Mouillage: qu’est-ce que c’est et pourquoi est-ce une telle préoccupation?

Le producteur de fonderie moderne s’intéresse à la production d’un produit de la meilleure qualité sans compromis - le mouillage peut être une cause de problèmes dans le processus de coulée des métaux.

Introduction

Le mouillage est le phénomène par lequel un liquide est capable de maintenir le contact avec une surface solide, provoqué par des interactions intermoléculaires. Dans la fonderie moderne, le principal problème causé par le mouillage réside dans les impacts sur l’état de surface d’un matériau moulé. Le résultat est rarement préjudiciable au matériau moulé, mais cela signifie presque toujours qu’un travail supplémentaire (et donc du temps et de l’argent) est nécessaire pour éliminer les défauts de surface, généralement par usinage à la main. Naturellement, les propriétaires et les exploitants de fonderies sont désireux de réduire la probabilité de mouillage, minimisant ainsi les risques de traitement post-coulée. Les défauts de surface prennent généralement la forme de « bavures », c’est-à-dire où du métal fondu est entré en contact avec le sable et refroidi de manière irrégulière. Le sable peut également pénétrer dans le métal. (1,2,3)

Dans le cas d’un liquide présent, aux températures de fonderie, il va bouillir et dégager du gaz. Cela crée un espace pour que le métal fondu et le sable interagissent, dans le cas des pièces moulées métalliques à base de sable. Une interaction de surface peut être décrite comme « fortement mouillante » lorsqu’il existe une bonne interaction solide-liquide. « Mauvais mouillage » fait référence à une faible interaction solide-liquide.

Des additifs peuvent être ajoutés pour réduire la probabilité de mouillage, en plus d’assurer un contrôle adéquat et approprié de l’humidité. Les défauts de surface sont beaucoup plus susceptibles de se produire lorsqu’il y a de fortes interactions de mouillage (une discussion détaillée de la chimie de surface dépasse le cadre de cet article), qui proviennent principalement des forces intermoléculaires de Van der Waal et de la liaison hydrogène.

métal fondu étant versé dans le moule avec des sables de remplissage

Stratégies pour annuler ou éviter le mouillage

Mieux vaut prévenir que guérir. Dans pratiquement tous les cas, les fondeurs incorporeront de la matière dans leurs moules de coulée pour annuler l’impact du mouillage ou, mieux encore, l’empêcher purement et simplement. Ces additifs sont souvent des matières organiques, avec divers résidus de plantes féculentes, huiles et produits chimiques organiques nocifs qui ont trouvé de larges utilisations au fil des ans - qui étaient tous des exemples de matières carbonées. Pratiquement n’importe quel matériau riche en carbone peut être utilisé à condition qu’il s’incorpore bien à travers le sain. L’un des additifs les plus remarquables pour empêcher le mouillage, cependant, est la
poussière de charbon / anthracite
. Le fait qu’il soit relativement bon marché, facile à travailler et complètement combustible en fait une option attrayante pour une grande variété de types de coulée.

En termes simples, l’augmentation de la quantité de matière carbonée dans un moule de sable entraînera une plus grande pyrolyse de ce matériau. La pyrolyse est une combustion incomplète, c’est-à-dire une combustion en l’absence d’oxygène. Pour les matières organiques, cela signifie la production de carbone (qui a tendance à se déposer sous forme de couche sur le métal et le sable) et d’hydrogène (qui agit comme une barrière gazeuse à la pénétration du métal et / ou du sable, et a d’autres impacts sur la formation d’oxyde, voir plus loin). Les composés bien adaptés pour agir comme cette matière carbonée sont ceux qui ont un pouvoir cokéfaction élevé, un composant relativement faible des matières organiques volatiles (pas plus de 30% en poids), une faible teneur en cendres et une très faible teneur en soufre (pas plus de 0,8% en poids). La taille de broyage de l’additif carboné doit pouvoir être incorporée complètement dans la lingotière à sable, les premiers rapports suggérant une taille de particule ne dépassant pas 0,3 mm(4).

Comme le mouillage provoque la formation de petits canaux dans le sable, le métal molen peut s’y infiltrer et c’est l’origine de nombreux défauts de surface, tels que « brûler sur » et « brûler » via des changements de surface à l’interface de coulée, conduisant à des surfaces coulées inégales. Des effets aussi simples que l’adhérence du métal fondu au sable sont des signes courants de mouillage. Le silicium et le phosphore présents dans le sable peuvent se libérer avec le fer et le manganèse contenus dans le métal en fusion, ce qui peut provoquer un changement fondamental des matériaux et des produits chimiques - tout à fait évitable si le mouillage est empêché par l’ajout d’un matériau carboné soigneusement sélectionné(5).

Fondamentalement, le mouillage est un problème courant dans la coulée de métal, mais il est également évitable. Cela peut être aussi simple que d’incorporer une petite quantité d’un matériau tel que la
poussière de charbon (anthracite)
dans le sable, qui pyrolyse proprement, et empêchera le mouillage et les phénomènes de défauts de surface associés, évitant ainsi la nécessité d’un traitement manuel post-coulée(6).

poussière de charbon utilisée dans le processus de moulage

Poussière de charbon

La poussière de charbon est de l’anthracite en poudre. Il s’agit d’un produit charbonnier de haute qualité usiné selon des spécifications fines, étant faible en composés organiques volatils, faible en cendres et faible en soufre - en quantités constamment inférieures à celles spécifiées ci-dessus. L’anthracite est le charbon de la plus haute qualité, il n’est pas bitumineux comme le lignite et contient la plus forte proportion de carbone pur, ce qui signifie que lorsqu’il est brûlé ou pyrolysé, moins de polluants dangereux sont émis que les charbons de qualité inférieure(7,8).

Il est peut-être tout à fait logique que la poussière de charbon ait remplacé les matériaux carbonés classiques tels que le charbon bitumineux, car on s’attendrait à ce que les performances soient les mêmes. Il le surpasse. En raison de l’évolution de gaz toxiques tels que le benzène, le toluène et le xylène provenant de charbons de mauvaise qualité(9), les conditions atmosphériques locales autour des fonderies se sont révélées mauvaises dans les années 1940. Les charbons de meilleure qualité tels que l’anthracite réduisent considérablement l’évolution de ces gaz. Il a été signalé que l’anthracite produit plus de carbone protecteur en couches minces par unité de masse que les autres types de charbon - ce qui est prévisible car il y a moins de contaminants, donc plus de carbone.

Malgré sa qualité supérieure, l’anthracite reste un matériau peu coûteux et trouve une large utilisation dans divers contextes. Son profil de pyrolyse propre en fait le choix idéal (et fortement privilégié par l’industrie) pour les pièces moulées au sable vert, où il est responsable de moins d’incidences liées au mouillage.

Il convient également de noter que la poussière de charbon séchée, de petite taille et donc de charbon à écoulement libre se mélangera facilement et se dispersera uniformément dans le sable. Les sources de carbone plus résineuses ou bitumineuses telles que le lignite ne se disperseront pas aussi uniformément en raison de leur nature « collante » conduisant à l’agglutination, ce qui risque d’avoir des zones dans le sable proches de l’interface du métal fondu sans aucun matériau carboné - offrant ainsi une protection nulle et ouvrant la porte aux phénomènes de mouillage et aux défauts de surface ultérieurs qu’ils entraîneront.

poussière de charbon

Prévention de la brûlure de fonderie

La brûlure de fonderie, qui se manifeste de manière similaire et nécessite un traitement post-moulage pratiquement identique pour éliminer les effets, est fortement liée au mouillage. La combustion de fonderie est assez courante dans la production de fer et d’acier - elle se produit lorsque des silicates de fer se forment à la surface du métal coulé, lorsque la silice (du moule de sable) et l’oxyde de fer (du fer) réagissent. Cela provoque la fusion et le dépôt de grains de sable sur la surface coulée, ce qui est difficile à enlever et nécessite un usinage, semblable à un mouillage(10). En tant que tels, les fondeurs souhaitent empêcher la formation d’oxyde de fer en premier lieu. Tout comme dans la prévention du mouillage, la pyrolyse de la poussière d’anthracite/charbon produit une atmosphère réductrice très efficace qui inhibe complètement l’oxydation du fer, empêchant ainsi la formation d’oxyde de fer(11). Ce principe peut également être appliqué dans les pièces moulées au sable vert, où la chromite réfractaire contient souvent des quantités faibles à modérées de silice. Là encore, la production d’hydrogène gazeux résultant de la pyrolyse donne naissance à l’atmosphère réductrice et empêche ainsi la formation d’oxyde(12). Une protection supplémentaire contre les brûlures est fournie car le processus de pyrolyse provoque le dépôt d’un film mince de carbone pur à la surface du métal, ce qui empêche la pénétration du métal dans le sable. L’inverse est également vrai; Le sable ne peut pas pénétrer dans le métal. D’une manière générale, cela peut être considéré comme un comportement non mouillant.

Sécurité

Comme mentionné, l’anthracite est non toxique. L’accumulation de pression est la seule préoccupation, car la pyrolyse des poussières de charbon provoque l’expulsion du gaz(13) avec un mélange de sable vert ne contenant que 5 % de poussière de charbon peut conduire à des pressions deux fois supérieures à celles du sable vert uniquement. Il faut s’attendre à une certaine pénétration du métal par l’hydrogène dégagé(14), mais elle sera quelque peu annulée par la fine couche de carbone formée (voir plus haut). Dans l’ensemble, l’accumulation de pression et l’évolution de l’hydrogène sont bien dans les tolérances et la capacité de conception des installations modernes de coulée à base de sable.

métal chaud rouge

Résumé

  • Le mouillage est un phénomène par lequel un liquide - généralement de l’eau - est capable de maintenir le contact avec un solide.
  • Dans le cas de la fonderie et de la coulée, le mouillage provoque directement la formation de défauts de surface, qui doivent ensuite être éliminés manuellement, ce qui augmente les coûts et le temps
  • La prévention du mouillage se fait généralement par l’ajout d’une matière organique au moule de coulée.
  • La poussière de charbon (anthracite) est le premier choix pour la prévention du mouillage en raison de ses excellentes performances, de sa facilité de manipulation et de sa nature non toxique - tout en étant très rentable
  • La combustion incomplète de la poussière de charbon (pyrolyse) produit un environnement réducteur qui empêche certains types de défauts de surface, tandis que simultanément de fines couches de carbone sont formées qui empêchent d’autres types de défauts.
  • L’anthracite est non toxique et n’entraînera pas l’évolution de gaz toxiques
  • La combustion de fonderie est un phénomène connexe et peut également être largement évitée grâce à l’utilisation de poussière de charbon.
coal_dust
Pot rempli d’anthracite moulue

Références

1 A. Josan et C. P. Bretotean, Using special additions to preparation of the moulding mixture for casting steel parts of drive wheel type, in: International Conference on Applied Sciences 2014 (ICAS2014), Hunedoara, Roumanie, 2014

2 B. E. Brooks et C. Beckermann, Production of Burn-on and Mold Penetration in Steel Casting using Simulation, in: 60th SFSA Technical and Operating Conference, Chicago, 2006

3 Analysis of Casting Defects Committee, Analysis of Casting Defects , American Foundrymen’s Society, Des Plaines, États-Unis

4 Brevet américain US3666706A, 1969

5 M. Holtzer et coll., Microstructure and Properties of Ductile Iron and Compacted Graphite Iron Casting ings, Springer, Cambridge, 2015

6 B. Drevet (ed) Mouillabilité à haute température; Pergamon Materials Series Volume 3, Elsevier, Amsterdam, 1999

7 G. Thiel et S. R. Giese, Am. Foundry Soc. Trans., 2005, 113, 471

8 J. Wang et F. S. Cannon, Study of pyrolysis of carbonaceous additives in green sand foundries , dans Seattle : The International Carbon Conference, Seattle, 2007

9 G. F. Keatinge et N. M. Potter, Br. J. Ind. Med., 1945, 2, 125

10 A. Petro et al., Suis. Fonderie Soc. Trans., 1980, 88, 683

11 H. W. Duert et coll., Suis. Fonderie Soc. Trans., 1970, 78, 145

12 D. T. Peterson et coll., Suis. Fonderie Soc. Trans., 1980, 88, 503

13 J. Mocek et J. Samsonowicz, Arc. Trouvé. Eng., 2011, 11, 87

14 A. Campbell, Complete Casting Handbook (2e éd.), Butterworth Heinemann, Londres, 2015