtout quand il s'agit de magnésium; enfin, quand on traite des métaux fondant à températures élevées, la ma- tière du moule qui n'est pas assez réfractaire se fritte au contact du métal et forme à la surface de celui-ci une croûte dure qu'il est difficile d'enlever par la suite.
Selon la présente invention; la méthode pour confectionner un moule ou un noyau pour la coulée des mé- taux consiste à mélanger un aggrégat réfractaire usuel avec un liant liquide contenant un composé organique du silicium pouvant se durcir. On emploie ce liant liquide en quantité telle qu'on obtienne une masse ayant la même consistance que le sable de fonderie habituel; on doit évidemment éviter d'ajouter trop de liquide, sinon on forme une boue ou une pâte. On moule la masse autour d'un modèle, soit à la main, soit à l'aide de procédés mécaniques.
<Desc/Clms Page number 3>
Une fois que le liant a fait prise, on enlève le modèle.
On peut éventuellement chauffer le moule dans le but de dur- cir le liant ou de le transformer en silice anhydre.
On a déjà proposé de préparer des moules de dents artificielles en traitant un silicate organique de manière à facoriser l'agglomération des particules de silice col- loidale, en mélangeant le liant ainsi préparé avec une ma- tière fortement réfractaire et en faisant faire prise au mélange placé dans un modèle de forme convenable. En opé- rant suivant ce procédé, on mélangeait l'aggrégat réfrac- taire avec un excès de liant et on éliminait celui-ci en soumettant la masse à des vibrations de manière à séparer le solide par sédimentation ou, alternativement, on utili- sait une proportion relativement plus forte de silice et on travaillait la pâte par pétrissage.
La présente inven- tion, envisagée sous son aspect le plus large, diffère de ce procédé antérieur par le fait que la technique du tra- vail est la même que celle habituellement pratiquée dans les fonderies, avec la seule différence qu'au lieu d'eau, on emploie un liant liquide à base de silicate organique.
On réalise une masse pulvérulente, humectée par -le liant dans une proportion telle que le moulage se produit par simple pression. De plus, il est décrit dans la présente demande des modes de préparation particuliers qui n'étalant pas prévus par le procédé antérieur.
Des recherches récentes ont montré que les pro- duits d'hydrolyse des esters siliciés (tétraalcoyloxy- ou aryloxysilicanes) peuvent servir pour la préparation de liants liquides stables. On a trouvé notamment qu'un
<Desc/Clms Page number 4>
ester partiel dans lequel un seul groupement ester est hydrolysé (c'est-à-dire auquel une molécule d'eau a été ajoutée) est stable même en présence d'un agent de prise, mais que si l'on ajoute une plus grande quantité d'eau, la prise se produit après un espace de temps qui varie avec la nature et la proportion de l'agent de prise employé.
Un mode particulier de réalisation de la présen- te invention consiste en un moule ou un noyau pour la cou- lée des métaux, confectionné en mélangeant un aggrégat ré- fractaire habituel avec un liant liquide, en moulant sur un modèle et en laissant sécher, le liant liquide contenant un ester silicié hydrolysé par une quantité d'eau plus qu'équi- moléculaire auquel on ajoute un accélérateur de prise.
Comme accélérateurs de prise, on peut se servir d'un des agents usuels pour l'hydrolyse des esters siliciés tels que, par exemple l'acide chlorhydrique, la chaux ou la magnésie; dans ce cas, l'hydrolyse complète correspond à la formation de silice hydratée. Il est cependant prêtés rable d'employer comme accélérateurs de prise des agents de condensation tels que la pipéridine; on obtient ainsi un gel plus ferme constitué par une résine polymérisée ré- sultant d'une modification de la structure moléculaire et d'une polymérisation.
L'accélérateur de prise peut être ajouté à l'aggrégat réfractaire, le liquide liant étant un tri-al- coyioxy-silicanol et l'eau nécessaire se trouvant avec l'aggrégat et l'accélérateur de prise. On peut aussi ajouter l'eau et l'agent de prise au liant avant de mé- langer celui-ci avec 1'aggrégat réfractaire.
La quantité d'eau nécessaire pour la transfor- mation complète du liant en silice est de quatre molécules
<Desc/Clms Page number 5>
pour une molécule d'ester. On peut réduire cette quantité. et n'employer par exemple que deux molécules d'eau pour une d'ester. L'ester partiellement hydrolysé peut, après prise et séchage, être décomposé par la chaleur sans faire subir de retrait ni de changement de dimensions au moule en préparation.
Une fois le moulage achevé et la prise faite, il est avantageux de chauffer le moule pour durcir le liant; on peut pousser le chauffage jusque 700 et 1000 C dans le . but de transformer le liant en silice anhydre. Dans tous les cas, on ne retire pas le modèle avant la prise du liant.
L'invention comprend un moule pour la coulée des métaux préparé suivant la technique décrite plus haut.
Elle comprend aussi un liant liquide permettant de réaliser la méthode qui a été exposée ; liant est un ester silicié hydrolysé par une molécule d'eau avec ou sans accélérateur de prise.
Par exemple, on réalise cette invention en mélan geant l'aggrégat réfractaire de manière à obtenir une mas- se d'humidité moyenne et en effectuant le moulage autour d'un modèle comme on le fait lors du moulage en sable vert.
Un alcoylsilicate partiellement hydrolysé possède une affinité pour l'eau qui est mise à profit pour la réac- tion produisant de la silice ou de l'acide silicique et de l'alcool qui est facilement éliminé par chauffage.
La teneur en silice du liant peut varier entre
9 et 33%. En modifiant la teneur en silice et la nature des silicates condensés, on peut obtenir une massé poreuse ' ayant la cohésion et la résistance voulues.
,
<Desc/Clms Page number 6>
On peut régler la porosité par des moyens connus, mais celle-ci doit toujours être maintenue dans des limites telles qu'elle permette uniquement le passage des gaz formés pendant la coulée du métal.
Le moule ainsi préparé est très réfractaire puisqu'il est constitué par de la silice pure ou des si- licates minéraux liés avec de la silice pure; de plus, il possède une grande résistance mécanique et son coefficient de dilatation est excessivement faible. Le résultat est le même quand on emploie un agent hydrolysant ou un agent de condensation pour accélérer la prise, mais dans ce cas il est indiqué de chauffer le moule à 700 C.
Les modes de réalisation indiqués ci-dessous sont donnés à titre d'exemple, mais ne limitent pas la por- tée de l'invention.
Supposons que la miêce à couler possède un plan de symétrie de sorte que le moule puisse être ouvert sui- vant ce plan.
On commence par confectionner un modèle à surfa- ces soigneusement parachevées, en tenant compte du retrait particulier au métal et à la matière du moule.
D-autre part, on confectionne un faux demi-moule en plâtre, en plasticène ou en une autre matière convena- ble. On enduit les surfaces du modèle et du demi-moule avec une substance facilitant la séparation des pièces, comme par exemple une solution de vaseline ou de cire d'abeille dans du tétrachlorure de carbone.
On met le tout dans un châssis de dimensions suf- fisantes pour que le moule ait l'épaisseur voulue. Pour les accessoires du moule tels que les entonnoirs, jets de coulée, évents, etc. on emploie du plasticène ou de la cire.
,
<Desc/Clms Page number 7>
On moule ensuite avec le mélange préparé comme il est expliqué plus loin. La prise est terminée après une demi-heure, On retire les parois du châssis, puis on enlève le modèle et le demi-moule en plâtre. On laisse alors sécher le demi-moule réfractaire pendant une demi heure. On enduit sa surface et celle du modèle comme on l'a fait précédemment, on remet le modèle et le demi-moule dans le châssis et on moule la deuxième partie du moule de la même façon que la première.
On enlève le châssis et le modèle, on laisse sé- oher pendant huit heures à la température ambiante et on cuit le moule en chauffant si lentement que la température voulue ne soit atteinte en moins d'une heure.
Il arrive parfois que le modèle ne corresponde qu'à une moitié de la pièce symétrique. Dans ce cas, on place le demi-modèle sur une surface plane, en verre par exemple et on prépare les deux demi-moules avec ce demi- modèle placé dans un châssis.
On prépare la matière de moulage comme suit:
L'aggrégat réfractaire correspond à la composi- tion granulométrique suivante, déterminée aux tamis B.S.S.
(British Standard Sieves) :
EMI7.1
<tb> Sillimanite <SEP> passant <SEP> au <SEP> tamis <SEP> 30
<tb> et <SEP> refusée <SEP> au <SEP> tamis <SEP> 80 <SEP> 897 <SEP> g
<tb> " <SEP> . <SEP> refusée <SEP> au <SEP> tamis <SEP> 100' <SEP> 1318 <SEP> g
<tb> " <SEP> " <SEP> " <SEP> " <SEP> 200 <SEP> 360 <SEP> g
<tb> " <SEP> Il <SEP> il <SEP> " <SEP> 300 <SEP> 366 <SEP> g
<tb> Accélérateur <SEP> 5 <SEP> g
<tb>
S'il s'agit d'un moulage à faire à la main, on mélange convenablement les produits à sec et on ajoute
650 centimètres cubes de liant liquide. Celui-ci peut avantageusement être un ester silicié décrit dans la de- mande correspondant à la demande de brevet anglaise
<Desc/Clms Page number 8>
n 8792 du 9 mai 1944.
Il en résulte une masse ayant la consistance d'un sable de fonderie que l'on place dans le châssis en damant énergiquement; elle peut être soumise à vibration pendant quelques minutes.
. Si on envisage de faire le moulage par des moyens mécaniques, on prend le même aggrégat que ci-dessus, mais on n'ajoute que 450 centimètres cubes de liant. La pression de moulage est de l'ordre de 14 à 70 kg/cm2.
Si on veut augmenter la résistance et la dureté superficielle du moule, on imprégnera celui-ci avec le liant liquide et on le cuira après séchage. On peut répéter le traitement s'il y a lieu.
On peut aussi renforcer le moule en ajoutant au mélange des matières convenables, telles que des toiles en fibres de verre ou en amiante. Pour éviter la formation de plans de clivage, on aura soin d'imprégner ces toiles ré- fractaires avec une suspension de liant et d'aggrégat ré- fractaire finement pulvérisé.
Quand les moules sont de très grandes dimensions, on peut employer pour la plus grande partie de ceux-ci du sable, de l'argile ou une autre matière peu coûteuse. Sur celle-ci on applique une couche de 25 mm au moins formée par un mélange de l'aggrégat réfractaire et de silicate d'alcoyle,
Si on veut que la surface du moule soit parfai- tement polie, on prendra un aggrégat réfractaire passant au travers d'un tamis très fin.
On peut aussi confectionner le moule par la mé- thode dite en cire perdue. Dans ce cas, le modèle doit être en une substance qui peut être fondue et coulée une fois
<Desc/Clms Page number 9>
le moule achevé. Le silicate d'alcoyle à employer doit alors avoir une faible teneur en silice afin que le liant ne soit pas trop dur et que le moule puisse être facilement brisé après la coulée du métal.
On peut faire le moule en plusieurs pièces, cel- les-ci se plaçant dans des châssis assemblés par des cla- vettes, Le silicate qui convient pour ce genre de travail doit former un liant dur et résistant ; onrenforcera le moule'au moyen de fils, de baguettes ou de toiles réfrac- -taires en amiante ou en fibre de verre.
On prépare des noyaux pour la coulée des métaux en suivant la technique décrite plus haut qui consiste à employer pour lier du sable ou un autre aggrégat réfractai- re un ester de l'acide silicique partiellement hydrolysé.
Comme on doit pouvoir enlever le noyau facilement, on pren- dra un liant aussi tendre que possible ; a trouvé qu'un liquide contenant de 10 à 15% de silice convient pour cet usage.
Selon la présente invention, il est possible de confectionner des moules pouvant servir pour un grand nom- bre de coulées; dans ce but, on lie des poudres réfractai- res d'après la manière décrite,
Quand il s'agit de la coulée de métaux fondant . à des températures peu élevées, on remplace les poudres réfractaires par des substances convenables, telles que le plâtre, l'oxychlorure de magnésium ou le ciment fondu.
Dans ce cas, il est indiqué de recouvrir le moule d'une couche d'un mélange de substance fine liée avec un sili- cate organique comme décrit plus haut, Cette couche sera renouvelée quand la nécessité s'en fera sentir.
<Desc/Clms Page number 10>
Des revêtements semblables s'appliquent également sur des moules métalliques; on réalise ainsi des coulées en coquille pour des alliages peu fusibles, ce qu'il n'y avait pas moyen de faire avec des moules en fonte parce , que le métal ne résiste pas aux températures élevées.
<Desc / Clms Page number 1>
process for preparing molds for casting metals and alloys
The present invention relates to the manufacture of molds intended for the casting of metals and metal alloys. It makes it possible to prepare molds having particular properties and requiring less finishing, in particular because of a greater regularity of the surface and greater precision in the dimensions.
A special sand, called foundry sand, is usually used for making molds, which may contain a certain amount of clay or chalk.
Powdered silica, inorganic silica or the like are also used. This aggregate is mixed with water added to a quantity more
<Desc / Clms Page number 2>
or less of a weak binding agent so that the sand retains its shape during drying. The completed mold must, on the one hand, be strong enough to prevent the breakthrough of the metal and, on the other hand, have sufficient porosity to allow the escape of the gases which are given off during casting.
It is known that the making of molds requires specialized labor and yet the molds usually have many defects. The hardness of the molds varies from point to point; drying shrinkage cannot be determined exactly, so the dimensions of the castings are only approximate; the surface of the molds is more or less rough; the humidity remaining in an imperfectly dried mold causes defects as a result of the vaporization of water during the casting of the metal, especially in the case of magnesium; finally, when metals which melt at high temperatures are treated, the material of the mold which is not sufficiently refractory sinter in contact with the metal and forms on the surface of the latter a hard crust which is difficult to remove. remove afterwards.
According to the present invention; the method of making a mold or a core for casting metals consists in mixing a conventional refractory aggregate with a liquid binder containing an organic silicon compound which can harden. This liquid binder is used in an amount such that a mass having the same consistency as the usual foundry sand is obtained; one must obviously avoid adding too much liquid, otherwise it forms a slurry or a paste. The mass is molded around a model, either by hand or by mechanical means.
<Desc / Clms Page number 3>
Once the binder has set, the model is removed.
Optionally, the mold can be heated for the purpose of hardening the binder or converting it to anhydrous silica.
It has already been proposed to prepare molds of artificial teeth by treating an organic silicate in such a way as to facilitate the agglomeration of the colloidal silica particles, by mixing the binder thus prepared with a highly refractory material and by causing the gel to set. mixture placed in a suitable shape template. By operating according to this process, the refractory aggregate was mixed with an excess of binder and the latter was removed by subjecting the mass to vibrations so as to separate the solid by sedimentation or, alternatively, used. a relatively higher proportion of silica and the dough was worked by kneading.
The present invention, considered in its broadest aspect, differs from this prior process in that the working technique is the same as that usually practiced in foundries, with the only difference that instead of water, a liquid binder based on organic silicate is used.
A pulverulent mass is produced, moistened by the binder in a proportion such that the molding occurs by simple pressure. In addition, particular preparation methods are described in the present application which are not provided for by the prior process.
Recent research has shown that the hydrolysis products of silicon esters (tetraalkyloxy- or aryloxysilicanes) can be used for the preparation of stable liquid binders. We found in particular that a
<Desc / Clms Page number 4>
partial ester in which a single ester group is hydrolyzed (i.e. to which a water molecule has been added) is stable even in the presence of a setting agent, but only if a larger amount is added quantity of water, setting occurs after a period of time which varies with the nature and proportion of the setting agent employed.
A particular embodiment of the present invention consists of a mold or a core for casting metals, made by mixing a usual refractory aggregate with a liquid binder, molding on a model and allowing to dry, the liquid binder containing a silicon ester hydrolyzed by a quantity of water more than molecular equilibrium to which a setting accelerator is added.
As setting accelerators, one can use one of the usual agents for the hydrolysis of silicon esters such as, for example hydrochloric acid, lime or magnesia; in this case, complete hydrolysis corresponds to the formation of hydrated silica. It is, however, acceptable to use, as setting accelerators, condensation agents such as piperidine; a firmer gel is thus obtained consisting of a polymerized resin resulting from a modification of the molecular structure and from a polymerization.
The setting accelerator can be added to the refractory aggregate, the binder liquid being a tri-alkylioxy-silicanol and the necessary water being with the aggregate and the setting accelerator. The water and setting agent can also be added to the binder before mixing it with the refractory aggregate.
The quantity of water required for the complete transformation of the binder into silica is four molecules.
<Desc / Clms Page number 5>
for an ester molecule. We can reduce this amount. and use for example only two molecules of water for one of ester. The partially hydrolyzed ester can, after setting and drying, be decomposed by heat without subjecting the mold in preparation to shrinkage or change in size.
Once the molding is completed and the setting is made, it is advantageous to heat the mold to harden the binder; you can push the heating up to 700 and 1000 C in the. purpose of transforming the binder into anhydrous silica. In all cases, the model is not removed before the binder has set.
The invention comprises a mold for casting metals prepared according to the technique described above.
It also comprises a liquid binder making it possible to carry out the method which has been described; binder is a silicon ester hydrolyzed by a water molecule with or without setting accelerator.
For example, this invention is accomplished by mixing the refractory aggregate so as to obtain an average moisture mass and molding around a pattern as is done in green sand molding.
A partially hydrolyzed alkyl silicate has an affinity for water which is utilized for the reaction producing silica or silicic acid and alcohol which is easily removed by heating.
The silica content of the binder can vary between
9 and 33%. By modifying the silica content and the nature of the condensed silicates, it is possible to obtain a porous mass having the desired cohesion and strength.
,
<Desc / Clms Page number 6>
The porosity can be regulated by known means, but it must always be kept within limits such that it only allows the passage of the gases formed during the casting of the metal.
The mold thus prepared is very refractory since it consists of pure silica or inorganic silicates bound with pure silica; in addition, it has high mechanical strength and its coefficient of expansion is excessively low. The result is the same when using a hydrolyzing agent or a condensing agent to accelerate the setting, but in this case it is advisable to heat the mold to 700 C.
The embodiments indicated below are given by way of example, but do not limit the scope of the invention.
Suppose that the pourable part has a plane of symmetry so that the mold can be opened along this plane.
We start by making a model with carefully finished surfaces, taking into account the particular shrinkage of the metal and the material of the mold.
On the other hand, a false half-mold is made out of plaster, plasticene or another suitable material. The surfaces of the model and the half-mold are coated with a substance which facilitates the separation of the parts, such as for example a solution of petroleum jelly or beeswax in carbon tetrachloride.
The whole is placed in a frame of sufficient dimensions for the mold to have the desired thickness. For mold accessories such as funnels, pouring jets, vents, etc. plasticene or wax is used.
,
<Desc / Clms Page number 7>
It is then molded with the mixture prepared as explained below. Setting is completed after half an hour. The walls of the frame are removed, then the model and the plaster half-mold are removed. The refractory half-mold is then allowed to dry for half an hour. We coat its surface and that of the model as we did previously, we put the model and the half-mold back into the frame and the second part of the mold is molded in the same way as the first.
The frame and the cast are removed, allowed to dry for eight hours at room temperature, and the mold baked by heating so slowly that the desired temperature is reached in less than an hour.
Sometimes the model only fits one half of the symmetrical part. In this case, the half-model is placed on a flat surface, glass for example, and the two half-molds are prepared with this half-model placed in a frame.
The molding material is prepared as follows:
The refractory aggregate corresponds to the following particle size composition, determined with B.S.S.
(British Standard Sieves):
EMI7.1
<tb> Sillimanite <SEP> passing <SEP> to <SEP> sieve <SEP> 30
<tb> and <SEP> refused <SEP> to <SEP> sieve <SEP> 80 <SEP> 897 <SEP> g
<tb> "<SEP>. <SEP> refused <SEP> to <SEP> sieve <SEP> 100 '<SEP> 1318 <SEP> g
<tb> "<SEP>" <SEP> "<SEP>" <SEP> 200 <SEP> 360 <SEP> g
<tb> "<SEP> He <SEP> he <SEP>" <SEP> 300 <SEP> 366 <SEP> g
<tb> Accelerator <SEP> 5 <SEP> g
<tb>
If it is a molding to be done by hand, mix the products well dry and add
650 cubic centimeters of liquid binder. This can advantageously be a silicon ester described in the application corresponding to the English patent application.
<Desc / Clms Page number 8>
No. 8792 of May 9, 1944.
This results in a mass having the consistency of foundry sand which is placed in the frame by tamping vigorously; it can be subjected to vibration for a few minutes.
. If we plan to make the molding by mechanical means, we take the same aggregate as above, but add only 450 cubic centimeters of binder. The molding pressure is of the order of 14 to 70 kg / cm2.
If you want to increase the resistance and surface hardness of the mold, it will be impregnated with the liquid binder and baked after drying. The treatment can be repeated if necessary.
The mold can also be reinforced by adding suitable materials to the mixture, such as fiberglass or asbestos cloths. To avoid the formation of cleavage planes, care will be taken to impregnate these refractory fabrics with a suspension of binder and finely pulverized refractory aggregate.
When the molds are very large, most of them can be sand, clay or other inexpensive material. On this is applied a layer of at least 25 mm formed by a mixture of the refractory aggregate and of alkyl silicate,
If we want the surface of the mold to be perfectly polished, we will take a refractory aggregate passing through a very fine sieve.
The mold can also be made by the so-called lost wax method. In this case, the model must be of a substance which can be melted and poured once
<Desc / Clms Page number 9>
the finished mold. The alkyl silicate to be employed must then have a low silica content so that the binder is not too hard and the mold can be easily broken after the metal has been poured.
The mold can be made in several parts, these being placed in frames assembled by keys. The silicate which is suitable for this kind of work must form a hard and resistant binder; the mold will be reinforced by means of threads, rods or refractory cloths made of asbestos or fiberglass.
Cores for metal casting are prepared by following the technique described above of employing a partially hydrolyzed silicic acid ester to bind sand or other refractory aggregate.
As the core should be easily removed, a binder as soft as possible should be used; has found that a liquid containing 10 to 15% silica is suitable for this purpose.
According to the present invention, it is possible to make molds which can be used for a large number of castings; for this purpose, refractory powders are bonded in the manner described,
When it comes to melting metal casting. at low temperatures, refractory powders are replaced by suitable substances, such as plaster, magnesium oxychloride or molten cement.
In this case, it is advisable to cover the mold with a layer of a mixture of fine substance bound with an organic silicate as described above. This layer will be renewed when the need arises.
<Desc / Clms Page number 10>
Similar coatings are also applied to metal molds; shell castings are thus carried out for poorly fusible alloys, which there was no way to do with cast iron molds because the metal does not withstand high temperatures.