Systèmes collés à la résine
Les systèmes collés à la résine se réfèrent presque exclusivement, en termes de sable chromé, lorsque le sable chromé est utilisé comme composant dans la production de moules de coulée pour les métaux, et est toujours utilisé avec une sorte de résine comme liant. Le troisième constituant majeur est un durcisseur, pour régler la résine et solidifier le lien. Il est souvent dit qu’environ 18 de tous les chromites extraits sont utilisés à des fins réfractaires(3). Dans ces scénarios, le sable chromé est vénéré pour sa tolérance à haute température. Les liants, dans de nombreux cas, sont à base organique et sont généralement des résines. Il y a quelques cas où des classeurs inorganiques ont été employés, habituellement pour atteindre une propriété très spécifique dans le moule, la coulée ou l’enlèvement de la fonte. En règle générale, la concentration de Cr2O7 dans le sable chromite/chrome pour les applications réfractaires et
de fonderie
ne devrait pas être inférieure à 36. Malgré ce qui est discuté ci-dessous, certains chercheurs ont déclaré que les performances à long terme à des températures élevées de résines, à la fois organiques et inorganiques, ont besoin de plus de recherche(4).
La fonction du liant est de maintenir physiquement l’agrégat ensemble (dans ce cas le sable chromé, ou un mélange de sable chromé et de sable de silice classique), formant des liaisons chimiques fournit la stabilité à long terme du moule, même à haute température. Les premiers moules de coulée utilisaient l’huile de carotte pour lier le sable, qui a finalement été remplacé par des liants de type phénol/uréthane dans les années 1960 et 1970 pour de nombreux types de métaux, et des liants de type furan pour les métaux ferreux seulement(5).
Il existe en gros deux procédés qui utilisent des résines organiques dans la fabrication de moules coulés; boîte froide et moulure sans cuisson. Le moulage de boîte froide est le processus par lequel la boue du sable chromé et du liant sont laissées pour guérir à température ambiante, produisant le moule. Le moulage sans cuisson, comme le moulage de boîte froide, n’utilise aucune chaleur pour guérir. La différence est que dans le moulage sans cuisson, la résine utilisée est un réglage rapide et un catalyseur est souvent utilisé. Les résines se lient chimiquement à l’agrégat, fournissant la force. Ces méthodes contrastent avec le moulage du sable vert en ce qu’aucune argile n’est utilisée, et n’est pas non plus anthracite. Ils sont également bénéfiques à utiliser pour les grands castings d’un point de vue économique car aucune ressource n’a besoin d’être affectée aux processus de chauffage. Typiquement, les moules collés à la résine contenant du sable chromé sont réservés pour quand la coulée de la plus haute qualité/précision est exigée, en raison du coût globalement plus élevé que l’utilisation de coulée de sable vert conventionnelle - car le sable chromé est considérablement plus cher que la silice/sable conventionnel. Un exemple classique d’un liant en résine organique dans les systèmes de sable chromé est furan. La capacité de transfert de chaleur des sables moulage est connue et les plantes modernes peuvent passer du quartz ou des sables de silice aux sables chromés pour obtenir un meilleur transfert de chaleur, tout en n’ayant pas besoin de changer d’autres aspects de la production tels que l’identité du liant ou de la résine(6).
Il convient de noter que les systèmes collés à la résine de sable chromé ne sont pas nécessairement des systèmes de sable vert. Chrome dans le moulage de sable vert est traitée ailleurs sur ce site web et repose principalement sur les excellentes propriétés de la chromite comme matériau réfractaire.
Castables collés à la résine (RBCs)
Les CBR sont caractérisées par la résine utilisée à côté du sable, du sable chromé et d’autres additifs. Ils sont presque exclusivement organiques dans la nature - c’est-à-dire, ils sont composés de carbone, d’hydrogène et d’oxygène, sans métaux présents. Les CTC sont largement utilisés dans l’industrie de la coulée. Les résines sont souvent basées sur des structures de phénol ou de furan, ou uréthanes. Ces résines dans la coulée de sable chromé ont été viables pour la production de produits en fonte à partir d’alliages de magnésium fondus(6), de titane(7) en plus du fer et de l’acier couramment utilisés. Les résines organiques sont généralement ajoutées aux moules de sable chromé dans des rapports de pas plus de 10 par poids, avec des quantités plus grandes que cela contribuant à rendre le moule difficile à former dans un premier cas en raison de la viscosité, et plus difficile à enlever après la coulée, et certainement pas recyclable(8).
Certains des types courants de CBR organiques sont décrits ci-dessous.
Résines phénoliques alcaliques alcalines endurcies d’Ester
Dans ce multiple RBC, le liant est une viscosité basse fortement de base résine phénolique, combiné avec un ester organique liquide comme durcisseur. Aussi peu que 1,4 résine par masse peut être utilisé avec du sable chromé. La capacité de coulée de cette méthode se caractérise par une finition « comme coulée » sur le métal - c’est-à-dire qu’aucun mouillage ou formation de barbes rugueuses de métal ou de sable dissous n’est observé(10). Les résines phénoliques durcies ester ont été décrites dans la littérature comme excellentes en termes de considérations opérationnelles, de sécurité et environnementales.
Résines phénolique-uréthéane-amine
Généralement utilisé avec des sables de silice pure, ce processus peut être utilisé avec succès avec des sables chromés, et est particulièrement efficace lorsqu’un sable mixte de silice/chrome est utilisé. Cette résine est également alcalin.
Résines phénoliques alcalines avec dioxyde de carbone
Une résine alcalin basée sur le phénol est utilisée avec un agent de couplage, qui, avec le sable chromé est placé dans la boîte autour du modèle. Le dioxyde de carbone est soufflé à travers le matériau qui provoque le durcissement de la résine par un abaissement du pH.
Autres considérations
La viscosité est l’un des paramètres clés lors de la conception d’un système de résine de sable chromé. Si le mélange doit être compacté, enfoncé ou forcé par un extrudeur, les mélanges très visqueux seraient sous-optimaux. En outre, tout mélange doit être fluide dans la chambre de coulée autour du modèle. Les résines sont souvent le plus grand contributeur à la viscosité(17). Dans le cadre de l’équilibre global de sélection des résines pour les castables de sable chromé, il est important de noter que la perméabilité de la résine en vrac aura un impact sur la porosité globale de la coulée - qui devrait être surveillée pour s’assurer que les niveaux excessifs de porosité ne sont pas atteints(18). De plus, en plus de la résine, les obturations et les additifs du mélange de moisissures de sable jouent un rôle, surtout en ce qui concerne la viscosité et la densité globale(19).
L’expansion thermique est plus une préoccupation avec les liants inorganiques en raison de leur nature thermoplastique, où le noyau de sable dans le système lié peut s’effondrer sous la chaleur intense et la pression exercée par le métal fondu. Cela peut être largement évité grâce à l’utilisation de revêtements disponibles dans le commerce pour disperser la chaleur plus efficacement(20). La recherche a également montré que l’expansion thermique des systèmes collés à la résine influe activement sur le comportement de distorsion à chaud du système, peut-être intuitivement, mais l’expansion thermique globale dépend fortement de l’identité et de la chimie du matériau liant utilisé(21). L’expansion thermique du système de sable et de résine est un facteur clé pris en compte par les fondeurs dans tous les aspects du processus, de la conception du moule (et donc du produit) jusqu’à la solidification du métal liquide. Toute déformation potentielle du moule peut donner lieu à des produits difformes, un moulage inégal ou des niveaux significatifs de défauts de surface qui doivent être enlevés manuellement plus tard. Des phénomènes tels que le mouillage peuvent devenir plus possibles s’il y a une expansion thermique significative avec certains types de sable collé à la résine. Il convient toutefois de noter que, comme les résines et les liants ne sont pas les seules inclusions dans un sable, d’autres, comme les matériaux hautement carbonés, peuvent être présents (comme l’anthracite) qui peuvent pyrolyse pour réduire l’impact d’effets tels que le mouillage - dans une certaine mesure.
En règle générale, les propriétés mécaniques des systèmes de moulage de résine de sable sont augmentées avec une plus grande quantité de liant utilisé(22), malgré le fait que la majeure partie de la résine ne peut pas être liant bien sûr. D’autres optimisations du processus global de coulée sont possibles, telles que le maintien d’une distribution uniforme de la taille des particules, des températures de séchage et d’autres moyens(23). Des études computationnelles ont été réalisées pour prédire les propriétés mécaniques et physiques d’un moulage à base de résine de chromite, optimisant les propriétés telles que la dureté, l’effondrement et la force chaude. Les auteurs visaient à fournir une méthode par laquelle des quantités optimales de liant, de chromite et d’autres matériaux peuvent être prédéterminées afin d’obtenir une voie de coulée mieux adaptée.
En plus des techniques normales de moulage de type boîte, les chercheurs ont montré dans une revue que l’impression 3D peut être utilisée pour créer des moules pour les processus de coulée de sable chromé(24). Une telle innovation peut produire des moules très spécifiques pour la coulée à bas prix, dans un processus appelé «jetting liant». Une préoccupation avec l’impression 3D de ces sables chromés contenant des moules - et d’autres moules - est que les niveaux excédentaires de l’agent de séchage élargiront la distribution de taille dans tout le sable qui peut mener à la formation des mésostructures de grande taille(25), qui est proportionnée à une diminution de la capacité globale de roulement de moule de sable. Les ratios optimaux pour le sable chromé, les liants et d’autres paramètres pour les applications de coulée peuvent être déterminés de façon computationnelle, ce qui permet une plus grande efficacité dans l’ensemble du secteur(26). Les liants de type furan sont soupçonnés d’être cancérigènes et leur utilisation est en cours d’élimination progressive dans le monde entier - en dépit d’être les exemples classiques et les plus utilisés de liants de type résine dans les applications de coulée de sable.
Un inconvénient mineur dans l’utilisation des sables chromites dans l’espace de coulée d’acier fondu est la formation potentielle de «croûte de chromite». Cet effet est causé par le mélange de sable chromé, de métal fondu et de tout type de scories carbonées ou gazeux qui ont été autorisés à se mélanger en raison d’un moule mal durci(27). Assurer un séchage complet (peut-être par séchage à l’air du ventilateur) ira le plus souvent à la prévention de ce défaut de surface, mais cela signifie que «résines auto-durcissement» pourrait seulement être un bon choix si un tel séchage est disponible. D’autres phénomènes qui peuvent causer un durcissement incomplet et ou une dégradation partielle du moule comprennent le moulage lui-même (il doit être capable de résister à des pressions qui peuvent momentanément atteindre plus de 10 MPa). Une mauvaise sélection de résines, de liants, de sables et d’équipement de coulée physique peut donner lieu à une mauvaise opération de coulée et à de courtes durées de vie pour le sable lui-même(28).
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