<Desc/Clms Page number 1>
Procédé pour la confection de moules réfractaires
La présente invention concerne un procédé de con- fection de moules réfraotaires particulièrement destinés à la coulés de métaux et d'alliages à point de fusion élevé, tels que l'acier et les aciers inoxydables, ou d'alliages non ferreux tels que l'alliage inoxydable de cobalt-chrome, et d'autres matières à point de fusion élevé telles que le platine, les alliages de platiné-iridium, de platine-rhodium et similaires.
Quoique l'invention soit plus particulièrement destinée à la confection dé moules pour la coulée de dentiers, de parties ou éléments de dentiers, d'instruments d'ostéo'- chirurgie, d'articles de joaillerie, et de dispositifs et instruments similaires, et au moulage de précision de pièces industrielles, par exemple d'éléments d'engrenages, d'aubes de turbines et similaires, il est bien entendu que l'invention '. n'est pas limitée à,ces applications particulières, mais qu'elle peut servir dans d'autres domaines appropriés et désirés.
<Desc/Clms Page number 2>
Pour la coulée d'allia,ges à. point de fusion élevé, il est nécessaire de choisir des moules en matières réfrac- taires appropriées, capables de résister aux températures de coulée des alliages. Jusqu'à présent, la silice a été l'un des constituants réfractaires principaux. D'autres constituants réfractaires sont l'alumine, la zircone, la, brique réfra.cta.ire à, base de silice, la brique réfractaire à base de magnésie, la magnésie fondue, et de nombreuses autres matières déjà. connues dans la technique du moulage à haute température,
En dehors du choix convenable des constituants réfractaires destinés à la confection des moules, il importe d'utiliser un liant permettant d'agglomérer les constituants réfractaires.
On a employé, avec des résultats variables, certains types de liants tels que les silicates organiques, et plus particulièrement le silicate tétraéthyle et les silicates organiques apparentés. Quoique l'emploi de ces silicates organiques, comme liants de matière réfractaire de moulage, présente des avantages poux la coulée de petits éléments, il entraîna aussi certains inconvénients pour la production sur une grande échelle de pièces coulées de haute précision.
Pour ces silicates organiques, il est, par exemple, nécessaire d'utiliser de l'alcool éthylique, de l'acétone ou un autre solvant commun destiné % faire office de diluant. Lorsqu'on doit utiliser de grandes quantités de telles matières de moulage, par exemple dans la production sur une grande échelle, les risques d'incendie sont considérables. D'autres inconvé- nients se présentent dans des conditions similaires de mise en oeuvre, par exemple le prix de revient élevé de ces sili- cates organiques et la technique compliquée nécessaire 4 la composition et au traitement des éléments accessoires, ensem- ble avec les silicates organiques, pour les amener à un état dans lequel ils peuvent servir de liants.
<Desc/Clms Page number 3>
Grâce la présente invention, telle du.'elle sera décrite en détail ci-après, on évite l'emploi de matières inflammables, ainsi que la technique compliquée de composition du liant, et on utilise à cet effet une matière relativement peu coûteuse,
Un autre avantage résulte de l'emploi du nouveau liant en combinaison avec des constituants réfractaires appro priés. Suivant l'invention, on a, par exemple, découvert un procédé de confection de moules réfractaires à l'aide d'un modèle déterminé présentant le maximum de détails et une surface extrêmement lisse, Avec des matières synthétiques similaires au caoutchouc, par exemple le "Korogel", on peut reproduire la plus grande partie des détails d'un modèle déterminé.
Après avoir confectionné un moule en "Korogel" sur un modèle, on peut utiliser ce moule en "Korogel" pour obtenir une moitié ou l'ensemble du moule réfractaire défini-.* tif dans lequel doit être coulé l'alliage à haute température de fusion, L'application du procédé suivant la présente invention permet d'obtenir des pièces coulées d'une très haute précision, présentant le maximum des détails superficiels et une surface extrêmement lisse.
Un but de l'invention est de créer des moules réfraotaires capables de donner aux pièces coulées une sur face extrêmement lisse et de reproduire les détails avec un maximum de finesse.
Un autre but de l'invention est de produire des moules présentant la surface exactement reproduite et une grande netteté des détails qu'on désire retrouver sur les pièces coulées*
Un autre but de l'invention est de créer un liant à base de silice pour les matières réfractaires pulvérisées formant la majeure partie du corps du moule,,
Un autre but de l'invention est d'employer une solution colloïdale ou suspension de silice pour la confec-
<Desc/Clms Page number 4>
tion des moules désirés,
D'autres bute principaux et auxiliaires, ainsi que les avantages de l'invention, ressortiront de la description détaillée ci-après.
Dans la confection des moules réfractaires, il a jusque présent été usuel d'utiliser une matière réfractaire convenablement pulvérisée, telle que lasilice, l'alumine, la magnésie, l'oxyde de titane, l'oxyde de béryllium, la mullite, la sillimanits, et la zircone, seule suivant son taux d'inertie dans les conditions d'emploi du moule, ou en mélanges inertes et non fusibles dans les conditions d'utilisation.
Ces matières, seules ou en mélanges, seront appelées ci-après "fillers réfractairee", parmi lesquelles la silice finement broyée, passant par le tamis de 12à 46 mailles au centimètre carré, est très appropriée. Le filler réfractaire est d'autant plus approprié à l'obtention d'une surface parfaitement polie de la pièce coulée qu'il est plus finement broyé. Le filler peut être dosé avec des grosseurs de grains différentes, en vue du choix de l'effet superficiel. Le dosage des grains de grosseurs différentes peut également servir à l'obtention d'un mélange se laissant efficacement tasser sous l'action d'un vibrateur, ou d'un mélange évitant les fissures par retrait.
On applique de préférence un procédé de vibration pour le tassement du mélange réfractaire, combiné avec la solution colloïdale de silice. Apres avoir mélangé le constituant réfractaire avec la. silice colloïdale, jusqu'à obtention d'une consistance permettant presque la coulée, on soumet de préférence le mélange à une vibration appliquée tout autour du modèle jusqu'à ce que le moule soit rempli, et ce dernier est ensuite de préférence placé sur un deuxième vibrateur, sur lequel on-le maintient jusqu'à l'achèvement complet du tassementGrâceà ce procédé de vibration, la totalité des bulles d'air est expulsée et le constituant
<Desc/Clms Page number 5>
réfraotaire peut se déposer et se tasser pour former un moule dense,
avec une densité telle au contact du modèle qu'il soit possible d'obtenir une Pièce coulée d'une surface extrêmement lisse, avec des détails d'une extrême finesse.
La vibration employée est destinée à produire le tassement plutôt qu'une agitation. Dans un mode de vibration préféré, indiqué à titre d'exemple, on soumet la matière à l'action d'un premier vibrateur jusqu'à ce qu'elle soit tassée et jusque ce que la majeure partie de l'air soit expulsée.
Le deuxième vibrateur produit une vibration verticale d'une finesse relativement grande, qui est prolongée jusqu'à la fin du tassement..De préférence, cette dernière vibration est prolongée jusqu'à ce que la totalité de l'air soit éliminée et jusqu'au moment où aucun liquide n'apparaît plus à la surface .-
Il est également usuel d'utiliser une diversité de liants pour maintenir le filler réfractaire sous la forme d'un moule permanent, Le choix du genre et de la quantité du filler et le choix du genre et de-la'quantité du liquide utilisé avec ce filler ont une influence sur l'exactitude du moule.
.Suivant la présente,invention, on peut,utiliser la silice comme matière de revêtement ou comma agglomérant du filler réfractaire, qui peut lui même être constitué ou non par de la silice. Mais, étant donné que la silice est en soi une matière réfractaire et insoluble, on emploie une suspens sion,liquide de silice sous une forme appropriée.
,La silice (par exemple le gel de silice) est bien connue avec des degrés variables d'hydratation et sous des formes différentes, par exemple sous la forme d'un solide sec, d'un gel colloïdal aqueux,, d'une solution, colloïdale aqueuse, d'un gel colloïdal à l'alcool éthylique, d'une solution colloïdale à l'alcool
<Desc/Clms Page number 6>
éthylique, d'un gel organo-colloidal et d'une solution organo- colloïdale. Sous une de ces formes, la silice est dispersée dans l'eau ou dans un autre liquide, et peut être diluée comme d'autres solutions avec un liquide identique au support, ou avec d'autres liquides appropriés.
Une propriété de ces solutions consiste en ce quelles se laissent facilement transformer en gel par une perte de liquide, ou par un changement de la, composition. Au cours de la gélification, les particules s'agglomèrent et forment un liant.
En utilisant un filler réfractaire et une solution de silice de ce genre en quantité suffisante pour former un mélange approprié permettant le moulage, et en amorçant ensuite la gélification, on obtient un moule solidifié à contours très nets. Ce moule est ensuite séché en vue de l'élimination de l'eam, ou autre liquide introduit avec la solution. Au cours du séchage d'un moule confectionné avec un colloïde aqueux, la silice peut rester sous la forme d'un gel hydraté. L'eau du gel peut être éliminée par la chaleur dans une proportion qui est fonction de la température appliquée.
Le gel hydraté de silice a une grande affinité pour l'eau, Si on augmente la température à laquelle il est soumis, l'eau est éliminée de telle manière que le produit obtenu à, 150 C soit constitué par de la silice de formule SiO2
Le terme "silice", utilisé dans cette description, désigne toujours la forme anhydre SiO2, aussi bien que toute forme hydratée se présentant généralement sous la formule (SiO2) x (H2o) y. L'acide silicique si(OH)4 en est un exemple.
On a découvert que ce dernier est une forme probable de la silice dans les solutions colloïdales aqueuses de silice obtenues d'après le Brevet américain N 2,244,325
En conséquence, et suivant la présente invention, les moules, constituée pour contenir de la silice hydratée,
<Desc/Clms Page number 7>
de la forme résiduelle de la silice en suspension. Dans le cas du silicate de sodium, l'élimination est poussée de telle manière que la proportion du résidu de Na2O dans la solution, calculé sous la forme de Na2CO3, soit de l'ordre de 0,2 %, le complément étant constitué-par de l'eau libre et de la silice.
Les solutions de ce genre contiennent normalement à peu près 3 % de SiO2, mais on peut les concentrer pour obtenir 18 à SA % de' 6102- Le produit dit "Aqua-sol" a été concentré jusqu'à 32% de entières solides, en se maintenant sous la forme d'une solution stable.
Le pH de la solution colloïdale aqueuse influe sur la tendanoe à la gélification, La,suspension est d'autant plus stable que le pH de la suspension est plus grand.que, 7. Cette suspension a d'autant plus tendance à la gélification que le pH de la solution est plus rapproché de 7. On évite les solu- tions à faible pH, légèrement supérieur 'ou légèrement Inférieur à 7, lorsqu'on désire obtenir-une solution capable de se con- server. Le pH peut plus ou moins varier entre 3 et 11, alors que-la solution se présente sous la forme d'une suspension.
Les solutions d'un pH inférieur à 7 peuvent être stables/et, lorsqu'elles sont oarbonatées par le CO2, elles sont plus stables, même avec un Ph- 2, Pour obtenir des solutions sta- bles d'un pH supérieur à 7, on peut utiliser des stabilisateurs tels que le' oarbonate de sodium ou les composés d'ammonium, par exemple l'hydroxyde, le carbonate et quelques autres sels d'ammonium. Il est bien entendu que ces stabilisateurs sont efficaces en faibles proportions, Dans le cas du carbonate de sodium, par exemple, celui-ci peut-ou non réagir avec la siliee pour former un silicate de sodium, ce qui importe peu étant donné que la plus grande'partie de la silice se maintient sous la forme colloïdale
Une modification du pH peut entrainer une transfor..
<Desc/Clms Page number 8>
ne sont ni achevés ni stables avec un liant de silice réfrac- taire tant qu'ils n'ont pas été exposés à, une température d'environ 150 C. Avant l'emploi des moules ainsi sèches à. l'air, pour la coulée de métaux à température élevée de fusion, par exemple une température de l'ordre de 1.650 C, ces moules sont chauffés pendant quelque temps par exposition à une température de l'ordre de 930 à, 1,205 c, de préférence de 1.040 C. La coulée peut avoir lieu à, cette température, mais on peut également refroidir le moule à une température de 370 C, si on le désire.
D'autre part, le moule peut être refroidi à la température ambiante, Le métal fondu est de préférence coule dans le moule alors que celui-ci est chaud, mais cette manière de procéder, ainsi que la température employée, sont fonction des conditions de travail. Quand le moule est utilisé en état de dilatation résultant du chauffage, on obtient une compensation du retrait de la pièce coulée au cours du refroidissement. Les conditions de cette compensation sont empiriques et-dépendent de la. composition du moule, de la nature du métal coulé et d'autres facteurs.
Certaines solutions colloïdales aqueuses de silice sont disponibles dans le commerce sous l'appellation de "Nalcoag" et vendues par la "National Aluminate Company" de Chicago. On peut également se procurer d'autres produits ayant cette constitution généra,le, tels que ceux vendus sous l'appellation de "Ethyl-sol" et "Aqua-sol", fabriqués par la "Monsante Chemical Company" de St-Louis, Le Brevet américain N 2,244.525 donne des exemples de procédés pour la préparation du colloïde.
Autant qu'il a été possible de le constater, les solutions de "Nalcoag" sont préparées par extraction de l'ammonium ou d'une autre base métallique, telle que le Na2O, des solutions de silicate d'ammouium ou d'un métal, par. exemple des solutions de silicate de sodium, avec maintien
<Desc/Clms Page number 9>
mation de la suspension en un gel dans une période plus ou moins longue, mais contrôlable. Des réaotions chimiques au sein de la solution produisent également des foyers de gélification par formation d'une substance précipitable. Ces réac. tions constituent un moyen pour amorcer la gélification.
Il a été découvert que certaines substances, ajoutées en faibles proportions, interviennent pour amorcer ou accélérer la géli- fioation d'une manière ou d'une autre, On appellera ces aube.
EMI9.1
tances des "accélérateuren de gélification.
Pour la préparation de ces accélérateurs de gélification, on peut ajouter un acide aux solutions stables alcalines, et un alcali aux solutions stables acides, pour abais ser ou pour élever le pH respectivement vers un niveau inférieur de stabilité. Il en résulte qu'une quantité inférieure d'accélérateur devient éfficace.
Oe résultat peut être obtenu par une substance unique qui peut également faire office' d'accélérateur, mais cette substance n'agit pas comme accélé- rateur tant qu'elle est présente au delà du point de stabilité En conséquence, pour la composition d'une manière destinée à la confection d'un moule, on peut mélanger une solution de
EMI9.2
faible stabilité avec un filier rëfractaire auquel est inaor= poré un accélérateur, le processus de gélifioation étant ainsi réglé pour intervenir suivant le choix des matières.
Il n'est pas nécessaire d'employer des accélérateurs étant donné -que le simple séchage du liquide du mélange moulée tel que l'eau ou un autre support liquide dérivé de la suspension de silice, amorce-la gélification de solutions très stables, sous l'influence d'un effet de concentration,, Néanmoins, et suivant l'invention, il est préférable d'accélérer la gélification de façon:.que .les moules durcis, mais non sèches, puissent être rapidement retirés du modèle ou support similaire, ce qui facilite la manipulation rapide des diffé- rents moules au cours de,la production;
<Desc/Clms Page number 10>
L'expérience a montré que le durcissement des moules, sans aucun accélérateur, n'est pas aussi pratique que lorsqu'on emploie un accélérateur, étant donné qu'il est très difficile de sécher complètement le moule après le durcissement par formation du gel, sans qu'il en résulte une rupture du moule par dégagement de vapeur d'eau, et sans formation d'une sorte de carcasse dure provenant de la migration du liant vers la surface, et de l'évaporation de l'eau à. la surface.
Il est également préférable d'employer les accéléra- teurs à un autre usage auquel l'invention se prête facilement.
Si on prépare un mélange très fluide de filial réfractaire et de solution de silice colloïdale, ce mélange peut être pulvé. risé sur le modèle en vue de la formation à, l'intérieur du moule d'une couche superficielle dans laquelle sont imprimée tous les détails. En incorporant un accélérateur à ce mélange de projection, et en pulvérisant ce dernier avant la gélifi- cation, on obtient une excellente reproduction du modèle.
Voici quelques exemples d'accélérateurs appropriés pour des colloïdes aqueux de silice :carbonate de calctun, chlorure de calcium, oxyde de magnésiun carbonate de magné- siun, carbonate d'ammonium carbonate de sodium, acide carbo- nique, acide chlorhydrique, acide sulfurique, etc,.. Ces produits exercent une action sur LE PH de la solution colloïdale) ou réagissent avec cette solution pour former ce qu'on peut appeler des silicates minéraux, En principe, il apparaît que tous les électrolytes réactifs sont de bons accélérateurs, quoique l'expérience ait montré que quelques électrolytes réactifs sont plus efficaces que d'autres.
D'autre part, certaine accélérateurs no sont pas des électrolytes réactifs, ce qui est le cas pour l'oxyde de magnésium par exemple, Les accélérateurs agissent normalement dans des proportions allant de 0,01 % à 1 %, calculées d'après l'ensemble du mélange.
<Desc/Clms Page number 11>
La quantité de la solution colloïdale de silice utilisée comme liant peut varier dans des limites étendues.
Elle est fonction de la finesse et de la constitution du filler réfractaire, de la concentration de la silice dans la solution, et du degré de plasticité que doit présenter le mélange de moulage. Par exemple, si le filler réfractaire est formé par de la silice passant par le tamis à 12 mailles, et si la solution colloïdale aqueuse de silice contient 6 % de solides et présente un PH= 8,5, on peut mélanger 100 parties en volume de silice avec 22 à 26 parties en volume de solution de silice pour obtenir des mélanges se laissant facilement travailler,
La durée de gélification varie selon les conditions d'emploi et en fonction de la proportion et de la constitution de l'accélérateur utilisé. Ces facteurs peuvent être choisis pour l'obtention d'une durée,de gélification prédéterminée.
La matière peut être utilisée de nombreuses manières
Alors que le mélange présente la consistance de coulée, ou à peu près, ce mélange peut être vibré pendant qu'il entoure un modèle. La vibration peut être prolongée jusqu'au remplissage complot du moule, en vue de l'expulsion complète de l'air...
Il en résulte une tendance au tassement de la portion du mélange adjacente du modèle, de sorte que la surface de cette portion devient lisse et dense, ce qui assure une excellente reproduction.
Un mélange fluide peut être pulvérisé sur un modèle, après quoi on le laisse gélifier. Après le durcissement ou le séchage, le modèle recouvert peut être ensuite enrobé dans une autre partie du même mélange, ou d'un mélange dif- férent. On peut ainsi appliquer une couche d'une épaisseur d'un millimètre environ en utilisant des pressions de pulvéri. cation de 2,1 à 5,6 kg/cm2.
<Desc/Clms Page number 12>
Les modèles faits en une Matière fusible, volatile, volatilisable, ou combustible, peuvent être complètement enrobés et ensuite éliminés par fusion ou par volatilisation, Les matières fusibles pouvant servir à cet effet sont la cire, l'étain, les alliages à. bas point de fusion, les métaux à. bas ou haut point de fusion. On peut employer des modèles en résine qui se décomposent et se volatilisent sous l'action de la chaleur, par exemple en méthyle-méthacrylate,, On peut appliquer un chauffage prolongé, à une température appropriée, pour évacuer le méthyle-méthacrylate par distillation, soue la forme d'un monomère, laissant un minimum de résine. Le
EMI12.1
polystyroléne peut être employé d'une manière similaire à, celle du tnéthyle-zéthacrylate.
Le cadmium, utilisé pour la confection de modèles métalliques, peut être fondu eu volatilisé pour son élimination du moule,,
Plusieurs moules ou éléments de moulage déjà durcis peuvent être assemblés ou incorporés à, un moule en plusieurs parties, par emploi d'une plus grande partie de matière pour l'incorporation. L'un des avantages de la silice colloïdale aqueuse, utilisée comme liant, consiste en ce qu'elle est incapable d'exercer une action de dissolution ou de gonflement sur certaines matièros constituant le modèle, par exemple sur des résines ou des élastomères, matières similaires au caoutchouc, qui peuvent être affectées nuisiblement par un alcool ou un autre solvant organique présent ou naissant au cours de la confection d'un moule.
L'absence de toute matière organique solide par laquelle la, chaleur pourrait détériorer le moule est particulièrement avantageuse.
Un autre avantage de l'emploi d'un liant liquide, contenant de la silice sensiblement sous la, forme d'une suspension, dans le liquide, est l'absence presque totale d'un électrolyte salin dans le moule, si on fait abstraction de la faible proportion utilisée sous la ,forme d'un acoélé-
<Desc/Clms Page number 13>
rateur.
Voici quelques exemples destinés à Inapplication de l'invention : - EXEMPLE I
EMI13.1
<tb>
<tb> Silice <SEP> (tamis <SEP> à <SEP> la <SEP> Mailles <SEP> ou <SEP> plus) <SEP> .,.... <SEP> 100 <SEP> gr
<tb>
EMI13.2
Carbonate de magnésium ',".....'" ""." 05 gr Solution colloïdale de silice 6 % de solides siost pH = 8.5 0 e #14 26 00 Durée de gélification 4 3700 ............ 45 min, EXEMPLE II
EMI13.3
<tb>
<tb> Silice <SEP> (sable <SEP> marin <SEP> ou <SEP> plus <SEP> gros) <SEP> ....... <SEP> 23 <SEP> gr
<tb> Silice, <SEP> (tamis <SEP> à <SEP> 12 <SEP> mailles <SEP> ou <SEP> plus) <SEP> ..... <SEP> 77 <SEP> gr
<tb>
EMI13.4
Carbonate d'ammonium .., .......... # 9 9. u #,* 0,3 gr
EMI13.5
<tb>
<tb> Silice <SEP> colloïdale
<tb> (aqueuse <SEP> :
<SEP> 12,6% <SEP> de <SEP> solides <SEP> siO2, <SEP> pH=8,5) <SEP> 26 <SEP> ce
<tb>
EMI13.6
Durée de gélification,b. 37 0 .......,...... 50 mis. EXEMPLE III' '
EMI13.7
Silice (tamis à 51 mailles ou plus) 1.,.*. ' 100 jer, Carbonate d'ammonium ', , 6 s . 0 0 0 9 .. t 0 ... 0 0 o,a gr Silice colloïdale aqueuse : l3t6% de solides $i0a, pH=10,$ 36 ce Durée de gélification a. 37 C1 ............. 7e min.
.EXEMPLE IV (Pour la pulvérisation
EMI13.8
<tb>
<tb> Silice <SEP> (tamis <SEP> à <SEP> 46 <SEP> mailles <SEP> ou <SEP> plus).,,.... <SEP> 100 <SEP> gr
<tb> Silice <SEP> colloïdale
<tb>
EMI13.9
(aqueuse: 13,6% de solides SÎOS, PE- la,6) 26 00 EXEMPLE V
EMI13.10
<tb>
<tb> Silice <SEP> (sable <SEP> marin <SEP> ou <SEP> plus <SEP> gros) <SEP> ..... <SEP> 23 <SEP> gr
<tb> Silice <SEP> (tamis <SEP> à <SEP> 12 <SEP> mailles <SEP> ou <SEP> plus) <SEP> ..... <SEP> 77 <SEP> gr
<tb>
EMI13.11
Oxyde de magnésium ..,......,.......,....... 0,1 gr "Ethyl-sol" tl$ ', de 5i) .,............. 13,5 cc Alcool (êthyliquè) ...................... 13,5 ce Durée de gélification à 35 0 .,.,... ...... 45 minz
EMI13.12
<tb>
<tb> L'éthyl-sol <SEP> est <SEP> une <SEP> solution <SEP> colloïdale <SEP> de <SEP> silice
<tb>
dans un milieu.
d'alcool éthylique'.
<Desc/Clms Page number 14>
EXEMPLE VI
EMI14.1
<tb>
<tb> Silice <SEP> (tamis <SEP> à <SEP> 31 <SEP> mailles <SEP> ou <SEP> plus) <SEP> ....... <SEP> 100 <SEP> gr
<tb>
EMI14.2
Oxyde de magnésium ..................1 ... 0 0,olgx
EMI14.3
<tb>
<tb> "Aqua-sol" <SEP> (32,% <SEP> de <SEP> silice) <SEP> ................. <SEP> 27 <SEP> gr
<tb>
Cette formule convient à. l'application par pulvérisa.- tion pour l'obtention d'une surface exacte. Une solution de ce genre peut être concentrée au moins à. 32 % de SiO2 tout en présentant une bonne faculté de conservation.
Dans un mode d'application préféré, une matière de moulage élastique, telle que l'halogénure de vinyle polymérisé décrit au Brevet américain N 1.929.453. est appliquée sur un modèle détermine, et le mélange plastique suivant la présente invention est ensuite coulé dans le moule et soumis à, la vibra- tien. Cette vibration tasse la Matière réfractaire, élimina l'air et assure la densité désirée, tout en produisant une surface parfaitement lisse* Lo moule gélifié est ensuite séché à l'alr en vue de l'élimination de l'eau libre du mélange, mais on maintient l'eau. combinée avec le liant de silice formé en premier. Au lieu de sécher à l'air, on peut utiliser des fours de séchage fonctionnant à une température modelée,, par exemple de 100 C.
Les moules séchés sont ensuite mis de côté si on ne les utilise pas immédiatement pour la coulée. Au moment de l'emploi, les moules sont chauffés à la température élevée précédemment indiquée, en vue de l'élimination de l'eau combinée avec la silice, ou de la dilatation. De préférence, ces moules sont ensuite employés immédiatement pour recevoir le Métal en fusion, alors qu'ils sont encore chaude.
Les moules peuvent être grands ou petits. Les moules relativement petits, tôle qu'ils sont employés pour les dentiers, les artioles de joaillerie, ot similaires, sont très avantageux,,-Les moules relativement petite, tels qu'ils sont employée pour la fabrication d'éléments compliques, par
<Desc/Clms Page number 15>
exemple des aubes de suralimenteurs pour turbines et similai res, sont très avantageux pour la fabrication de pièces très précises à, surface très lisse, avec une grande finesse de détails et présentant¯un aspect poli, ce qui élimine ou réduit au minimum l'usinage,
le finissage et le polissage,
Les moules de grandes dimensions sont également avantageux, mais il est bien évident que ces moules doivent être manipulés avec de grandes précautions, plus particulièrement lors du chauffage, pour éviter une élimination telle de l'eau résiduelle ou combinée qu'il en résulterait une détério ration du moule.
Les moules séchés à l'air, confectionnés par pulvéri- sation ou vibration d'un mélange, présentent des surfaces dures et lisses. Leur dureté les met à l'abri des rayures et ils résistent parfaitement à l'eau.
Les moules confectionnés par d'autres procédés,.par exemple à l'aide de liants organiques, présentent des surfaces qui peuvent être rugueuse et de qualité inférieure à celle des moules confectionnés suivant l'invention. La surface de ces moules peut être améliorée par application d'une quantité appropriée de la solution colloïdale de silice, contenant-de préférence un accélérateur.,'.Ces moules peuvent ensuite être séchés à l'air, ou chauffés en vue de la conversion du gel aqueux résultant en un gel hydraté solide non aqueux. On - - . peut finalement les chauffer pour l'obtention d'un revêtement de silice anhydre sur le moule de qualité inférieure.
On peut, ajouter une proportiondésirée de silice réfractaire, ou un, autre filler, à la composition de revê tement,De cette manière on peut obtenir une composition analogue 4'.une peinture qu'on peut utiliser comme revêtement de la surface rugueuse d'un moule. de qualité .inférieure;
II est bien entendu que, sans s'écarter du principe de l'invention, on pourra imaginer de nombreuses variantes et modifioations.
<Desc / Clms Page number 1>
Process for making refractory molds
The present invention relates to a method of making refraotary molds particularly intended for the casting of metals and alloys with a high melting point, such as steel and stainless steels, or of non-ferrous alloys such as stainless cobalt-chromium alloy, and other high melting point materials such as platinum, platinum-iridium, platinum-rhodium alloys and the like.
Although the invention is more particularly intended for the making of molds for the casting of dentures, parts or elements of dentures, osteosurgical instruments, articles of jewelery, and similar devices and instruments, and to the precision molding of industrial parts, for example of gear elements, turbine blades and the like, it is understood that the invention '. is not limited to these particular applications, but can be used in other appropriate and desired fields.
<Desc / Clms Page number 2>
For the casting of allia, ges to. high melting point, it is necessary to choose molds of suitable refractory materials capable of withstanding the casting temperatures of the alloys. Until now, silica has been one of the main refractory constituents. Other refractory constituents are alumina, zirconia, silica-based refractory brick, magnesia-based refractory brick, molten magnesia, and many other materials already. known in the art of high temperature molding,
Apart from the appropriate choice of the refractory constituents intended for making the molds, it is important to use a binder making it possible to agglomerate the refractory constituents.
Certain types of binders such as organic silicates, and more particularly tetraethyl silicate and related organic silicates, have been employed with varying results. While the use of these organic silicates as refractory molding binders has advantages in casting small parts, it also has certain disadvantages for the large scale production of high precision castings.
For these organic silicates it is, for example, necessary to use ethyl alcohol, acetone or some other common solvent intended to act as a diluent. When large quantities of such molding materials are to be used, for example in large-scale production, the risk of fire is considerable. Other drawbacks arise under similar working conditions, for example the high cost price of these organic silicates and the complicated technique necessary for the composition and processing of the accessory elements, together with the products. organic silicates, to bring them to a state in which they can be used as binders.
<Desc / Clms Page number 3>
By virtue of the present invention, as will be described in detail below, the use of flammable materials is avoided, as is the complicated technique of composition of the binder, and a relatively inexpensive material is used for this purpose,
Another advantage results from the use of the new binder in combination with suitable refractory components. According to the invention, we have, for example, discovered a method of making refractory molds with the aid of a determined model having the maximum of detail and an extremely smooth surface, With synthetic materials similar to rubber, for example the "Korogel", we can reproduce most of the details of a given model.
After having made a "Korogel" mold on a model, this "Korogel" mold can be used to obtain one half or the whole of the defined refractory mold -. * Tif in which the high temperature alloy is to be cast. The application of the process according to the present invention makes it possible to obtain castings with very high precision, exhibiting the maximum of surface details and an extremely smooth surface.
One aim of the invention is to create refraotary molds capable of giving castings an extremely smooth surface and of reproducing the details with maximum finesse.
Another object of the invention is to produce molds having the surface exactly reproduced and a great sharpness of the details which one wishes to find on the castings *
Another object of the invention is to create a silica-based binder for the pulverized refractory materials forming the major part of the body of the mold ,,
Another object of the invention is to use a colloidal solution or suspension of silica for the preparation.
<Desc / Clms Page number 4>
tion of the desired molds,
Other main and auxiliary stops, as well as the advantages of the invention, will emerge from the detailed description below.
In the making of refractory molds, it has hitherto been customary to use a suitably pulverized refractory material, such as silica, alumina, magnesia, titanium oxide, beryllium oxide, mullite, sillimanits , and zirconia, alone according to its rate of inertia under the conditions of use of the mold, or in inert and non-fusible mixtures under the conditions of use.
These materials, alone or in mixtures, will be called hereinafter "refractory fillers", among which the finely ground silica, passing through the sieve of 12 to 46 meshes per square centimeter, is very suitable. The refractory filler is all the more suitable for obtaining a perfectly polished surface of the casting the more finely it is ground. The filler can be dosed with different grain sizes, in order to choose the surface effect. The dosage of grains of different sizes can also be used to obtain a mixture that can be effectively compacted under the action of a vibrator, or a mixture that prevents shrinkage cracks.
Preferably a vibration method is applied for the settlement of the refractory mixture, combined with the colloidal silica solution. After having mixed the refractory constituent with the. colloidal silica, until a consistency almost permitting pouring is obtained, the mixture is preferably subjected to a vibration applied all around the model until the mold is filled, and the latter is then preferably placed on a second vibrator, on which it is held until the complete settlement of the settlement Thanks to this vibration process, all the air bubbles are expelled and the constituent
<Desc / Clms Page number 5>
refraotaire can settle and settle to form a dense mold,
with such a density in contact with the model that it is possible to obtain a casting with an extremely smooth surface, with details of extreme finesse.
The vibration employed is intended to produce the settlement rather than an agitation. In a preferred mode of vibration, given by way of example, the material is subjected to the action of a first vibrator until it is compacted and until most of the air is expelled.
The second vibrator produces a vertical vibration of relatively great fineness, which is prolonged until the end of the settlement. Preferably, this last vibration is prolonged until all the air is eliminated and until when no liquid appears on the surface .-
It is also customary to use a variety of binders to maintain the refractory filler in the form of a permanent mold. The choice of kind and amount of the filler and the choice of kind and amount of liquid used with it. this filler have an influence on the accuracy of the mold.
According to the present invention, it is possible to use silica as a coating material or as an agglomerating agent for the refractory filler, which may or may not itself consist of silica. However, since silica is itself a refractory and insoluble material, a liquid silica slurry in a suitable form is employed.
Silica (eg silica gel) is well known with varying degrees of hydration and in different forms, eg as a dry solid, an aqueous colloidal gel, a solution colloidal aqueous, colloidal ethyl alcohol gel, colloidal alcohol solution
<Desc / Clms Page number 6>
ethyl, an organo-colloidal gel and an organo-colloidal solution. In one of these forms, the silica is dispersed in water or in another liquid, and can be diluted like other solutions with a liquid identical to the carrier, or with other suitable liquids.
One property of these solutions is that they are easily transformed into a gel by loss of liquid, or by a change in composition. During gelation, the particles agglomerate and form a binder.
By using a refractory filler and such a silica solution in sufficient quantity to form a suitable mixture permitting molding, and then initiating gelation, a solidified mold with very clear contours is obtained. This mold is then dried with a view to removing the amm, or other liquid introduced with the solution. During the drying of a mold made with an aqueous colloid, the silica may remain in the form of a hydrated gel. The water in the gel can be removed by heat in a proportion which depends on the temperature applied.
The hydrated silica gel has a great affinity for water, If the temperature to which it is subjected is increased, the water is eliminated in such a way that the product obtained at 150 C consists of silica of formula SiO2
The term “silica”, used in this description, always designates the anhydrous form SiO2, as well as any hydrated form generally having the formula (SiO2) x (H2o) y. Silicic acid si (OH) 4 is an example.
It has been discovered that the latter is a probable form of silica in aqueous colloidal solutions of silica obtained according to US Pat. No. 2,244,325
Consequently, and according to the present invention, the molds, constituted to contain hydrated silica,
<Desc / Clms Page number 7>
of the residual form of suspended silica. In the case of sodium silicate, the elimination is carried out in such a way that the proportion of the residue of Na2O in the solution, calculated in the form of Na2CO3, is of the order of 0.2%, the remainder being constituted - with free water and silica.
Solutions of this kind normally contain about 3% SiO2, but they can be concentrated to obtain 18 to SA% of '6102. The so-called "Aqua-sol" product has been concentrated to 32% whole solids, maintaining itself as a stable solution.
The pH of the aqueous colloidal solution influences the tendency to gelation. The suspension is all the more stable as the pH of the suspension is greater than, 7. This suspension has all the more tendency to gelation as the pH of the solution is closer to 7. Low pH solutions, slightly above or slightly below 7, are avoided when it is desired to obtain a solution capable of preserving. The pH can vary more or less between 3 and 11, while the solution is in the form of a suspension.
Solutions with a pH below 7 can be stable / and, when carbonated with CO2, they are more stable, even with a Ph- 2, To obtain stable solutions with a pH above 7 stabilizers such as sodium arbonate or ammonium compounds, for example hydroxide, carbonate and some other ammonium salts, can be used. It is understood that these stabilizers are effective in low proportions, In the case of sodium carbonate, for example, it may or may not react with the silie to form a sodium silicate, which matters little given that the most of the silica remains in the colloidal form
A change in pH can lead to a transformation.
<Desc / Clms Page number 8>
are neither completed nor stable with a refractory silica binder until they have been exposed to a temperature of about 150 ° C. Before using the molds thus dried to. air, for casting metals at a high melting temperature, for example a temperature of the order of 1.650 C, these molds are heated for some time by exposure to a temperature of the order of 930 to 1.205 C, preferably 1.040 ° C. Casting can take place at this temperature, but the mold can also be cooled to a temperature of 370 ° C., if desired.
On the other hand, the mold can be cooled to ambient temperature. The molten metal is preferably flowing in the mold while the latter is hot, but this way of proceeding, as well as the temperature employed, depend on the conditions of job. When the mold is used in a state of expansion resulting from heating, compensation is obtained for the shrinkage of the casting during cooling. The conditions of this compensation are empirical and depend on the. composition of the mold, the nature of the metal being cast and other factors.
Certain aqueous colloidal silica solutions are commercially available under the name "Nalcoag" and sold by the "National Aluminate Company" of Chicago. Other products having this general constitution, such as those sold as "Ethyl-sol" and "Aqua-sol", manufactured by the "Monsante Chemical Company" of St. Louis, are also available. US Patent No. 2,244,525 gives examples of processes for the preparation of the colloid.
As far as it has been possible to observe, the solutions of "Nalcoag" are prepared by extraction of ammonium or of another metallic base, such as Na2O, solutions of ammonium silicate or of a metal. , through. example of sodium silicate solutions, with hold
<Desc / Clms Page number 9>
mation of the suspension in a gel in a more or less long period, but controllable. Chemical reactions within the solution also produce foci of gelation by formation of a precipitable substance. These reacts. tions constitute a means to initiate gelation.
It has been discovered that certain substances, added in small proportions, intervene to initiate or accelerate gelation in one way or another. These blades will be called.
EMI9.1
tances of "gelation accelerator.
For the preparation of these gelation accelerators, an acid can be added to the stable alkaline solutions, and an alkali to the stable acid solutions, to lower or raise the pH respectively to a lower level of stability. As a result, a smaller amount of accelerator becomes efficient.
This result can be obtained by a single substance which can also act as an accelerator, but this substance does not act as an accelerator as long as it is present beyond the point of stability. Therefore, for the composition of a way intended for making a mold, a solution of
EMI9.2
low stability with a refractory die which is inaor = poré an accelerator, the gelification process being thus adjusted to intervene according to the choice of materials.
It is not necessary to use accelerators since the simple drying of the liquid of the molded mixture such as water or another liquid carrier derived from the silica slurry initiates the gelation of very stable solutions, under the influence of a concentration effect ,, Nevertheless, and according to the invention, it is preferable to accelerate the gelation so that:. the hardened, but not dry, molds can be quickly removed from the model or the like , which facilitates the rapid handling of the various molds during production;
<Desc / Clms Page number 10>
Experience has shown that curing molds without any accelerator is not as practical as when using an accelerator, since it is very difficult to completely dry the mold after gel hardening. without resulting in breaking the mold by the release of water vapor, and without forming a kind of hard carcass from the migration of the binder to the surface, and the evaporation of water. the surface.
It is also preferable to employ the accelerators for another purpose to which the invention easily lends itself.
If a very fluid mixture of refractory filial and colloidal silica solution is prepared, this mixture can be sprayed. ized on the model for the formation inside the mold of a surface layer in which all the details are printed. By incorporating an accelerator into this spray mixture, and spraying the latter before gelation, excellent model reproduction is obtained.
Here are some examples of suitable accelerators for aqueous silica colloids: calcium carbonate, calcium chloride, magnesium oxide, magnesium carbonate, ammonium carbonate sodium carbonate, carbonic acid, hydrochloric acid, sulfuric acid, etc., .. These products exert an action on THE PH of the colloidal solution) or react with this solution to form what can be called mineral silicates. In principle, it appears that all reactive electrolytes are good accelerators, although experience has shown that some reactive electrolytes are more effective than others.
On the other hand, some accelerators are not reactive electrolytes, which is the case for magnesium oxide for example.The accelerators normally act in proportions ranging from 0.01% to 1%, calculated according to the whole mixture.
<Desc / Clms Page number 11>
The amount of the colloidal silica solution used as a binder can vary within wide limits.
It is a function of the fineness and of the constitution of the refractory filler, of the concentration of silica in the solution, and of the degree of plasticity which the molding mixture must exhibit. For example, if the refractory filler is formed by silica passing through the 12 mesh sieve, and if the aqueous colloidal silica solution contains 6% solids and has a PH = 8.5, 100 parts by volume can be mixed. of silica with 22 to 26 parts by volume of silica solution to obtain mixtures that can be easily worked,
The gelation time varies according to the conditions of use and according to the proportion and the constitution of the accelerator used. These factors can be chosen to obtain a predetermined duration of gelation.
The material can be used in many ways
While the mixture exhibits the consistency of pouring, or roughly, this mixture can be vibrated as it surrounds a model. The vibration can be prolonged until the plot is filled with the mold, with a view to the complete expulsion of the air ...
This results in a tendency for the adjacent portion of the mixture of the model to settle, so that the surface of this portion becomes smooth and dense, which ensures excellent reproduction.
A fluid mixture can be sprayed onto a model, after which it is allowed to gel. After curing or drying, the coated model can then be coated in another part of the same mixture, or a different mixture. It is thus possible to apply a layer with a thickness of approximately one millimeter using spray pressures. cation from 2.1 to 5.6 kg / cm2.
<Desc / Clms Page number 12>
Models made from a fusible, volatile, volatilizable, or combustible material can be completely coated and then removed by melting or volatilization. The fusible materials that can be used for this purpose are wax, tin, and alloys. low melting point, metals at. low or high melting point. It is possible to use resin models which decompose and volatilize under the action of heat, for example in methyl-methacrylate,. A prolonged heating can be applied at a suitable temperature to remove the methyl-methacrylate by distillation, in the form of a monomer, leaving a minimum of resin. The
EMI12.1
polystyrolene can be employed in a manner similar to that of tnethyl-zethacrylate.
Cadmium, used for making metal models, can be melted or volatilized for removal from the mold.
Several already cured molds or molding elements can be assembled or incorporated into a multi-part mold by using more material for the incorporation. One of the advantages of aqueous colloidal silica, used as a binder, is that it is incapable of exerting a dissolving or swelling action on certain materials constituting the model, for example on resins or elastomers, materials similar to rubber, which can be adversely affected by an alcohol or other organic solvent present or arising during the making of a mold.
The absence of any solid organic material by which heat could deteriorate the mold is particularly advantageous.
Another advantage of the use of a liquid binder, containing silica substantially in the form of a suspension, in the liquid, is the almost total absence of a saline electrolyte in the mold, if we disregard of the small proportion used in the form of an acoelium
<Desc / Clms Page number 13>
rator.
Here are a few examples intended for the application of the invention: - EXAMPLE I
EMI13.1
<tb>
<tb> Silica <SEP> (sieve <SEP> to <SEP> the <SEP> Mesh <SEP> or <SEP> plus) <SEP>., .... <SEP> 100 <SEP> gr
<tb>
EMI13.2
Magnesium carbonate ', ".....'" "". "05 gr Colloidal silica solution 6% solids siost pH = 8.5 0 e # 14 26 00 Gelation time 4 3700 ........ .... 45 min, EXAMPLE II
EMI13.3
<tb>
<tb> Silica <SEP> (sand <SEP> marine <SEP> or <SEP> plus <SEP> coarse) <SEP> ....... <SEP> 23 <SEP> gr
<tb> Silica, <SEP> (sieve <SEP> to <SEP> 12 <SEP> meshes <SEP> or <SEP> plus) <SEP> ..... <SEP> 77 <SEP> gr
<tb>
EMI13.4
Ammonium carbonate .., .......... # 9 9.u #, * 0.3 gr
EMI13.5
<tb>
<tb> Colloidal <SEP> silica
<tb> (aqueous <SEP>:
<SEP> 12.6% <SEP> of <SEP> solids <SEP> siO2, <SEP> pH = 8.5) <SEP> 26 <SEP> ce
<tb>
EMI13.6
Gel time, b. 37 0 ......., ...... 50 mis. EXAMPLE III ''
EMI13.7
Silica (51 mesh or larger sieve) 1.,. *. '100 jer, Ammonium carbonate',, 6 s. 0 0 0 9 .. t 0 ... 0 0 o, a gr Aqueous colloidal silica: l3t6% solids $ i0a, pH = 10, $ 36 cc Gelation time a. 37 C1 ............. 7th min.
EXAMPLE IV (For spraying
EMI13.8
<tb>
<tb> Silica <SEP> (sieve <SEP> to <SEP> 46 <SEP> meshes <SEP> or <SEP> plus). ,, .... <SEP> 100 <SEP> gr
<tb> Colloidal <SEP> silica
<tb>
EMI13.9
(aqueous: 13.6% solids SIOS, PE- la, 6) 2600 EXAMPLE V
EMI13.10
<tb>
<tb> Silica <SEP> (sand <SEP> marine <SEP> or <SEP> plus <SEP> coarse) <SEP> ..... <SEP> 23 <SEP> gr
<tb> Silica <SEP> (sieve <SEP> to <SEP> 12 <SEP> meshes <SEP> or <SEP> plus) <SEP> ..... <SEP> 77 <SEP> gr
<tb>
EMI13.11
Magnesium oxide .., ......, ......., ....... 0.1 gr "Ethyl-sol" tl $ ', of 5i)., .... ......... 13.5 cc Alcohol (ethyl) ...................... 13.5 cc Gelation time at 35 0. ,., ... ...... 45 minz
EMI13.12
<tb>
<tb> Ethyl-sol <SEP> is <SEP> a <SEP> colloidal <SEP> <SEP> solution of <SEP> silica
<tb>
in a medium.
ethyl alcohol '.
<Desc / Clms Page number 14>
EXAMPLE VI
EMI14.1
<tb>
<tb> Silica <SEP> (sieve <SEP> to <SEP> 31 <SEP> meshes <SEP> or <SEP> plus) <SEP> ....... <SEP> 100 <SEP> gr
<tb>
EMI14.2
Magnesium oxide .................. 1 ... 0 0, olgx
EMI14.3
<tb>
<tb> "Aqua-sol" <SEP> (32,% <SEP> of <SEP> silica) <SEP> ................. <SEP> 27 <SEP > gr
<tb>
This formula is suitable for. application by spraying to obtain an exact surface. A solution of this kind can be concentrated at least to. 32% SiO2 while exhibiting good conservation properties.
In a preferred embodiment, an elastic molding material, such as the polymerized vinyl halide disclosed in U.S. Patent No. 1,929,453. is applied to a determined model, and the plastic mixture according to the present invention is then poured into the mold and subjected to vibration. This vibration compresses the refractory material, eliminates the air and ensures the desired density, while producing a perfectly smooth surface. The gelled mold is then dried in the air to remove free water from the mixture, but we maintain the water. combined with the silica binder formed first. Instead of air drying, one can use drying ovens operating at a modeled temperature, for example 100 C.
The dried mussels are then set aside if they are not to be used immediately for casting. At the time of use, the molds are heated to the elevated temperature previously indicated, with a view to the removal of water combined with the silica, or to expansion. Preferably, these molds are then used immediately to receive the molten metal, while they are still hot.
The mussels can be large or small. The relatively small molds, sheet metal which they are employed for dentures, jewelry articles, ot the like, are very advantageous ,, - Relatively small molds, as they are employed for the manufacture of complicated elements, by
<Desc / Clms Page number 15>
example of the blades of superchargers for turbines and the like, are very advantageous for the manufacture of very precise parts with a very smooth surface, with great fineness of detail and having a polished appearance, which eliminates or minimizes machining ,
finishing and polishing,
Large molds are also advantageous, but it is obvious that these molds must be handled with great care, more particularly when heating, to avoid such removal of residual or combined water that it would result in deterioration. ration of the mold.
Air-dried molds, made by spraying or vibrating a mixture, have hard and smooth surfaces. Their hardness protects them from scratches and they are perfectly resistant to water.
The molds made by other methods, for example using organic binders, have surfaces which may be rough and of inferior quality to that of the molds made according to the invention. The surface of these molds can be improved by applying an appropriate amount of the colloidal silica solution, preferably containing an accelerator. These molds can then be air dried, or heated for conversion. aqueous gel resulting in a non-aqueous solid hydrated gel. We - - . can finally heat them to obtain an anhydrous silica coating on the mold of inferior quality.
A desired proportion of refractory silica, or other filler, can be added to the coating composition. In this way a similar composition can be obtained. A paint which can be used as a coating of the rough surface of the coating. a mold. of lower quality;
It is understood that, without departing from the principle of the invention, it is possible to imagine numerous variants and modifications.