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PERFECTIONNEMENTS AUX COMPOSITIONS DE SABLE DE FONDERIE.
La présente invention est relative à des compositions de sable de fonderie destinées à la confection de moules et de noyaux. Elle se rap- porte plus particulièrement à des modifications apportées aux compositions de sable de fonderie, modifications grâce auxquelles ces dernières se tra - vaillent mieux et donnent moins de moulages défectueux.
L'invention a pour objet : - une composition pour moules en sable de fonderie comprenant du sable de fonderie, de l'argile, de l'eau et un polyélectrolyte polymé- risé soluble dans l'eau ayant un poids moléculaire moyen d'au moins 100000 et contenant une chaine de carbone continue sensiblement droite ré- sultant de la polymérisation d'un groupe aliphatique non saturé; - un moule en sable de fonderie comprenant un mélange foulé de sable de fonderie, d'argile, d'eau et d'un polyélectrolyte,, ce moule présentant une dureté sensiblement uniforme de haut en bas, à la surface et à l'intérieur, ce polyélectrolyte étant un polyélectrolyte polymérisé soluble dans l'eau, ayant un poids moléculaire moyen d'au moins 10.000 et contenant une chaîne d'atomes de carbone continue sensiblement droite, résultant de la polymérisation d'un groupe aliphatique non saturé;
- un procédé de préparation de compositions pour moules en sa- ble de fonderie, procédé qui consiste à mélanger du sable de fonderie et de l'argile avec un polyélectrolyte pour obtenir un mélange homogène et d'ajouter ensuite de l'eau en continuant le mélange, grâce à quoi on obtient une composition pour moule en sable de fonderie présentant une coulabilité élevée,le polyélectrolyte synthétique précité étant un polyélec- trolyte polymérisé soluble dans l'eau ayant un poids moléculaire moyen d'au moins 100000 et contenant une chaîne de carbone continue sensiblement droite résultant de la polymérisation d'un groupe aliphatique non saturé;
- un procédé de fabrication d'un moule en sable de fonderie,
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procédé qui comprend les stades suivants % on mélange du sable de fonde- rie, de l'argile et un polyélectrolyte pour obtenir un mélange homogène à partir de ceux-ci; on ajoute de l'eau au mélange en continuant le mélange on fait couler le mélange dans un châssis, enfin, on foule le mélange dans le châssis,, grâce à quoi on obtient un moule présentant une dureté uni- forme,le polyélectrolyte précité :
tant un polyélectrolyte polymérisé so- luble dans l'eau ayant un poids m@léculaire moyen d'au moins 10..000-et contenant une chaîne de carbone tinue sensiblement droite résultant de la polymérisation d'un groupe aliphatique non saturée
Dans la confection de moules et de noyaux destinés à la cou- lée de métaux portés à haute température, il est de pratique courante d'u- tiliser un sable de base constitué essentiellement par de la silice aussi exempte que possible 'd'impuretés organiques contaminantes Pour confec- tionner des moules, on mélange le sable avec de faibles pourcentages d'ar- gile et d'eau et, fréquemment, de farine ou de céréales. On tasse le mé- lange dans un châssis ou boite de moulage contre un modèle afin de former le moule . On coule alors du métal en fusion dans le moule.
Si l'on a be- soin d'un noyau en sable, un stade supplémentaire d'étuvage est nécessaire avant la coulée du métal en fusion.
Un problème de première importance lors de l'utilisation des moules en sable est la formulation des compositions de sables utilisées pour la confection des moules. Les compositions comprennent essentielle- ment de l'argile et de l'eau mais, si l'on n'utilise que ces ingrédients, chaque stade opératoire constitue une opération extrêmement déterminante, c'est-à-dire qu'on doit contrôler rigoureusement la pureté et les quantités utilisées de chacun des ingrédients, le processus de mélange devant s'effec- tuer suivant un cycle précis ne permettant sensiblement aucune variation et le processus de tassage exigeant de grands soins.
On a fait de nombreux essais pour obtenir des compositions de base pour sable de moulage qui se travailleraient mieux et rendraient de ce fait les phases opératoires moins critiques.. Ceux qui ont donné les meilleurs résultats ont été ceux comportant l'addition de diverses farines ou céréales, de matières carbonées telles que du charbon de terre, et des résines naturelles telles que de l'asphalte, des bitumes, etc... L'addi- tion de ces matières augmente la résistance des moules et améliore leur état de surface. Mais de telles compositions exigent encore qu'on contrô- le avec soin la teneur en eau et en argile ainsi que des opérations de mélange et de tassage.
L'invention a pour objet : - une nouvelle composition pour moules en sable de fonderie; - des compositions pour moules en sable de fonderie pouvant mieux se travailler; - une composition perfectionnée pour moules en sable de fonde- rie qui ne s'agglomère par au cours des opérations de mélange; - une composition pour moules en sable de fonderie qui s'acco- mode d'une plus grande quantité d'eau et permet de réaliser de façon plus parfaite la répartition de'l'eau dans la composition en produisant cepen- dant des moulages satisfaisants.
Ces résultats ainsi que d'autres sont obtenus, conformément à l'invention, en incorporant un polyélectrolyte synthétique dans les compositions usuelles pour moules en sable qui comprennent du sable, de 1' argile et de l'eau et, si on le désire, d'autres agents d'addition tels que de la farine, des céréales, des fibres de bois,des asphaltes, etc...
Les exemples indiqués ci-après sont donnés à titre non limi- tatif . Les parties qui sont mentionnées sont des parties en poids.
EXEMPLE I.
Dans un broyeur normal., on broie ensemble 675 parties de vieux sable, 125 parties de bentonite et 0,5 partie de sel sodique de polyacry-
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lonitrile partiellement hydrolisé, jusqu'à ce que les ingrédients secs pa- raissent être intimement mélangés entre eux. On ajoute alors au mélange
200 parties de sable de fonderie neuf contenant environ 40 parties d'eau, et on mélange les ingrédients ensemble jusqu'à ce qu'on obtienne un mélange uniforme de tous les ingrédients.
On passe une partie du mélange au tamis n 6 afin de déterminer la teneur en boulettes d'argile du mélange. Dans les conditions opératoi- res normales où l'on n'utilise pas de polyélectrolyte, la teneur en bou- lettes d'argile est de 4 à 5%. Si l'on utilise le mélange contenant le polyélectrolyte, la teneur en boulettes d'argile va de 0,1 à 0,5%.
On confectionne un moule normal en partant du mélange indiqué dans l'exemple en le tassant ou le damant par un procédé classique dans un châssis ou boite de moulage. Le tassage de cette composition de sable dans le châssis produit un moule en sable qui est uniforme et dans lequel on ne peut pas découvrir de concentration localisée des ingrédients en- trant dans la composition considérée. Si l'on utilise le mélange usuel sans polyélectrolyte, on constate souvent que l'eau ou l'argile, ou les deux à la fois, se trouvent irrégulièrement répartis dans le moule entier et ces points de concentration d'eau ou d'argile sont plus denses et ren- dent le moule non homogène.
A l'état vert, la résistance à la compression du moule contenant le polyélectrolyte est d'environ 1,30 kg/cm2, tandis que la même composition ne comportant pas le polyélectrolyte donne un mou- le présentant une résistance à vert d'environ 1,17 kg/cm2.
On met en évidence la différence d'uniformité entre les moules contenant du polyélectrolyte et ceux qui n'en contiennent pas en essayant au pénétromètre une section transversale verticale de ces moules. Pour effectuer les essais, on confectionne des moules dans une caisse d'essai ayant des côtés amovibles. On enlève les côtés et l'on soumet les moules à l'essai de dureté, après quoi on les coupe en deux avec soin par une coupe verticale faite de haut en bas, l'essai étant effectué sur la sec- tion transversale ainsi découverte. Les moules confectionnés à l'aide de compositions contenant le polyélectrolyte présentent une dureté uni- forme de haut en bas et-du centre vers les bords, que l'essai porte sur les surfaces extérieures des moules ou sur des sections transversales de ces derniers.
Des moules confectionnés à l'aide de compositions qui sont les mêmes? sauf qu'elles ne comportent pas de polyélectrolyte., pré- sentent fréquemment des points localisés d'une extrême dureté, générale- ment au voisinage de la partie inférieure du moule. On trouve également des points durs là où sont localisées des concentrations d'argile, d'eau ou des deux à la fois. On ne rencontre pas une telle répartition irré- gulière de l'argile et de l'eau dans les compositions contenant le polyélec- trolyte .
EXEMPLE II.
On prépare une composition pour moules en sable à partir d'un sable siliceux normal et de bentonite en utilisant 8 parties de bentonite pour 88 parties de sable et environ 4 parties d'eau. On divise cette masse en quatre portions égales. On confectionne un moule en utilisant la portion n 1 sans autre addition. A la portion n 2, on ajoute 0,2 % en poids d'un sel sodique d'un polyacrylonitrile hydrolysé. On mélange les ingrédients ensemble et on les utilise pour confectionner un moule. A la portion n 3, on ajoute 1,5% en poids d'eau, on mélange et l'on confection- ne un moule. A la portion n 4, on ajoute 1,5 % en poids d'eau et 0.2% en poids du sel sodique de polyacrylonitrile hydroisé. On coule de la fonte maléable dans les moules.
La portion n 1 susmentionnée constitue une composition clas- sique pour moules en sable. Les moules confectionnés à l'aide de cette composition présentent une résistance à la compression à vert d'environ 0,7 kg/cm2, une perméabilité d'environ 70 et une dureté de 55 à 75, cha- cune des valeurs ainsi indiquées étant déterminée par des essais classi- ques de la Société "American Foundry Association;. Les moules comportent
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de fagon générale un certain nombre de vides et les moulages obtenus au moyen de ces moules présentent une rugosité de surface considérable qu'on doit faire disparaître par une opération de finition.
Les moules confectionnés au moyen de la portion n 2 présen- tent une résistance à la compression à vert d'environ 0,56 kg/cm2, une perméabilité d'environ 60 et une dureté allant de 60 à 65. On ne décou- vre sensiblement pas de vides dans les moules et les moulages obtenus à l'aide de ces moules sont excellents et ne présentent que peu ou pas de rugosité, ce qui fait qu'ils n'exigent que peu ou pas de travail de finition.
Les moules confectionnés à l'aide de la portion n 3 présen- tent une résistance à la compression à vert d'environ 0,63 kg/cm2, une perméabilité d'environ 40 et une dureté allant de 60 à 86. Les moules comportent un certain nombre de vides et les moulages réalisés à l'aide de ces moules montrent que les moules sont fortement pénétrés par le métal et que des parties de sable sont calcinées.
Les moules confectionnés à l'aide de la portion n 4 présen- tent une résistance à la compression à vert d'environ 0,49 kg/cm2, une perméabilité d'environ 50 et une dureté allant de 50 à 65. On remarque quelques vides dans les moules. Les moulages obtenus au moyen de ces moules sont assez semblables à ceux obtenus en utilisant des moules con- fectionnés à l'aide de la portion n 1. Ces moulages présentent de légè- res rugosités ainsi qu'il faut s'y attendre par suite des quelques vides existant sur les surfaces des moules, mais il n'y a pas de pénétration des moules par l'acier en fusion et le sable ne présente pas de parties cal- cinées.
Cet ensemble d'essais montre que si l'on ajoute 0,2% en poids d'un polyélectrolyte à une composition pour moules en sable, la quantité d'eau contenue dans cette composition en sable devient beaucoup moins critique, ce qui permet de relâcher partiellement le contrôle strict de la teneur en eau qui était jusqu'ici nécessaire lors de la production de moules en sable.
La confection des moules à l'aide des diverses portions indi- quées dans l'exemple II montre que les compositions qui ne contiennent pas de polyélectrolyte présentent quelques difficultés au cours de l'opé- ration de tassage. Les compositions ne se tassent pas régulièrement à moins qu'on ne remplisse le châssis de manière régulière et qu'on exé- cute ensuite le tassage avec soin.
Quand les portions utilisées contien- nent le polyélectrolyte, on peut garnir rapidement les châssis, sans don- ner beaucoup d'attention à la répartition du produit dans les châssis et on les tasse rapidement en une masse de compacité uniforme
Des moules confectionnés à l'aide des portions n 2 et n 4, coupés en deux et soumis à l'essai de dureté sur le plan vertical, ne pré- sentent sensiblement pas de différence de dureté d'un point à un autre.
Les moules confectionnés à l'aide des portions n 1 et n 3 sont considérablement plus durs à la partie inférieure, cette dureté diminuant progressivement vers le haut.
Il résulte des essais 1 et 2 que l'addition d'un polyélectro- lyte à une composition pour moules en sable atténue le caractère critique du contrôle de l'eau entrant dans les compositions, empêche presque com- plètement la formation de boulettes d'argile et élimine au moins partiel- lement l'apparence de vides dans les moules. De plus, lorsqu'on réduit la quantité de polyélectrolyte à 0,05 % en poids, la résistance à vert des moules n'est pas abaissée et elle peut même être relevée par la présence du polyélectrolyte.
Le polyélectrolyte utilisé dans les exemples I et II est le sel sodique d'un polyacrylonitrile ayant un degré moyen de polymérisation d'environ 1.000 et qui a été simultanément hydraté et hydrolisé, de telle
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sorte qu'environ 25% des groupes nitrile d'origine ont été transformés en groupes amide et que 75% des groupes nitrile d'origine ont été transfor- més en groupes carboxyle.
EXEMPLE III.
On mélange 100 parties de sable de fonderie contenant environ
2% en poids d'argile avec 5j7 parties d'eau et 0,05 partie d'un copolymère d'acétate de vinyle et d'anhydride maléiquea On doit effectuer le mélange en broyant ensemble le sable et le polyélectrolyte copolymérisé sec pen- dant environ 2 minutes; on ajoute alors l'eau et l'on continue le mélange pendant environ 4 minutes. La composition obtenue présente un toucher ex- ceptionnellement sec; elle s'écoule de façon régulière et uniforme et ne contient sensiblement pas de boulettes d'argile.
On place facilement et uniformément cette composition dans des châssis de moulage, que le remplis- sage du moule soit effectué par des procédés par secousses, par projection, par pression ou par tassageo Les moules ainsi confectionnés présentent une résistance à la compression à vert de 0,49 à 0,55 kg/cm2 et une perméa- bilité à vert de 80. On ne voyait sensiblement aucune fissure dans les moules. Ces résultats sont exceptionnels, étant donné que la quantité d'eau utilisée est d'environ 25% supérieure à la quantité normale.
Lorsqu'on prépare une composition semblable à celle indiquée dans l'exemple III sans utiliser le polyélectrolyte, cette composition est très humide, contient de nombreuses boulettes d'argile, donne un ser- rage irrégulier:,! dans les boites ou châssis de moulage et les moules à vert confectionnes à l'aide de cette composition présentent de nombreuses fissures. Les moules ainsi obtenus ont une résistance à la compression à vert de 0,49 à 0,51 kg./cm2 et une perméabilité d'environ 96.
Les polyélectrolytes conformes à l'invention améliorent éga- lement les compositions de- sable de fonderie contenant des produits d'ad- dition bitumineux. On a constaté que, malgré l'enduit bitumineux qui se trouve sur les particules de sable et d'argile, les polyélectrolytes con- tinuent à exercer leur action et donnent une composition plus uniforme, plus sèche et s'écoulant plus librement, composition qui permet d'obtenir des moules ne présentant sensiblement pas de fissures superficielles.
EXEMPLE IV
On mélange ensemble à l'état pulvérulent sec, 100 parties de sable de silice humide et propre, 0,036 partie de farine de mais, 0,178 partie d'asphalte, 0,043 partie de charbon de terre, 0,32 partie d'argile et 0,05 partie d'un copolymère d'anhydride maléique et d'acétate de vinyle dans un broyeur classique pendant 2 minutes. On ajoute 2,2 parties d'eau et l'on continue le broyage pendant environ 4 minutes. On obtient une composition qui s'écoule librement, qui parait sèche au toucher et qu'on peut tasser facilement au cours des opérations usuelles. Les moules confectionnés à l'aide de cette composition n'ont sensiblement pas de fis- sures superficielles. Ils ont une résistance à la compression à vert d'environ 0,67 kg/cm2 et une perméabilité d'environ 102.
A l'analyse, on a constaté que la composition de l'exemple IV présente environ 4% d'humidité.
On a obtenu sensiblement les mêmes résultats en utilisant la même combinaison et en ajoutant environ 0,8 partie d'eau en plus.
Si l'on produit à nouveau la composition décrite dans l'exemple IV sans ajouter le polyélectrolyte, les moules confectionnés à l'aide de la composition passée au broyeur ont une résistance à vert et une perméabilité beaucoup plus élevées, mais ils sont inférieurs au point de vue des ca- ractéristiques de tassage du sable et de sa coulabilité et ils présentent de nombreuses fissures.
Pour obtenir les résultats optima, on doit maintenir la quantité de polyélectrolyte utilisée entre les limites de 0,02 et 0,1 partie pour 100 parties de sable Entre ces limites, on observe de légères variations
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de la résistance à la compression à vert et de la perméabilité, et les can- positions correspondantes se travaillent beaucoup mieux, c'est-à-dire que la quantité d'eau utilisée présente moins d'importance; il en est de même de-l'opération de damage ou de tassage et l'on peut à peu près éliminer les opérations de finition, étant donné que les surfaces des moules sont à peu près parfaites. On peut utiliser plus de polyélectrolyte jusqu'à au moins 1,0 partie. aux dépens de la résistance à vert, mais avec l'avantage qu'il est possible d'utiliser des quantités d'eau encore plus grandes.
L'expression upolyélectrolytelt, utilisée au cours de la présen- te description,, désigne des composés polymérisée qui s'ionisent au contact de l'eau en formant des ions de grande dimension contenant plusieurs loca- lisations chargées. Les polyélectrolytes peuvent être chargés négativement (polyanions) ou chargés positivement (polycations). Les électrolytes poly- anions sont plus facilement disponibles et sont plus efficaces dans la mise en oeuvre de la présente invention.
Pour qu'ils soient utilisables dans la mise en oeuvre'de la présente invention, les polyélectrolytes doivent avoir un poids moléculaire élevé, de préférence supérieur à 10.000 et avoir une structure sensiblement droite d'une chaîne continue d'atomes de carbone qui résulte de la polymérisation oléfinique d'un composé comportant un seul groupe aliphatique non saturé à liaison entre atomes de carbone.
Les polymères solubles dans l'eau peuvent résulter de la poly- mérisation d'un ou de plusieurs composés non saturés, tels que l'acétate de vinyle, le chlorure de vinyle, l'anhydride maléique, l'acide fumarique l'éther $méthylvinylique, l'isobutylène, les vinylamines, l'éthylène, l'a- cide acrylique, l'acide -méthacrylique, les sels et les amides de ces acides non saturés et d'autres acides non saturés, ainsi que d'autres composés . contenant une double liaison unique entre atomes de carbone. Les polyélec- trolytes solubles dans l'eau peuvent également résulter d'une modification. chimique d'un polymère différent qui peut être entièrement insoluble dans l'eau.
Les polyélectrolytes appropriés sont les copolymères d'acétate de vinyle et d' anhydride maléique, l'acide polyacrylique, l'acide.poly- méthacrylique, les sels de métaux alcalins, d'ammonium et de calcium des acides polacrylique et polyméthacrylique, les sels d'ammonium du copolymère d'isobutylène et d'acide maléique, le polyvinyl pyridine, le copolymère de styrène et d'acide maléique, le sel de calcium du copolymère d'acétate de vinyle et du méthyl ester partiel de l'acide maléique, le polyacrylamide, le polyacrylonitrile hydrolisé, le polystyrène sulfoné, la polyvinyl pyri- dine et d'autres polymères solubles dans l'eau comportant une structure en chaîne continue d'atomes de carbone et les produits hydrophiles de sub- stitution.
L'expression "polymères solubles dans l'eau", telle qu'on l'uti- lise dans la présente description et dans le résumé, comprend les polymères qui forment avec l'eau des mélanges homogènes, les polymères difficilement solubles dans l'eau qui, en présence d'eau, se gonflent et se dissolvent au moins dans une certaine mesure et même certains polymères apparemment insolubles dans l'eau distillée mais qui ont tendance à se dissoudre dans l'eau du sable de fonderie. Cette solubilité permet le déplacement des mo- lécules au sein de la masse de sable par l'intermédiaire de l'humidité contenue dans cette masse.
Les compositions pour moules en sable conformes à la présente invention contiennent quatre ingrédients essentiels, à savoir : le sable de silice, l'argile, l'eau et le polyélectrolyte. Il peut y avoir d'autres ingrédients d'utilisation classique en fonderie comprenant des résines na- turelles et synthétiques thermoplastiques et thermodurcissables ? des fari-, nes ou des céréales, du charbon de terre, des escarbilles, de la zirconite etc=...
Le sable peut être l'un quelconque des sables de silice lavés communément utilisés tels que le sable de "Geauga Float", le sable liant d'"Ottawa Bonding," le sable de silice dé New Jersey, le sable de silice
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d'Ottawa, le sable connu aux Etats-Unis d'Amérique sous le nom de Tortage
Crude Sand", le sable des bands de Juniata, le sable de Ohio Geauga, le sable à noyaux de Providence le sable des bancs du "Wisconsin Silks" etc... On soumet quelquefois ces sables à un lavage pour les débarrasser des impuretés organiques et on ne les sèche qu'incomplètement. Les sables contiennent généralement une partie de l'humidité nécessaire à la confec- tion de bons moules .
Les sables bruts ou lavés peuvent contenir un peu d'argile qui peut être suffisante pour des moulages de types particuliers. Cependant, il est en général désirable d'ajouter de l'argile au sable. A cet égard, diverses bentonites, argiles réfractaires, etc... ont un effet utile. La quantité d'argile pour 100 parties de sable doit être comprise entre 1,0 et 25 parties. Une teneur inférieure à 1,0 partie empêche les moules de prendre une résistance à vert et une dureté adéquates. Une teneur supérieu- re à 15 parties donne au moule une compacité et une imperméabilité qui em- pêchent les gaz de s'échapper au cours de la coulée. En vue de certains résultats, on peut désirer obtenS'un moule compact de ce genre, aussi peut-on utiliser jusqu'à 25 parties d'argile.
Toutefois, en ce qui concerne-l'argile, se pose le problème de la formation de boulettes au cours de l'opération de mélange. Pour ré- duire cette formation,. on mélange d'ordinaire l'argile à l'état sec avec le sable pendant un temps court et l'on ajoute ensuite l'eau, après quoi on soumet à un broyage continuo Même si l'addition d'eau est effectuée avec un soin extrme, les boulettes se forment en nombre considérable. En ajou- tant une faible quantité, telle que 0,05 partie, de polyélectrolyte, on empêche sensiblement la formation de boulettes et le mélange devient une opération beaucoup moins critïqueo
Antérieurement à la présente invention, l'utilisation de l'eau a soulevé de nombreuses difficultés dans les travaux de fonderie usuels.
Elle est essentielle à la composition, mais la quantité utilisée devait être maintenue entre d'étroites limites. Fréquemment, on a constaté qu'il était nécessaire de contrôler la quantité d'eau à 0,5 partie près, par exem- ple, de la maintenir de 4,0 à 4,5 ou de 3,0 à 3,5 parties. Lorsqu'on ajoute le polyélectrolyte, on peut tolérer des quantités d'eau beaucoup plus im- portantes . L'avantage le plus surprenant de l'utilisation des polyélectro- lytes, en ce qui concerne l'eau, apparaît au cours de l'opération de damage.
Dans cette opération, on dame le sable dans un châssis ou une boîte de mé- lange autour d'un modèle, par des procédés par tassage, par secousses, par projection, par pression, etc... Sans le polyélectrolyte, on constate qu' on ne peut pas facilement éliminer des zones localisées présentant une te- neur en eau élevée. Ces zones à teneur en eau élevée se tassent jusqu'à un état imperméable relativement compacto Les zones à faible teneur en eau se comportent mal au tassage et les particules présentent entre elles rela- tivement peu de cohésion, ce qui crée des sections faibles dans le moule et des fissures. En outre, l'eau en excès qui, comme dans les sables de moulage ordinaires, se transforme en vapeur sous l'action de la tempé- rature du métal en fusion, provoque des soufflures ou des pailles dans les moulages.
Lorsqu'on utilise un polyélectrolyte, même avec un excès d'eau, il ne se produit pas sensiblement de soufflures. L'addition du po- lyélectrolyte fait sensiblement disparaître toutes ces difficultés, les conditions dans lesquelles on effectue le damage perdent leur caractère déterminant, on obtient des moules de compacité et de résistance unifor- mes et l'on ne voit pas sensiblement de fissures à la surface des moules.
On peut résumer les divers avantages énumérés ci-dessus en disant que les compositions de sable de fonderie objet de l'invention ob- tenues par l'introduction dans ces compositions de faibles quantités des polyélectrolytes conformes à l'invention augmentent de façon remarquable la coulabilité des compositions de sable de fonderie. Etant donné qu'en fonderie un degré élevé de coulabilité est nécessaire, toute augmenta- tion importante de cette qualité présente une importance considérable.
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Il est bien évident que l'on peut apporter diverses modifica- tions aux produits et aux procédés que l'on vient de décrire sans s'écar- ter pour cela de 1 esprit et de la portée de la présente invention.
REVENDICATIONS.
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IMPROVEMENTS TO FOUNDRY SAND COMPOSITIONS.
The present invention relates to compositions of foundry sand intended for making molds and cores. It relates more particularly to modifications made to the compositions of foundry sand, modifications by which the latter work better and give fewer defective castings.
The invention relates to: a composition for foundry sand molds comprising foundry sand, clay, water and a water-soluble polymerized polyelectrolyte having an average molecular weight of at least. less 100,000 and containing a substantially straight continuous carbon chain resulting from the polymerization of an unsaturated aliphatic group; - a foundry sand mold comprising a crushed mixture of foundry sand, clay, water and a polyelectrolyte, this mold having a substantially uniform hardness from top to bottom, on the surface and inside , said polyelectrolyte being a water soluble polymerized polyelectrolyte having an average molecular weight of at least 10,000 and containing a substantially straight continuous carbon chain resulting from the polymerization of an unsaturated aliphatic group;
a process for preparing compositions for foundry sand molds, which process consists of mixing foundry sand and clay with a polyelectrolyte to obtain a homogeneous mixture and then adding water while continuing the process. mixture, whereby a casting sand mold composition exhibiting high flowability is obtained, the above synthetic polyelectrolyte being a water soluble polymerized polyelectrolyte having an average molecular weight of at least 100,000 and containing a chain of substantially straight continuous carbon resulting from the polymerization of an unsaturated aliphatic group;
- a process for manufacturing a foundry sand mold,
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a process which comprises the following steps: mixing foundry sand, clay and a polyelectrolyte to obtain a homogeneous mixture therefrom; water is added to the mixture while continuing the mixture, the mixture is made to flow into a frame, finally, the mixture is pressed into the frame ,, whereby a mold is obtained having a uniform hardness, the aforementioned polyelectrolyte:
both a water soluble polymerized polyelectrolyte having an average molecular weight of at least 10 ... 000 and containing a substantially straight thin carbon chain resulting from the polymerization of an unsaturated aliphatic group
In the manufacture of molds and cores intended for the casting of metals brought to high temperature, it is common practice to use a base sand consisting essentially of silica as free as possible of organic impurities. Contaminants To make molds, sand is mixed with small percentages of clay and water and, frequently, flour or grain. The mixture is packed in a mold frame or box against a template to form the mold. Molten metal is then poured into the mold.
If a sand core is required, an additional baking stage is required before the molten metal is poured.
A problem of primary importance when using sand molds is the formulation of the sand compositions used for making the molds. The compositions consist essentially of clay and water but, if only these ingredients are used, each stage of the operation is an extremely decisive operation, that is to say one must be strictly controlled. the purity and quantities used of each of the ingredients, the mixing process having to be carried out according to a precise cycle allowing little variation and the tamping process requiring great care.
Numerous attempts have been made to obtain base compositions for molding sand which would work better and thereby make the operating phases less critical. Those which gave the best results were those comprising the addition of various flours or cereals, carbonaceous materials such as charcoal, and natural resins such as asphalt, bitumens, etc. The addition of these materials increases the strength of the molds and improves their surface condition. But such compositions still require careful control of the water and clay content as well as mixing and tamping operations.
The subject of the invention is: a novel composition for molds made of foundry sand; - compositions for foundry sand molds that can work better; - an improved composition for foundry sand molds which does not agglomerate during mixing operations; - a composition for foundry sand molds which accommodates a greater quantity of water and allows the distribution of water in the composition to be carried out more perfectly, while nevertheless producing satisfactory moldings. .
These and other results are obtained, in accordance with the invention, by incorporating a synthetic polyelectrolyte into the usual compositions for sand molds which comprise sand, clay and water and, if desired, other additives such as flour, cereals, wood fibers, asphalts, etc.
The examples given below are given without limitation. The parts which are mentioned are parts by weight.
EXAMPLE I.
In a normal grinder, 675 parts of old sand, 125 parts of bentonite and 0.5 part of sodium polyacryphalate are crushed together.
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partially hydrolyzed lonitrile, until the dry ingredients appear to be thoroughly mixed with each other. We then add to the mixture
200 parts of new foundry sand containing about 40 parts of water, and the ingredients are mixed together until a uniform mixture of all the ingredients is obtained.
Part of the mixture is passed through a No. 6 sieve to determine the content of clay pellets in the mixture. Under normal operating conditions where no polyelectrolyte is used, the clay pellet content is 4 to 5%. If the mixture containing the polyelectrolyte is used, the content of clay pellets ranges from 0.1 to 0.5%.
A normal mold is made from the mixture indicated in the example by tamping or tamping it by a conventional process in a frame or mold box. Packing this sand composition into the frame produces a sand mold which is uniform and in which no localized concentration of the ingredients entering into the composition can be found. If we use the usual mixture without polyelectrolyte, we often find that water or clay, or both at the same time, are found irregularly distributed in the whole mold and these points of concentration of water or clay. are more dense and make the mold non-homogeneous.
In the green state, the compressive strength of the mold containing the polyelectrolyte is about 1.30 kg / cm2, while the same composition without the polyelectrolyte gives a mold having a green strength of about 1.17 kg / cm2.
The difference in uniformity between molds containing polyelectrolyte and those without polyelectrolyte is demonstrated by testing a vertical cross section of these molds with a penetrometer. To carry out the tests, molds are made in a test case having removable sides. The sides are removed and the molds are subjected to the hardness test, after which they are carefully cut in half by a vertical cut made from top to bottom, the test being carried out on the cross section thus discovered. . Molds made from compositions containing the polyelectrolyte exhibit uniform hardness from top to bottom and center to edge whether tested on the exterior surfaces of the molds or on cross sections thereof.
Molds made using compositions that are the same? except that they do not contain polyelectrolyte, frequently have localized spots of extreme hardness, generally in the vicinity of the lower part of the mold. There are also hard spots where there are concentrations of clay, water, or both. Such an uneven distribution of clay and water is not encountered in the compositions containing the polyelectrolyte.
EXAMPLE II.
A sand mold composition is prepared from normal silica sand and bentonite using 8 parts of bentonite to 88 parts of sand and about 4 parts of water. This mass is divided into four equal portions. A mold is made using portion # 1 without any further addition. To portion # 2, 0.2% by weight of a sodium salt of a hydrolyzed polyacrylonitrile is added. The ingredients are mixed together and used to make a mold. To portion 3, 1.5% by weight of water is added, mixed and a mold made. To portion 4, 1.5% by weight of water and 0.2% by weight of the sodium salt of hydroized polyacrylonitrile are added. Cast iron is poured into the molds.
The above-mentioned portion No. 1 constitutes a conventional composition for sand molds. The molds made using this composition have a green compressive strength of about 0.7 kg / cm2, a permeability of about 70 and a hardness of 55 to 75, each of the values thus indicated being determined by classic American Foundry Association tests. The molds include
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in general a certain number of voids and the castings obtained by means of these molds have a considerable surface roughness which must be removed by a finishing operation.
The molds made from portion 2 exhibit a green compressive strength of about 0.56 kg / cm2, a permeability of about 60 and a hardness ranging from 60 to 65. We do not find out Substantially no voids in the molds and the castings obtained using these molds are excellent with little or no roughness so that they require little or no finishing work.
The molds made using portion # 3 have a green compressive strength of about 0.63 kg / cm2, a permeability of about 40 and a hardness ranging from 60 to 86. The molds have a number of voids and the casts made using these molds show that the molds are strongly penetrated by the metal and that parts of the sand are calcined.
The molds made using portion 4 have a green compressive strength of about 0.49 kg / cm2, a permeability of about 50 and a hardness ranging from 50 to 65. We note a few. empty in the molds. The moldings obtained by means of these molds are quite similar to those obtained by using molds made with the aid of portion no. 1. These moldings have slight roughness as is to be expected from this. the few voids existing on the surfaces of the molds, but there is no penetration of the molds by the molten steel and the sand does not show calcined parts.
This set of tests shows that if 0.2% by weight of a polyelectrolyte is added to a composition for sand molds, the amount of water contained in this sand composition becomes much less critical, which makes it possible to partially loosening the tight control of water content that was heretofore necessary in the production of sand molds.
The making of the molds using the various portions indicated in Example II shows that the compositions which do not contain polyelectrolyte present some difficulties during the tamping operation. The compositions do not settle evenly unless the frame is filled evenly and then compacted with care.
When the portions used contain the polyelectrolyte, the frames can be packed quickly, without paying much attention to the distribution of the product in the frames, and they are quickly packed into a mass of uniform compactness.
Molds made using Portions # 2 and # 4, cut in half and tested for vertical hardness, show substantially no difference in hardness from point to point.
The molds made using portions n 1 and n 3 are considerably harder at the bottom, this hardness gradually decreasing towards the top.
It results from Tests 1 and 2 that the addition of a polyelectrolyte to a composition for sand molds alleviates the criticality of controlling the water entering the compositions, almost completely prevents the formation of pellets. clay and at least partially eliminates the appearance of voids in the molds. In addition, when the amount of the polyelectrolyte is reduced to 0.05% by weight, the green resistance of the molds is not lowered and it can even be raised by the presence of the polyelectrolyte.
The polyelectrolyte used in Examples I and II is the sodium salt of a polyacrylonitrile having an average degree of polymerization of about 1,000 and which has been simultaneously hydrated and hydrolyzed, so
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so that about 25% of the original nitrile groups have been converted to amide groups and 75% of the original nitrile groups have been converted to carboxyl groups.
EXAMPLE III.
100 parts of foundry sand containing approximately
2% by weight of clay with 5j7 parts of water and 0.05 part of a copolymer of vinyl acetate and maleic anhydridea Mixing should be carried out by grinding together the sand and the dry copolymerized polyelectrolyte during about 2 minutes; water is then added and mixing is continued for about 4 minutes. The composition obtained exhibits an exceptionally dry feel; it flows smoothly and uniformly and contains substantially no clay pellets.
This composition is easily and uniformly placed in molding frames, whether the filling of the mold is effected by shaking, spraying, pressure or tamping processes. The molds thus produced exhibit a green compressive strength of 0 , 49 to 0.55 kg / cm2 and a green permeability of 80. Substantially no cracks were seen in the molds. These results are exceptional, given that the amount of water used is approximately 25% more than normal.
When preparing a composition similar to that shown in Example III without using the polyelectrolyte, this composition is very wet, contains many clay pellets, gives uneven tightening:,! in the boxes or molding frames and the green molds made using this composition show numerous cracks. The molds thus obtained have a green compressive strength of 0.49 to 0.51 kg./cm2 and a permeability of about 96.
The polyelectrolytes according to the invention also improve foundry sand compositions containing bituminous adducts. It has been found that, despite the bituminous coating on the sand and clay particles, the polyelectrolytes continue to exert their action and give a more uniform, drier and more free-flowing composition, a composition which makes it possible to obtain molds which have substantially no surface cracks.
EXAMPLE IV
100 parts of clean wet silica sand, 0.036 part of corn flour, 0.178 part of asphalt, 0.043 part of charcoal, 0.32 part of clay and 0, are mixed together in a dry powder state. 05 part of a copolymer of maleic anhydride and vinyl acetate in a conventional mill for 2 minutes. 2.2 parts of water are added and grinding is continued for about 4 minutes. A composition is obtained which flows freely, which appears dry to the touch and which can be easily compacted during usual operations. The molds made using this composition have substantially no surface cracks. They have a green compressive strength of about 0.67 kg / cm2 and a permeability of about 102.
On analysis, it was found that the composition of Example IV has about 4% moisture.
Substantially the same results were obtained using the same combination and adding about 0.8 part more water.
If the composition described in Example IV was produced again without adding the polyelectrolyte, the molds made using the milled composition had much higher green strength and permeability, but they were lower than from the point of view of the sand compaction characteristics and its flowability and they show numerous cracks.
To obtain optimum results, the amount of polyelectrolyte used should be kept within the limits of 0.02 and 0.1 part per 100 parts of sand. Between these limits, slight variations are observed
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green compressive strength and permeability, and the corresponding canings work much better, ie the amount of water used is less important; the same is the case with the tamping or tamping operation and the finishing operations can be practically eliminated, since the surfaces of the molds are nearly perfect. Up to at least 1.0 part more polyelectrolyte can be used. at the expense of resistance to green, but with the advantage that it is possible to use even larger quantities of water.
The expression upolyelectrolytelt, used during the present description, denotes polymerized compounds which ionize on contact with water, forming large ions containing several charged localizations. Polyelectrolytes can be negatively charged (polyanions) or positively charged (polycations). Polyanion electrolytes are more readily available and are more efficient in practicing the present invention.
In order to be useful in the practice of the present invention, the polyelectrolytes must have a high molecular weight, preferably greater than 10,000 and have a substantially straight structure of a continuous chain of carbon atoms which results from the olefinic polymerization of a compound having a single unsaturated aliphatic group linked between carbon atoms.
Water soluble polymers can result from the polymerization of one or more unsaturated compounds, such as vinyl acetate, vinyl chloride, maleic anhydride, fumaric acid, ether $ methyl vinyl, isobutylene, vinylamines, ethylene, acrylic acid, methacrylic acid, salts and amides of these and other unsaturated acids, and other compounds . containing a single double bond between carbon atoms. Water soluble polyelectrolytes can also result from modification. chemical of a different polymer which may be completely insoluble in water.
Suitable polyelectrolytes are copolymers of vinyl acetate and maleic anhydride, polyacrylic acid, polymethacrylic acid, alkali metal, ammonium and calcium salts of polacrylic and polymethacrylic acids, salts. ammonium copolymer of isobutylene and maleic acid, polyvinyl pyridine, the copolymer of styrene and maleic acid, the calcium salt of the copolymer of vinyl acetate and the partial methyl ester of maleic acid, polyacrylamide, hydrolyzed polyacrylonitrile, sulfonated polystyrene, polyvinyl pyridine and other water soluble polymers having a continuous chain structure of carbon atoms and hydrophilic substitutes.
The term "water-soluble polymers", as used in the present specification and in the summary, includes polymers which form homogeneous mixtures with water, polymers sparingly soluble in water. water which in the presence of water swells and dissolves at least to some extent and even some polymers which are apparently insoluble in distilled water but which tend to dissolve in the water of foundry sand. This solubility allows the movement of the molecules within the mass of sand by means of the humidity contained in this mass.
The sand mold compositions according to the present invention contain four essential ingredients, namely: silica sand, clay, water and polyelectrolyte. There may be other ingredients of conventional foundry use including natural and synthetic thermoplastic and thermosetting resins? fari-, nes or cereals, charcoal, cinders, zirconite etc = ...
The sand can be any of the commonly used washed silica sands such as "Geauga Float" sand, "Ottawa Bonding" binder sand, New Jersey silica sand, silica sand.
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of Ottawa, the sand known in the United States of America as Tortage
Crude Sand ", the sand of the bands of Juniata, the sand of Ohio Geauga, the stone sand of Providence, the sand of the banks of" Wisconsin Silks "etc ... These sands are sometimes subjected to washing to rid them of organic impurities and they are only dried incompletely Sands generally contain some of the moisture necessary to make good molds.
Coarse or washed sands may contain some clay which may be sufficient for particular types of castings. However, it is generally desirable to add clay to the sand. In this regard, various bentonites, refractory clays, etc. have a useful effect. The amount of clay per 100 parts of sand should be between 1.0 and 25 parts. A content of less than 1.0 part prevents the molds from acquiring adequate green strength and hardness. A content of more than 15 parts gives the mold a compactness and impermeability which prevents gases from escaping during casting. In view of certain results, it may be desired to obtain such a compact mold, so up to 25 parts of clay may be used.
However, with respect to clay, there is the problem of the formation of pellets during the mixing operation. To reduce this training ,. The clay in a dry state is usually mixed with the sand for a short time and then the water is added, after which it is subjected to continuous grinding. Even if the addition of water is carried out with a extreme care, the pellets are formed in considerable numbers. Adding a small amount, such as 0.05 part, of polyelectrolyte substantially prevents the formation of pellets and mixing becomes a much less critical operation.
Prior to the present invention, the use of water has given rise to numerous difficulties in routine foundry work.
It is essential to the composition, but the amount used had to be kept within narrow limits. Frequently, it has been found that it is necessary to control the amount of water to within 0.5 part, for example, to maintain it from 4.0 to 4.5 or 3.0 to 3.5 parts. . When the polyelectrolyte is added, much larger amounts of water can be tolerated. The most surprising advantage of using polyelectrolytes, with respect to water, becomes apparent during the tamping operation.
In this operation, the sand is placed in a frame or a mixing box around a model, by means of tamping, shaking, projection, pressure, etc. Without the polyelectrolyte, it is observed that Localized areas with a high water content cannot be easily removed. These areas with high water content settle to a relatively compact impermeable state. Areas with low water content behave poorly when compacting and the particles have relatively little cohesion between them, which creates weak sections in the soil. mold and cracks. In addition, excess water which, as in ordinary molding sands, turns to vapor under the action of the temperature of the molten metal, causes blowholes or chaffs in the moldings.
When using a polyelectrolyte, even with an excess of water, noticeably blistering occurs. The addition of the polyelectrolyte appreciably eliminates all these difficulties, the conditions under which the tamping is carried out lose their determining character, one obtains molds of uniform compactness and strength and one does not see noticeably cracks at. the surface of the mussels.
The various advantages enumerated above can be summarized by saying that the foundry sand compositions which are the subject of the invention obtained by the introduction into these compositions of small quantities of the polyelectrolytes in accordance with the invention remarkably increase the flowability. compositions of foundry sand. Since a high degree of castability is required in foundry, any significant increase in this quality is of considerable importance.
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Obviously, various modifications can be made to the products and processes just described without thereby departing from the spirit and scope of the present invention.
CLAIMS.