Les différents sables de fonderie

Sables de fonderie - Kerphalite sable - Glomel en Bretagne.

Sables de fonderie - Kerphalite sable - Glomel en Bretagne.

Différents sables de fonderie peuvent être utilisés. En effet, si la silice est le type de sable le plus utilisé, en raison de sa grande disponibilité et de son coût d’achat réduit, la coulée de pièces en acier ou en fonte à haute température ou la coulée de pièces très massives peut nécessiter l’utilisation de sable de moulage à haute réfractarité. Il existe ainsi des sables naturels (chromite, zircon, olivine…, kerphalite) et des sables synthétiques très réfractaires et à haute tenue à température qui peuvent satisfaire aux exigences des fondeurs.

Définition des sables de fonderie

Deux ouvrages de CTIF décrivent les différents types de sables de fonderie et les divers liants chimiques ou minéraux. Rappelons simplement qu’un sable de fonderie est constitué de matériaux réfractaires en grains de formes différentes. L’étendue de sa plage granulométrique varie entre 0,063 mm et 2 mm (ou entre 0,075 mm et 1 mm pour d’autres auteurs). Les matériaux réfractaires peuvent être de la silice, de la chromite, du zircon, de l’olivine, de la Kerphalite ou un sable synthétique. La silice est de loin le sable le plus utilisé en fonderie.

Propriétés et caractérisation des sables

Les principales propriétés physiques des sables de fonderie pour le moulage et le noyautage sont la forme des grains, la granulométrie et l’indice de finesse, la masse volumique apparente et absolue, la conductivité thermique, le coefficient de dilatation thermique et le point de fusion. Les principales propriétés chimiques sont la composition chimique, les pertes au feu, le pH, les demandes acide et basique.

La silice, sable le plus utilisé

La silice SiO2 est de loin le minéral le plus utilisé. Après lavage, les sables de fonderie siliceux peuvent atteindre 99,5% de SiO2. Le sable neuf est constitué de quartz, mais après contact avec la chaleur, il peut se trouver sous différentes formes minéralogiques (tridymite, cristobalite). Le quartz est la forme stable de la silice jusqu’à 870°C. Sous l’effet de la température, il se transforme en d’autres espèces cristallines de manière irréversible, la tridymite (α,β) puis la cristobalite. Il a une réfractarité suffisante pour la plupart des applications et se trouve en quantités abondantes avec une qualité régulière. Ceci lui confère un avantage économique très important.

Pourquoi utiliser des sables spéciaux ?

L’emploi de sables de fonderie spéciaux à la place de sables de silice pour la fabrication de moules et de noyaux se justifie par leurs propriétés physico-chimiques spécifiques. En effet, lors de la production de pièces de fonderie, on peut mettre à profit les propriétés des sables spéciaux pour éliminer les défauts liés à la dilatation du sable, en particulier les gales, supprimer l’ajout d’additifs formant des gaz pour éliminer les gales, supprimer les réactions métal/sable, supprimer l’abreuvage, améliorer la coulabilité du matériau de moulage, influencer la microstructure ou encore couler des pièces à paroi mince.

Un peu d’histoire

Un sable céramique constitué de chamotte était déjà utilisé en 1841 à Bochum pour produire des pièces en acier. Le moulage de précision en cire perdue a été lié à l’emploi du zircon, de la mullite, du corindon et de la chamotte. Avec le développement et l’introduction des sables à liant organique, les limites d’emploi du sable siliceux ont été franchies. Les sables de chromite et de zircon ont été utilisés pour obtenir des pièces montrant une plus belle peau dès les années 1960.

Les sables de fonderie à haute réfractarité

Les principaux sables naturels sont la chromite, le zircon, l’olivine, la Kerphalite. Ces sables naturels sont préparés si nécessaire par concassage, broyage, tamisage, lavage. Il existe plusieurs sables synthétiques comme le Minsand, le Nagai Cerabeads, le Ceratec, …

La chromite

Grains de sables de fonderie en chromite - image MEB.
Grains de sable de chromite – image MEB.

La chromite est un produit minéral dont la formule générale est FeO*Cr2O3. Les sables de chromite proviennent de différents gisements, sous forme de produits broyés ou naturellement sous forme de sable. La température de fusion de la chromite est de 2 180°C. Le sable de chromite se présente sous la forme de grains anguleux plus ou moins sphériques.

Le zircon

Grains de sable de Zircon - image MEB.
Grains de sable de Zircon – image MEB.

Le zircon est un silicate de zirconium de formule ZrO2*SiO2. Les principaux gisements sont situés en Australie, Afrique du Sud, et Etats-Unis (Floride). Sa densité très élevée de 4,75 kg/dm3 en fait le sable réfractaire utilisé en moulage/noyautage le plus lourd. La température de fusion du produit pur de 2 550 °C en fait également le sable le plus réfractaire. Des principaux sables non siliceux, le zircon a été l’un des matériaux utilisés depuis le plus longtemps.

L’olivine

Grains de sable d' Olivine - image MEB.
Grains de sable d’ Olivine – image MEB.

L’olivine est un silicate naturel de magnésium et de fer de formule générale (MgO,FeO)2*SiO2. Les deux composants de l’olivine : la forstérite (2MgO*SiO2) et la fayalite (2FeO*SiO2) sont en solution solide stable. La proportion de forstérite qui a un point de fusion très supérieur à celui de la fayalite conditionne les propriétés réfractaires de l’olivine. La température de fusion de l’olivine utilisée en tant que sable de fonderie est d’environ 1890°C. Le sable d’olivine se présente sous forme de grains anguleux plus ou moins sphériques. Les principaux gisements se situent dans les pays nordiques (en particulier la Norvège) et en Autriche. Un autre avantage lié à l’utilisation de l’olivine réside dans son prix relativement peu élevé par rapport aux autres sables réfractaires non-siliceux (environ le quart de celui de la chromite).

La Kerphalite

La kerphalite est le nom commercial d’une qualité d’andalousite provenant du traitement des gisements de la mine de Glomel (Bretagne). L’andalousite de formule chimique Al2O3.SiO2 est un minéral cristallin qui possède la caractéristique de développer un degré élevé de mullitisation dès 1300°C. La mullite peut être utilisée jusqu’à 1 700°C.

Transformation Andalousite en Mullite.
Transformation Andalousite en Mullite.

Les sables synthétiques

Sable synthétique Nagai Cerabeads 650.
Sable synthétique Nagai Cerabeads 650.

Il existe également plusieurs sables synthétiques, dont les sables Nagai Cerabeads (Itochu Ceratech Corp.), Ceratec (GTP Schäfer), SuperSand (Refractory Engineers Inc), …. Ils sont frittés ou fondus, et résistent bien à l’agression du métal à haute température. Ils contiennent plus de 61% en poids d’Al2O3. Les prix des sables synthétiques sont divers, mais ils se situent généralement entre le prix de la chromite et celui du zircon. Aucune des fonderies ayant répondu à notre enquête n’utilise de sable synthétique. Ces sables sont utilisés dans quelques fonderies (USA, Japon, …) pour des pièces bien spécifiques (grosses pièces en acier) en remplacement du zircon ou de la chromite en particulier. Ils peuvent être utilisés également pour des zones fines de pièces automobiles ou des noyaux complexes.

Cartographie de l’utilisation des sables très réfractaires

consommation de sables réfractaires - enquête dans 9 fonderies en France.
Consommation de sables réfractaires – enquête dans 9 fonderies en France.

Une enquête menée en France a montré que les fonderies utilisent principalement de la silice, et que les sables de substitution sont majoritairement de la chromite, de l’olivine et de la Kerphalite. Les fonderies ayant répondu n’utilisent pas de sable synthétique. Le nombre de sables différents utilisés est en augmentation, car les fonderies ont des exigences spécifiques, et leurs nécessités peuvent être satisfaites au mieux en choisissant dans les produits proposés.

Type de liant utilisés pour les sables réfractaires.
Type de liant utilisés pour les sables réfractaires.

Les résultats de cette enquête dans neuf fonderies d’acier (au chrome ou au manganèse) et de pièces massives en fonte et fonte au chrome mettent en évidence une consommation totale de 69 000 tonnes par an de sable siliceux contre seulement 7 600 tonnes de consommation de sable non siliceux (10 fois moins) dans ces neuf fonderies. L’utilisation du zircon est très faible (5 tonnes). Ces sables de fonderie sont utilisés avec plusieurs types de résine classées en résine à liant gazeux, en résine autodurcissante, et en résine à prise thermique (boîte chaude).

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