Sable chromé dans les systèmes collés en résine et liants inorganiques pour castables

African Pegmatite est l’un des principaux fournisseurs de minéraux de qualité fine pour une multitude d’applications, y compris le sable chromé qui est utilisé dans les castables de haute qualité pour produire des moulages de précision lorsqu’ils sont maintenus ensemble à l’aide de résine organique ou de type inorganique liants - parmi beaucoup d’autres cas d’utilisation.

Qu’est-ce que Chrome Sand?

Le sable chromé est le chrome moulu, lui-même un minéral naturel composé d’oxydes de fer et de chrome. En tant que minerai, le chrome est le principal minéral pour la production de chrome. Comme le sable chromé, c’est une poudre noire presque brillante, il contient du chrome principalement dans l’état d’oxydation no 3 (et non l’état d’oxydation hautement toxique de 6). Le sable chromé a un point de fusion de 2 040 °C, ce qui le rend très approprié pour la coulée métallique et est « presque chimiquement inerte »(1). La chromite a trouvé l’utilisation comme matériau réfractaire par exemple dans la coulée de sable vert, en plus d’être un composant dans Réfractaires ciment, avec sa teneur élevée en chromia assurant un matériau très stable qui est largement résistant à l’humidification(2). Ici, nous allons examiner l’application du sable chromé avec des systèmes collés en résine pour les applications de coulée de métal fondu.

travailleurs travaillant sur un moule de sable chromé

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).

moule à l’aide de sable chromé

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.

Le métal fondu de fer est versé dans le moule de sable

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.

Liants inorganiques

Jusqu’en l’an 2000, la grande majorité des applications de coulée liées à la résine reposaient sur des classeurs organiques uniquement sur des applications inorganiques. Cela s’expliquent notamment par une meilleure productivité, une fiabilité des processus plus élevée et de meilleures propriétés mécaniques globales , ainsi qu’un niveau inégalé de familiarité(11). Plus répandu dans la coulée de métaux non ferreux tels que l’aluminium, des liants inorganiques ont été utilisés régulièrement depuis ce temps en raison de conditions environnementales favorables dans la
fonderie
et d’un procédé moins complexe avec de l’aluminium.

L’un des liants inorganiques les plus populaires dans les castables de sable chromé est le silicate de sodium, également connu était le verre d’eau(12). Le silicate de sodium a l’avantage distinct d’être relativement facile à fabriquer et a l’avantage d’être bien compris comme liant dans les systèmes de sable résineux, où il agit en formant un gel précipité qui agit comme un lien adhésif(13).

Les avantages souvent cités des liants inorganiques sont un manque d’émissions nocives pendant la coulée (par rapport à une résine organique, comme le phénolique, qui se décompose sur le chauffage) et moins d’entretien. D’autre part, les carottes produites qui contiennent des liants inorganiques sont connus pour leur affinité avec l’eau, et doivent donc être stockées convenablement et l’humidité doit être exclue. Contrairement aux résines contenant des liants organiques, les castables de sable chromé contenant des liants inorganiques peuvent être traités à la chaleur avant l’utilisation. Un tel chauffage est associé à une plus grande résistance compressive et mécanique dans le castable, mais aucun changement de force appréciable dans les liaisons formées entre la résine et le sable dans une étude non chauffée contre chauffée(14). Le chauffage peut être effectué par l’intermédiaire d’un four conventionnel ou à l’aide d’un appareil de chauffage à micro-ondes(15) et a un effet de durcissement global - les moules durs et à haute résistance sont souvent associés à de meilleures finitions de surface. Un exemple typique d’une résine liant inorganique emploierait la résine à environ 40 à 70 % en poids, aux côtés d’autres additifs(16); avec la quantité globale de liant dans le module de coulée de sable chromé ne dépassant pas 5% par poids.

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coulé en métal à l’aide de moules de sable chromé

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.

travail de coulée de métal

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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Résumé

  • Le sable chromé est utilisé avec des résines (à base de résine/résine et inorganiques) pour produire des moules moulés de haute qualité pour la production de matériaux moulés haut de gamme.
  • La méthode s’applique à une variété de métaux ferreux et non ferreux
  • Les liants biologiques/à base de résine sont de loin la classe de liant la plus utilisée, l’inorganique étant moins populaire et réservé aux applications non ferreuses
  • Les liants à base de résine ont tendance à être moins chers dans l’ensemble, mais les classeurs inorganiques ont moins de propriétés potentiellement nocives qui leur sont associées.
  • Les liants fonctionnent en retenant physiquement et chimiquement ensemble le sable chromé avec tous les autres additifs
  • La sélection du liant n’est qu’une partie de l’histoire dans la création d’un sable chromé optimisé castable, d’autres facteurs tels que la viscosité, les additifs et la manipulation physique tels que les percutants doivent être considérés

 

Le sable chromé est un minerai de chromite spécialement moulu qui convient à un large éventail d’applications réfractaires, fournissant des liants, des charges et des résines vitales pour la fabrication de castables et de moulages de précision. African Pegmatite est l’un des principaux producteurs et fournisseurs de sable chromé, avec le fraisage interne pour fournir des matériaux de qualité supérieure à toute spécification.

Sable chromé

Références

1 J. O. Nriagu et E. Nieboer (éd.), Chromium in the Natural and Human Environments, Wiley-Interscience, New York, 1988

2 N. McEwan et coll., Chromite—A Cost-effective Refractory Raw Material for Refractories in various Metallurgical Applications in: Southern African Pyrometallurgy 2011, R. T. Jones and P. den Hoed (eds.), Johannesburg, 2011

3 J. Barnhart, Reg. Le Toxicol. et Pharmacol., 1997, 26, 3

4 J. Thiel, Thermal Expansion of Chemically Binded Silica Sands in: AFS Proceedings 2011, American Foundry Society, Schaumberg, Etats-Unis, 2011

5 D. Weiss, Advances in the Sand Casting of Aluminium Alloys in: Fundamentals of Aluminium Metallurgy, R. N. Lumley (éd.), Elsevier, Amsterdam, 2018

6 J. Zych et coll., Arc. Metall. Mater., 2015, 60, 351

7 Liu F. et autres, J. Manuf. Proc., 2017, 30, 313

8 R.M. Koch et J.M. Burns, Shape-casting Titanium in Olivine, Garnet, Chromite, and Zircon Rammed and Shell Molds, Department of the Interior, Washington DC, 1979

9 R. H. Todd, D. K. Allen et L. Alting, Manufacturing Processes Reference Guide, Industrial Press Inc., New York, 1994

10 J. R. Brown (ed.), Foseco Ferrous Foundryman’s Handbook, 11e ed., Butterworth-Heinemann, Oxford, 2000

11 H. Polzin, Inorganic Binders: for Mould and Core Production in the Foundry, Schiele Schön, Berlin, 2014

12 M. Stachowicz et coll., Arc. Fonderie Eng., 2017, 17, 95

13 Y. A. Owusu, Adv. Interf colloïde. Sci., 1982, 18, 57

14 Ł. Payga et coll., Arc. Metall. Mater., 2017, 62, 379

15 M. Stachowicz et coll., Arc. Fonderie Eng., 2016, 16, 79

16 brevet coréen KR101527909B1, 2004; et le brevet canadien CA1203966A, 1982, a expiré

17 G. R. Chate et coll., Silicon, 2018, 10, 1921

18 N. S. Reddy et coll., J. Corée trouvé. Soc., 2014, 34, 23

19 O. S. Seidu et B. J. Kutelu, J. Min. Mater. Caractère Eng., 2014, 2, 507

20 F. Mück et C. Appelt, Casting Plant and Technology, 2018, 3, 12

21 J. Svidró et coll.,Arch. Metall. Mater., 2017, 62, 795

22 H. Khandelwal et B. Ravi, J. Manuf. Proc., 2016, 22, 127

23 A. Kumaravadivel et U. Nararajan, Int. J. Adv. Manuf, c’est lui. Tech., 2012, 66 695

24 T. Sivarupa et coll., J. Manuf. Proc., 2017, 29, 211

25 Z. Guo et coll., Prototypage rapide. J., 2019, 26, 309

26 B. Surekha et coll., Proc. Mater. Sci., 2014, 6, 919

27 A. Josan, Solid State Phenomena, 2016, 254, 243

28 Z. Ignaszak, Arc. Fonderie Eng., 2011, 11, 55