CA3076445A1 - Barbotine de fonderie - Google Patents

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Abstract

Barbotine de fonderie pour la fabrication de moules carapaces, comprenant des particules de poudre et un liant, caractérisée en ce qu'elle comprend un tensioactif. Utilisation d'une telle barbotine de fonderie pour la fabrication d'un moule carapace.

Description

Barbotine de fonderie DOMAINE DE L'INVENTION
[0001] Le présent exposé concerne le domaine de la fonderie, notamment les procédés de fonderie du type à cire perdue, et plus particulièrement les barbotines utilisées dans de tels procédés, notamment pour la fabrication de moules carapaces de fonderie.
ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE
[0002] Des procédés de fonderie dits à cire perdue ou à modèle perdu sont connus, en eux-mêmes, depuis l'Antiquité. Ils sont particulièrement adaptés pour la production de pièces métalliques avec des formes complexes. Ainsi, la fonderie à modèle perdu est notamment utilisée pour la production de pales de turbomachines ou de secteurs de roue aubagée. Dans la fonderie à modèle perdu, la première étape est normalement la fabrication d'un moule carapace, qui comprend généralement la réalisation d'un modèle en matériau à température de fusion comparativement peu élevée, comme par exemple une cire ou résine, autour duquel est ensuite réalisée une carapace en matériau réfractaire. Après destruction du modèle, le plus souvent par évacuation du matériau du modèle de l'intérieur du moule carapace, ce qui donne son nom à ces procédés, un métal en fusion est coulé dans ce moule, afin de remplir la cavité formée par le modèle dans le moule après son évacuation. Une fois que le métal se refroidit et solidifie, le moule peut être ouvert ou détruit afin de récupérer une pièce métallique conforme à
la forme du modèle.
[0003] Pour réaliser le moule carapace, le modèle en cire est généralement trempé dans une barbotine de fonderie, puis enduit de sables et séché. Ces opérations peuvent être répétées afin de former plusieurs couches et d'obtenir l'épaisseur et la tenue mécanique souhaitées pour le moule carapace.
[0004] En pratique, les barbotines de fonderie sont fabriquées en grandes quantités pour être utilisées sur plusieurs mois, mais leurs propriétés se dégradent dans le temps, ce qui impacte la qualité de fabrication des moules carapaces. Une méthode connue pour pallier cette dégradation consiste à régénérer la barbotine en diluant de la barbotine ancienne avec une barbotine fabriquée plus récemment, ce qui restaure en partie les propriétés de la barbotine. Cependant, cette méthode entraîne des fluctuations de propriétés importantes, ses effets sont de courte durée et une part importante de la barbotine ancienne est jetée.
[0005]
Alternativement, certains additifs ont pu être utilisés, mais aucun de ces additifs n'a apporté satisfaction dans la mesure où
l'amélioration d'un paramètre de la barbotine était compensée par la dégradation inacceptable d'un autre paramètre.
[0006] Il existe donc un besoin pour un nouveau type de barbotine de fonderie, présentant une stabilité accrue dans le temps.
PRÉSENTATION DE L'INVENTION
[0007] A cet effet, le présent exposé concerne une barbotine de fonderie pour la fabrication de moules carapaces, comprenant des particules de poudre et un liant, caractérisée en ce qu'elle comprend un tensioactif de stabilisation du pouvoir couvrant.
[0008] Une barbotine de fonderie est une barbotine apte à être utilisée pour la formation d'un moule carapace dans lequel sera coulé du métal en fusion. En particulier, par différence avec une suspension quelconque, une telle barbotine comprend un liant, c'est-à-dire un composé assurant une cohésion entre les particules de poudre et conférant au moule carapace sa tenue mécanique en cru et après frittage.
Le liant peut être inorganique. Des exemples de liants seront donnés par la suite. De manière classique, les particules de poudre peuvent être des particules de sables (aussi connu sous le nom de farine ), notamment des particules réfractaires, ayant généralement un diamètre compris entre 1 micromètre et 100 micromètres.
[0009] Un tensioactif, aussi appelé agent de surface, est un composé modifiant la tension superficielle entre deux surfaces, par exemple entre deux composés d'un mélange. De manière surprenante, l'inventeur a constaté que l'ajout d'un tensioactif particulier, dans une barbotine de fonderie permettait de stabiliser significativement le pouvoir couvrant de la barbotine, c'est-à-dire sa capacité, mesurée en masse par unité de surface, à demeurer sur une surface donnée après un trempé et un égouttage. Inversement, le pouvoir couvrant d'une barbotine de l'état de la technique, sans tensioactif de stabilisation du pouvoir couvrant, a tendance à augmenter avec le temps, sans se stabiliser.
[0010]
Certains tensioactifs sont connus comme agents dispersants pour fluidifier certaines suspensions, mais pour ces suspensions, ils ne permettent pas de stabiliser le pouvoir couvrant en raison de l'absence de liant. A l'inverse, dans la barbotine du présent exposé, le tensioactif de stabilisation du pouvoir couvrant modifie l'interaction entre le liant et les particules de poudre pour stabiliser le pouvoir couvrant de la barbotine.
De manière générale, les composés auparavant utilisés comme agents fluidifiants ou dispersants n'avaient pas d'effet sur le pouvoir couvrant.
[0011] En outre, le tensioactif permet également de stabiliser la viscosité de la barbotine.
[0012] Ainsi, la barbotine selon le présent exposé présente une composition ayant des paramètres-clefs (viscosité, pH, densité etc.), notamment le pouvoir couvrant, stables dans le temps, ce qui permet d'améliorer la répétabilité du procédé de fabrication de moules carapaces et de limiter considérablement la quantité de déchets liés à la régénération traditionnelle des barbotines.
[0013] Dans certains modes de réalisation, le tensioactif a une chaîne carbonée comprenant au plus quatre mille huit cents atomes de carbones, de préférence au plus deux mille atomes de carbone, de préférence au plus mille atomes de carbone, de préférence encore au plus cinq cents atomes de carbone, de préférence encore au plus cent atomes de carbone. Cela permet d'éviter l'épaississement de la barbotine, dont les .. molécules de liant risqueraient d'être emmêlées dans une chaîne carbonée trop longue.
[0014] Dans certains modes de réalisation, le tensioactif ne comprend pas d'ions ammoniacs. Les ions ammoniacs ayant tendance à
faire gelifier le liant, l'emploi d'un tel tensioactif stabilise ainsi encore davantage la barbotine.
[0015] Dans certains modes de réalisation, le tensioactif laisse le pH
de la barbotine inchangé à 5% près. En d'autres termes, la barbotine voit son pH modifié de moins de 5% avant et après ajout du tensioactif.
Cela permet de conserver une barbotine compatible avec les autres spécifications du procédé de fabrication de moule carapace.
[0016] Dans certains modes de réalisation, le tensioactif comprend du Tiron C6H4Na208S2. De préférence, le tensioactif est le Tiron. Le Tiron, en plus de satisfaire les critères précédents, est une molécule relativement courante, généralement utilisé comme indicateur de complexométrie, en chimie analytique, pour révéler la présence de certains ions, ou comme dispersant.
[0017] Alternativement ou en complément, dans certains modes de réalisation, le tensioactif comprend du polyacrylate de sodium. Le polyacrylate de sodium a pour formule générique [-CH2-CH(COONa)-]n.
De préférence, le tensioactif est du polyacrylate de sodium.
[0018] Dans certains modes de réalisation, le liant est choisi parmi :
le silicate d'éthyle, le silicate de soude ou les colloïdes parmi lesquels, notamment, la silice colloïdale, l'alumine colloïdale, l'yttrine colloïdale ou la zircone colloïdale.
[0019] Dans certains modes de réalisation, la teneur massique du tensioactif dans la barbotine est inférieure à 0,1%, de préférence inférieure ou égale à 0,05%. Une faible quantité de tensioactif suffit donc à stabiliser la barbotine de fonderie, notamment son pouvoir couvrant. A
5 l'inverse, une trop forte quantité du tensioactif de stabilisation du pouvoir couvrant peut faire varier trop fortement le pouvoir couvrant. Par suite, la composition de la barbotine est globalement inchangée. Cela permet de conserver une barbotine compatible avec les autres spécifications du procédé de fabrication de moule carapace.
[0020] Dans certains modes de réalisation, la barbotine est une barbotine de contact configurée pour venir au contact d'un modèle de pièce en cire ou équivalent. On appelle barbotine de contact la première barbotine utilisée, qui recouvre directement ledit modèle, par opposition aux barbotines suivantes, appelées barbotines de renfort et recouvrant les couches précédentes de moule carapace en formation. Une barbotine de contact est configurée pour épouser la forme du modèle et ne pas l'altérer. Une barbotine de contact est souvent conservée pendant des durées plus longues qu'une barbotine de renfort qui est consommée plus rapidement, d'où un besoin accru en stabilité pour une barbotine de contact.
[0021] Dans certains modes de réalisation, les particules de poudre comprennent au moins un composé parmi l'alumine, la mullite, le zircon, la zircone, la silice, les composites mullite-zircone. La mullite désigne des matériaux à base de silico-alumineux.
[0022] Le présent exposé concerne également l'utilisation d'une barbotine de fonderie telle que précédemment décrite pour la fabrication d'un moule carapace.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
[0023]
L'invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description détaillée qui suit, de modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs. Cette description se réfère aux dessins annexés, sur lesquels la figure unique est un graphe illustrant l'évolution du pouvoir couvrant de différentes barbotines en fonction du temps.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE MODES DE RÉALISATION
[0024] Afin d'apprécier l'ajout d'un tensioactif dans une barbotine de fonderie, l'inventeur a d'abord étudié une barbotine témoin, notée barbotine A, destinée à être utilisée comme barbotine de contact pour la fabrication d'un moule carapace. La barbotine A peut avoir la composition suivante, exprimée en pourcentages massiques :
- liant (silice colloïdale) : 29.8% ;
- particules de poudre (composite nnullite-zircone) : 70,0%;
- agent mouillant, anti-moussant et autres additifs : 0,2%.
Cette répartition massique est ici donnée à titre d'exemple, étant entendu qu'une variation de la répartition massique comprise entre 0,1% et 10%
est possible. La barbotine A a un pH basique et ne comprend pas, même parmi les autres additifs précités, de tensioactif ayant un effet sur le pouvoir couvrant.
[0025] Par ailleurs, comme indiqué précédemment, l'inventeur a étudié une barbotine C, qui a été préparée en reprenant la barbotine A et en y ajoutant un tensioactif de stabilisation du pouvoir couvrant, en l'occurrence du Tiron, à une teneur massique de 0,05%, préférentiellement 0,005%. La barbotine de fonderie C ainsi obtenue est donc également une barbotine de contact. La quantité de Tiron peut être ajustée par l'homme du métier en fonction du pouvoir couvrant initial et du pouvoir couvrant visé, de préférence sans toutefois dépasser 0,1%
massique. Par exemple, la teneur massique en Tiron peut être inférieure ou égale à 0,08%, de préférence inférieure ou égale à 0,05%, de préférence inférieure ou égale à 0,02%, de préférence encore inférieure ou égale à 0,01%.
[0026] L'inventeur a vérifié que l'ajout de Tiron dans la barbotine modifiait peu son pH, à savoir d'une valeur inférieure ou égale à plus ou moins 5%. De plus, le Tiron possède une chaîne carbonée courte, comprenant moins de cent atomes de carbone, en l'espèce six atomes de carbone. Le Tiron ne comprend pas d'ions ammoniacs dans la mesure où il ne comprend pas du tout d'azote. Le Tiron est également un bon complexant des éléments chimiques des oxydes présents dans la barbotine C et provenant des particules de poudre ; en effet, le Tiron possède des affinités avec ces oxydes et peut efficacement interagir avec eux. En outre, le Tiron sera éliminé au traitement thermique du moule carapace correspondant et ne présente pas d'effet nocif vis à vis du métal de la pièce qui sera coulé dans le moule carapace.
[0027] Ainsi, par son interaction avec les oxydes et la silice colloïdale formant le liant, le tensioactif, que forme ici le Tiron, assure une bonne stabilité de la barbotine C, notamment de son pouvoir couvrant, comme on va le voir en référence à la figure unique.
[0028] Sur cette figure est représentée l'évolution du pouvoir couvrant PC de quatre barbotines en fonction du temps t. Le pouvoir couvrant peut être mesuré en grammes par centimètre carré (g/cm2) et le temps en jours. Pour mesurer le pouvoir couvrant d'une barbotine, on trempe un modèle de cire ou un objet ayant un état de surface équivalent ayant une forme prédéterminée pendant une première durée prédéterminée, typiquement 10 secondes, dans ladite barbotine, puis on l'égoutte pendant une deuxième durée prédéterminée, typiquement 120 secondes. Le pouvoir couvrant est alors calculé comme la différence de masse du modèle avant et après trempage, rapporté à la surface du modèle. Le pouvoir couvrant dépend fortement de la composition du modèle, de la composition de la barbotine et des temps utilisés dans la méthode de calcul, c'est pourquoi les valeurs exactes n'ont pas été

indiquées sur la figure unique, seule l'évolution comparée étant représentative.
[0029] Les quatre barbotines comparées sur la figure unique sont d'une part les barbotines A et C décrites précédemment et dont l'évolution est représentée respectivement par les courbes A et C, et d'autre part une barbotine B dont l'évolution est représentée par la courbe B et une barbotine D dont l'évolution est représentée par la courbe D. La barbotine B a une composition initiale identique à la barbotine A mais diffère de la barbotine A en ce qu'elle subit une régénération aux instants R. La régénération consiste à évacuer une partie de la barbotine B et à diluer la partie restante dans une barbotine fraîchement préparée. La barbotine peut être diluée dans une proportion comprise entre 10 et 50%, par exemple 20%. Une telle opération est connue en soi.
[0030] La barbotine D a une composition initiale identique à la barbotine C, sauf la proportion massique de Tiron qui vaut 0,1%.
[0031] Les quatre barbotines de fonderie A, B, C, D ont été
maintenues en agitation pendant toute la durée des mesures. Le pouvoir couvrant des barbotines doit rester entre une borne inférieure Min et une borne supérieure Max, illustrées sur la figure unique, pour répondre aux spécifications techniques souhaitées. L'amplitude de l'intervalle entre les bornes Min et Max peut valoir environ 5 à 10% du pouvoir couvrant visé.
[0032] Comme représenté par la courbe A en pointillés longs, la barbotine A voit son pouvoir couvrant augmenter de manière continue au cours du temps, jusqu'à dépasser la borne supérieure Max et ne pas jamais repasser en-dessous. Cette barbotine, dont le comportement est conforme à l'état de la technique, n'est pas satisfaisante du point de vue du pouvoir couvrant.
[0033] Comme représenté par la courbe B en trait fort, la barbotine B, régulièrement régénérée, présente un pouvoir couvrant qui demeure majoritairement dans l'intervalle souhaité Min-Max. Toutefois, en dehors même des contraintes de traitement et de pollution que la régénération impose, son pouvoir couvrant présente des fluctuations importantes qui impactent les caractéristiques de la couche de contact du moule carapace, et, par suite, la qualité de surface de la pièce coulée dans ledit moule.
[0034] Comme représenté par la courbe C en pointillés courts, la barbotine C, comprenant un tensioactif comme indiqué précédemment, présente un pouvoir couvrant relativement stable, les petites variations observées étant dues à la déviation de la mesure et/ou à l'ajout d'eau pour compenser les pertes par évaporation progressive de l'eau contenue dans la silice colloïdale. Ni du Tiron ni d'autres agents n'ont été ajoutés au cours des tests, après l'ajout initial du Tiron dans la barbotine C.
[0035] Comme représenté par la courbe D en trait fin, la barbotine D, comprenant un tensioactif de stabilisation du pouvoir couvrant en quantité supérieure ou égale à 0,1% massique, présente un pouvoir couvrant inférieur à la borne minimale Min, donc trop faible par rapport aux spécifications de la barbotine.
[0036] Au surplus, il a été constaté que le Tiron avait aussi une influence en tant qu'agent dispersant, en fluidifiant la barbotine et en améliorant le trempé des modèles lors de la fabrication des moules. Cela permet d'améliorer la couverture en barbotine de zones renfermées ou moins accessibles.
[0037] Comme il ressort de la figure unique, la barbotine C, comprenant un tensioactif et plus particulièrement du Tiron, présente une durée de vie considérablement accrue grâce à la stabilisation de son pouvoir couvrant. L'ajout d'un tensioactif dans une barbotine de fonderie est peu onéreux et simple à mettre en oeuvre. Une telle barbotine de fonderie permet donc, à moindre coût, de mieux maîtriser les paramètres de fabrication des moules carapaces, les coûts des procédés, de diminuer les rejets industriels et de simplifier l'utilisation des barbotines.
[0038]
D'autres tensioactifs que le Tiron pourraient être utilisés pour stabiliser une barbotine de fonderie, par exemple le polyacrylate de sodium, de formule générique [-CH2-CH(COONa)-]n.
[0039] A la place de la silice colloïdale, la barbotine pourrait 5 .. comprendre un autre liant, par exemple choisi parmi : le silicate d'éthyle, le silicate de soude ou les colloïdes parmi lesquels, notamment, l'alumine colloïdale, l'yttrine colloïdale ou la zircone colloïdale.
[0040] A la place ou en plus du composite mullite-zircone, la barbotine pourrait comprendre d'autres particules de poudre, notamment 10 choisies parmi l'alumine, la mullite, la silice, le zircon, la zircone, tous matériaux à base de silico-alumineux et leurs mélanges.
[0041] Selon une variante, au lieu de prévoir le Tiron dans la composition initiale de la barbotine C, il est possible de l'ajouter en cours d'utilisation de la barbotine.
[0042] La barbotine de fonderie C peut être utilisée pour la fabrication d'un moule carapace. A cet effet, il est possible de tremper un modèle de pièce, typiquement en cire, dans la barbotine C, puis de procéder à l'égouttage, au sablage et au séchage du modèle. Ces opérations peuvent être répétées ensuite, de préférence avec une autre barbotine faisant office de barbotine de renfort.
[0043] Bien que la présente invention ait été décrite en se référant à
des exemples de réalisation spécifiques, des modifications peuvent être apportées à ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation illustrés/mentionnés peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif.

Claims (10)

REVENDICATIONS
1. Barbotine de fonderie pour la fabrication de moules carapaces, comprenant des particules de poudre et un liant, caractérisée en ce qu'elle comprend un tensioactif de stabilisation du pouvoir couvrant, la teneur massique dudit tensioactif dans la barbotine étant inférieure à 0,1%.
2. Barbotine de fonderie selon la revendication 1, dans laquelle le tensioactif a une chaîne carbonée comprenant au plus quatre mille huit cents atomes de carbone.
3. Barbotine de fonderie selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle le tensioactif laisse le pH de la barbotine inchangé à 5% près.
4. Barbotine de fonderie selon l'une quelconque des revendications 1 à
3, dans laquelle le tensioactif est le Tiron C6H4Na2 O8S2.
5. Barbotine de fonderie selon l'une quelconque des revendications 1 à
3, dans laquelle le tensioactif est le polyacrylate de sodium.
6. Barbotine de fonderie selon l'une quelconque des revendications 1 à
5, dans laquelle le liant est choisi parmi : le silicate d'éthyle, le silicate de soude ou les colloïdes parmi lesquels, notamment, la silice colloïdale, l'alumine colloïdale, lyttrine colloïdale ou la zircone colloïdale.
7. Barbotine de fonderie selon l'une quelconque des revendications 1 à
6, dans laquelle la teneur massique du tensioactif dans la barbotine est inférieure ou égale à 0,05%.
8. Barbotine de fonderie selon l'une quelconque des revendications 1 à
7, la barbotine étant une barbotine de contact configurée pour venir au contact d'un modèle de pièce.
9. Barbotine de fonderie selon l'une quelconque des revendications 1 à
8, dans laquelle les particules de poudre comprennent au moins un composé parmi l'alumine, la mullite, la zircone, les composites mullite-zircone.
10. Utilisation d'une barbotine de fonderie selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 pour la fabrication d'un moule carapace.
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