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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.
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[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
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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
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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.
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[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
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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%.
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[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
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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
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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.
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[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.
