Moule de fonderie et procédé de fabrication de ce moule. Dans les brevet suisses au nom de Jean Durand no 14G312 du 21 septembre 1929, no 151578 du 31 mars 1930, no 151579 du 31 mars 1930, no 151581 du 31 mars 1930, no 15-1580 du 3,1 mars 1930, no 152,949 du 31 mars 1930, no 158005 du 26 novembre 1931, on a décrit des moules de fonderie et des procédés de fabrication de ces moules.
Selon ces brevets, lesdits moules sont composés d'un aggloméré sous-hydraté d'une matière finement divisée et d'un liant hy draulique; ladite matière est, suivant les cas, du sable, une matière carbonée, du talc, de l'amiante, de la baryte, un produit de broyage d'anciens moules, une matière calci née. On entend ici par aggloméré sous- hydraté, un aggloméré obtenu d'un mélange dans lequel la quantité d'eau de prise est de beaucoup inférieure à celle qui est employée dans les mélanges usuels d'une matière fine ment divisée et d'un liant hydraulique, par exemple de sable et de ciment.
Cette quantité d'eau est limitée de telle manière que, lors qu'on prend dans la main le mélange-de ci ment et le sable par exemple, il est tout juste assez cohérent pour former une boule très friable. Ce mélange peut être moulé ou tassé pour former un moule ou un noyau ayant une porosité relativement grande et une bonne résistance mécanique. Les moules Durand ont été appliqués sur une grande échelle et ils ont constitué un perfectionne ment marqué dans la pratique de la fonderie.
Dans certains cas, toutefois, ils ont occa sionné des difficultés, particulièrement pour fabriquer des pièces moulées en acier au man ganèse ou en d'autres métaux coulés à de très hautes températures, lorsque la pièce moulée présente des angles rentrants derrière les quels se trouve une masse de métal considé rable, exigeant une partie saillante sur le moule.
La forte chaleur du métal et son accès sur les deux faces de la partie saillante du moule ont souvent pour résultat que le m6- tal pénètre dans le corps du moule, formant ainsi au fond de l'angle rentrant de la pièce coulée une masse poreuse constituée par un conglomérat de métal et de la matière du moule partiellement fondue, conglomérat extrêmement résistant et difficile à enlever par découpage, meulage ou an burin. Cette action de fusion partielle du moule et la formation de ce conglomérat semblent être dues à une combinaison de facteurs physi ques et chimiques.
Lorsque la matière du corps du moule, qui doit être poreuse pour permettre aux gaz de s'échapper à travers le corps du moule, est du sable et du ciment, ce dernier étant généralement du ciment, Portland et contenant par conséquent une forte proportion de chaux, le ciment tend, sous l'action de la forte chaleur du métal, à attaquer le sable siliceux et à. former une sorte de verre qui ne résiste pas à la péné tration du métal et qui tend à former l'agglo méré extrêmement dur de métal et de ma tière fluidifiée et partiellement fondue pro venant du moule.
On a trouvé que l'on peut remédier à ces inconvénients en munissant les moules fai sant l'objet des brevets Durand d'un revête ment mince d'épaisseur sensible, constitué en partie par un silicate d'aluminium à. forte te neur en alumine, et qu'un tel revêtement; peut aussi être employé avec avantage pour d'autres moules dont le corps est poreux.
La présente invention comprend donc un moule de fonderie du type comportant un corps poreux et un procédé de fabrication (le ce moule.
Ce moule est caractérisé en ce qu'il pré sente, sur une partie au moins de sa surface destinée à venir en contact avec le métal fondu, un revêtement poreux constitué au moins en partie par un mélange sous-hydra,té d'un liant hydraulique et d'un silicate d'alu minium à l'état divisé, dont le rapport de l'alumine à la silice est d'au moins 1.
Le silicate d'aluminium préféré est la mullite 3@ A1-03 . 2 SiOg, dans laquelle la pro portion d'alumine par rapport à la silice est de d : 2. D'autres silicates d'aluminium ré- pondant: aux conditions (le l'invention sont l'a,ndalousite, la sillimanite et la cyanite, dans lesquelles le rapport de A10;, à SiO2 est: de 1. En. général, les silicates d'alumi nium ayant un rapport d'au moins 1 entre l'alumine et la, silice conviennent bien.
Le silicate d'aluminium doit être<B>Î Ï,</B> divisé, la grosseur (les particules pouvant être gra- iiulaire, mais étant de préférence celle d'un sable de moulage fin, ou même moindre. Le silicate d'aluminium finement divisé donne au moule une surface lisse, tout en assurant la porosité voulue pour l'échappement des gaz.
Le procédé de fabrication du moule est caractérisé en ce (lice l'on procède de manière .i établir un corps de moule poreux, revêtu siir une partie au moins de sa surface des tinée ii, venir en contact avec le métal fondu, par un iuélange sous-hydraté d'un liant hy (lraulique et d'uni silicate d'aluminium à l'état divisé, dont le rapport:
de l'aluminium iI la, silice est d'au moins 1, puis en ce que l'on laisse ce mélange faire prise.
Pour préparer ledit mélange, on utilise de préférence approximativement: 100 parties en poids de silicate d'aluminium,<B>13</B> parties en poids de ciment Portland et tout juste assez d'eau pour faire un mélange moulable. Pour du silicate d'aluminium finement di visé, la quantité d'eau ordinairement néces saire est d'environ 9 ô en poids du silicate d'aluminium et du ciment combinés.
Bien que la teneur en eau puisse être un peu plus grande que celle employée pour fabriquer les moules Durand, il est préférable d'utiliser une quantité d'eau sensiblement inférieure à. a celle qui est employée pour faire des mé langes usuels contenant du ciment, de ma nière à obtenir un mélange qui peut être moulé, mais (lui n'est pas assez humide pour s'affaisser en bouillie et qui possède une poco- s cité notable, bien qu'un peu inférieure à celle (lui est ordinairement nécessaire pour la fa brication du corps des moules Durand.
Voici, à titre d'exemple, comment on peut fabriquer un moule suivant la présente in vention: On tasse un mélange moulable de silicate d'aluminium finement divisé, de ciment et d'eau sur le modèle pour former une couche de revêtement d'épaisseur appréciable, ayant ordinairement environ 12 à 19 mm d'épais seur, bien que cette couche puisse, dans cer tains cas, être plus épaisse et aller jusqu'à ?5 mm ou même davantage. Cette couche de revêtement peut être employée sur toute la surface de la cavité du moule, ou bien seule ment aux endroits où il se produirait, sans cela, des dérangements dus à la pénétration du métal fondu dans la matière du moule.
Le terme "revêtement" tel qu'il est employé ici comprend un revêtement pouvant couvrir une partie ou la totalité de la cavité du moule. La surface du revêtement qui est éloignée du modèle est de préférence laissée rugueuse ou rendue rugueuse pour assurer une forte liaison avec un mélange de ciment et de sable qui est appliqué ensuite. On tasse ensuite un mélange "sous-hydraté" de sable et de ciment dans le châssis ou la boîte de moulage jusqu'à ce qu'il soit plein. Le moule est renforcé de préférence par des tiges de fer noyées dans le mélange de ciment et de sable constituant le corps du moule. On re tire le moule de la boîte de moulage et on le laisse faire prise comme dans les procédés Durand, après quoi il est prêt à servir.
Le moule terminé ainsi obtenu est consti tué par un support poreux formé par un mélange relativement sec ou "sous-hydraté" de sable et de ciment, et par un revêtement opposant une grande résistance à la pénétra tion du métal fondu, et dont la porosité peut être inférieure à celle du support et qui fait corps avec celui-ci.. Le liant à base de ciment du revêtement et du support réunit les deux parties entre elles et le revêtement ne présente que peu ou pas de tendance à se séparer du support.
La couche de revêtement contenant le silicate d'aluminium empêche la pénétration de l'acier ou autre métal forte ; ment chauffé dans la matière du moule, et le support, qui est constitué comme indiqué au brevet Durand no 146312, possède la porosité voulue pour permettre aux gaz de s'échapper hors du moule, ainsi que la résistance méca nique requise.
Les ciments Portland ordinairement em ployés pour faire les moules Durand sont des ciments basiques contenant généralement en viron<B>60%</B> de chaux ou davantage, avec de petites quantités des oxydes de silicium, d'aluminium, de fer et de magnésium. Le ciment fortement basique tend à fluidifier le sable siliceux acide sous l'action de la forte chaleur du métal fondu dans le mélange usuel employé pour préparer le corps du moule. Ce facteur est encore aggravé par la nature basique des oxydes de fer et de man ganèse qui se forment à la surface du métal fondu.
Lorsque le sable siliceux est rem placé par du silicate d'aluminium sur celles des surfaces du moule qui sont soumises à la forte chaleur de l'acier fondu, on évite les tendances du ciment basique et des oxydes basiques de fer et de manganèse à provoquer la fluidification avec le sable siliceux acide du mélange usuel sable-ciment, parce que la présence de l'alumine, qui a un rapport mo léculaire égal ou sensiblement égal à 1 : 1 vis-à-vis de la silice dans l'andalousite, la sillimanite et la cyanite, et à 3 :
2 dans la mullite, diminue les tendances du ciment ba sique et de l'oxyde basique de fer et de man ganèse à provoquer la fluidification. Les silicates d'aluminium, en particulier ceux qui ont les rapports les plus élevés entre l'alu mine et la silice, ont un point de fusion élevé. Les conditions exigées par la matière de revêtement réfractaire lorsqu'elle est liée avec le ciment basique et soumise à l'action des produits basiques de l'oxydation du métal, pour résister à la fusion et à la fluidification aux hautes températures, sont en partie phy siques et en partie chimiques.
Les propriétés physiques requises sont un point de fusion élevé et la capacité de donner une surface lisse à la pièce moulée, tout en permettant aux gaz de s'échapper. Les propriétés chi miques sont la résistance à la fluidification avec le ciment et les produits de l'oxydation du métal fondu.
Toutefois, de nombreux essais ont montré que l'on ne peut pas dire d'avance, d'après leurs propriétés réfrac taires et leur basicité, quelles sont les maï tières qui, utilisées dans un revêtement lié par du ciment pour un moule du type Du- rand, résisteront à cette fluidification pro duite par l'acier fortement chauffé. La ma gnésie, par exemple, qui a un point de fusion très élevé et qui est basique, a été reconnue virtuellement sans valeur pour cette applica tion. Il en est de même pour la plupart des matières réfractaires.
La présente invention est basée sur la découverte empirique faite à. la suite de nombreux essais et sur les résul tats donnés dans le moulage de l'acier et sui vant lesquels le silicate d'aluminium à forte teneur en alumine satisfait aux conditions rigoureuses exigées et permet d'obtenir un revêtement pouvant être utilisé. pour les moules du type Durand et résistant à la fluidification que l'on constate lorsque les moules sont revêtus de sables ordinaires.
Bien qu'il soit préférable que la couche de revêtement soit liée à, et supportée par un corps en une matière poreuse qui soit prépa- rée comme indiqué dans les brevets Durand précités, on peut utiliser des corps constitués en d'autres matières. Il en est ainsi notam ment dans la. fabrication des noyaux, pour lesquels on désire obtenir une faible résis tance à. l'affaissement. En pareils cas, le mé lange ordinaire de ciment et de sable peut être remplacé en partie ou en totalité par du sable vert ou du sable sec, des cendres ou autres.
La, couche de revêtement, qui est constituée principalement par du silicate d'aluminium à forte teneur en alumine et un liant hydraulique, peut contenir, si on le de- sire, de petites quantités d'autres sables, ces quantités n'étant toutefois pas suffisantes pour affecter notablement les propriétés du mélange en ce qui concerne la résistance à la pénétration de l'acier ou à la fluidification produite par l'acier aux hautes températures. La matière utilisée pour le liant est de pré férence un ciment Portland à haute résis tance et à, prise rapide, bien que l'on puisse utiliser du ciment Portland ordinaire ou des ciments à base d'alumine.
Le terme "moules de fonderie" employé ici s'applique aux noyaux aussi bien qu'aux moules proprement dits.
Foundry mold and method of manufacturing this mold. In Swiss patents in the name of Jean Durand no 14G312 of September 21, 1929, no 151578 of March 31, 1930, no 151579 of March 31, 1930, no 151581 of March 31, 1930, no 15-1580 of March 3, 1930, no 152,949 of March 31, 1930, No. 158005 of November 26, 1931, foundry molds and methods of making these molds have been described.
According to these patents, said molds are composed of an underhydrated agglomerate of a finely divided material and of a hydraulic binder; said material is, depending on the case, sand, a carbonaceous material, talc, asbestos, barite, a product of grinding old molds, a calcined material. The term “subhydrated agglomerate” is understood here to mean an agglomerate obtained from a mixture in which the quantity of setting water is much less than that which is used in the usual mixtures of a finely divided material and of a binder. hydraulic, for example sand and cement.
This quantity of water is limited in such a way that, when one takes in the hand the mixture of cement and sand for example, it is barely coherent enough to form a very crumbly ball. This mixture can be molded or tamped to form a mold or a core having relatively large porosity and good mechanical strength. Durand molds were applied on a large scale and were a marked improvement in foundry practice.
In some cases, however, they have created difficulties, particularly in making castings of manganese steel or other metals cast at very high temperatures, when the cast has re-entrant angles behind them. a considerable mass of metal, requiring a protruding part on the mold.
The high heat of the metal and its access to both sides of the protruding part of the mold often results in the metal penetrating the body of the mold, thus forming at the bottom of the re-entrant angle of the casting a porous mass. consisting of a conglomerate of metal and partially molten mold material, a conglomerate which is extremely strong and difficult to remove by cutting, grinding or chiseling. This partial melting action of the mold and the formation of this conglomerate appear to be due to a combination of physical and chemical factors.
When the material of the mold body, which must be porous to allow gases to escape through the mold body, is sand and cement, the latter generally being cement, Portland and therefore containing a high proportion of lime, cement tends, under the action of the strong heat of the metal, to attack the siliceous sand and to. to form a kind of glass which does not resist the penetration of the metal and which tends to form the extremely hard agglomeration of metal and of the fluidized and partially molten material coming from the mold.
It has been found that these drawbacks can be overcome by providing the molds forming the subject of the Durand patents with a thin coating of substantial thickness, consisting in part of an aluminum silicate. strong alumina content, and such a coating; can also be used with advantage for other molds with porous bodies.
The present invention therefore comprises a foundry mold of the type comprising a porous body and a manufacturing method (this mold.
This mold is characterized in that it presents, on at least part of its surface intended to come into contact with the molten metal, a porous coating consisting at least in part of a sub-hydra mixture, t of a binder. hydraulic and an aluminum silicate in the divided state, the alumina to silica ratio of which is at least 1.
The preferred aluminum silicate is 3 @ A1-03 mullite. 2 SiOg, in which the proportion of alumina relative to silica is d: 2. Other aluminum silicates meeting: the conditions (the invention is alumina, sillimanite and kyanite, in which the ratio of A10 3 to SiO 2 is: 1. In general, aluminum silicates having a ratio of at least 1 between alumina and silica are suitable.
The aluminum silicate should be <B> Î Ï, </B> divided, the size (particles may be granular, but preferably being that of fine casting sand, or even less. The finely divided aluminum gives the mold a smooth surface, while providing the desired porosity for exhaust gas.
The mold manufacturing process is characterized in that (lice one proceeds in such a way to establish a porous mold body, coated if at least part of its surface with tines ii, come into contact with the molten metal, by a a sub-hydrated mixture of a hydraulic binder and aluminum silicate in the divided state, the ratio of which:
aluminum iI la, silica is at least 1, then in that this mixture is allowed to set.
To prepare said mixture, approximately: 100 parts by weight of aluminum silicate, <B> 13 </B> parts by weight of Portland cement and just enough water are used to make a moldable mixture. For finely divided aluminum silicate, the amount of water ordinarily required is about 9% by weight of the combined aluminum silicate and cement.
Although the water content may be a little higher than that used to make Durand molds, it is preferable to use an amount of water that is significantly less than. to that which is used to make usual mixtures containing cement, so as to obtain a mixture which can be molded, but (it is not wet enough to sag to a slurry and which has a noticeable, although a little less than that (it is ordinarily necessary for the fabrication of the body of Durand molds.
Here is, by way of example, how one can make a mold according to the present invention: A moldable mixture of finely divided aluminum silicate, cement and water is packed onto the model to form a coating layer of appreciable thickness, usually about 12 to 19 mm thick, although this layer may in some cases be thicker and be up to 5 mm or even more. This coating layer can be used over the entire surface of the mold cavity, or else only in places where there would otherwise be disturbances due to the penetration of molten metal into the mold material.
The term "coating" as used herein includes a coating capable of covering part or all of the mold cavity. The surface of the coating which is away from the model is preferably left roughened or roughened to ensure a strong bond with a mixture of cement and sand which is then applied. A "under-hydrated" mixture of sand and cement is then packed into the frame or casting box until full. The mold is preferably reinforced by iron rods embedded in the mixture of cement and sand constituting the body of the mold. The mold is removed from the mold box and allowed to set as in the Durand process, after which it is ready to use.
The finished mold thus obtained is constituted by a porous support formed by a relatively dry or "under-hydrated" mixture of sand and cement, and by a coating opposing a great resistance to the penetration of the molten metal, and whose porosity may be less than that of the substrate and which is integral with it. The cement-based binder of the coating and the substrate joins the two parts together and the coating shows little or no tendency to separate from the substrate .
The coating layer containing the aluminum silicate prevents the penetration of steel or other strong metal; is heated in the mold material, and the support, which is constructed as shown in Durand Patent No. 146,312, has the desired porosity to allow gases to escape from the mold, as well as the required mechanical strength.
The Portland cements commonly used to make Durand molds are basic cements generally containing about <B> 60% </B> lime or more, with small amounts of the oxides of silicon, aluminum, iron and carbon. magnesium. The strongly basic cement tends to thin the acidic siliceous sand under the action of the strong heat of the molten metal in the usual mixture used to prepare the body of the mold. This factor is further aggravated by the basic nature of the oxides of iron and manganese which form on the surface of the molten metal.
When the siliceous sand is replaced by aluminum silicate on those surfaces of the mold which are subjected to the high heat of the molten steel, the tendencies of basic cement and basic oxides of iron and manganese to cause are avoided. fluidization with acidic siliceous sand of the usual sand-cement mixture, because the presence of alumina, which has a molecular ratio equal to or substantially equal to 1: 1 with respect to the silica in andalusite, sillimanite and kyanite, and at 3:
2 in mullite, decreases the tendencies of basic cement and basic iron and manganese oxide to cause thinning. Aluminum silicates, especially those with the highest aluminum to silica ratios, have a high melting point. The conditions required by the refractory lining material when bonded with the basic cement and subjected to the action of the basic products of metal oxidation, to resist melting and fluidization at high temperatures, are in part physical and partly chemical.
The physical properties required are a high melting point and the ability to provide a smooth surface to the molded part, while allowing gases to escape. The chemical properties are resistance to fluidization with cement and oxidation products of molten metal.
However, numerous tests have shown that it is not possible to say in advance, from their refractory properties and their basicity, which are the materials which, used in a coating bound by cement for a mold of the type. Durand, will resist this fluidization produced by the strongly heated steel. Magnesia, for example, which has a very high melting point and is basic, has been found to be virtually worthless for this application. The same is true for most refractory materials.
The present invention is based on the empirical finding made at. Following numerous tests and on the results given in the casting of steel and following which the aluminum silicate with a high alumina content satisfies the stringent conditions required and makes it possible to obtain a coating which can be used. for molds of the Durand type and resistant to the thinning seen when the molds are coated with ordinary sand.
Although it is preferred that the coating layer be bonded to and supported by a body of a porous material which is prepared as set forth in the above-mentioned Durand patents, bodies made of other materials can be used. This is the case in particular in the. manufacture of the cores, for which it is desired to obtain a low resistance to. sagging. In such cases, the ordinary mixture of cement and sand may be replaced in part or in whole by green sand or dry sand, ash or the like.
The coating layer, which consists mainly of aluminum silicate with a high alumina content and a hydraulic binder, may, if desired, contain small amounts of other sands, these amounts not being however. not sufficient to significantly affect the properties of the mixture with respect to resistance to steel penetration or to the fluidization produced by the steel at high temperatures. The material used for the binder is preferably a high strength, quick setting Portland cement, although ordinary Portland cement or alumina based cements can be used.
The term "foundry molds" used herein applies to cores as well as to the molds themselves.