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Les liants inorganiques pour le noyautage. Quasiment plus d'émissions à la coulée. Mais un process de fabrication différent à mettre au point !

Pour aller vers des pratiques plus écologiques, la fonderie en moulage sable à prise chimique a entamé une évolution vers les liants inorganiques minéraux qui permettent une réduction substantielle des émissions de gaz et de substances nocives durant tout le procédé de fabrication.

Un peu d’histoire

Les noyaux à liant inorganique dégagent de très faibles émissions à la coulée.

Les premiers procédés classiques utilisant des liants inorganiques sont apparus dans les années 50-60. Il s‘agissait du procédé par gazage silicate-CO2 et du procédé autodurcissant silicate-ester. La différence entre l’ancien système CO2 et les nouveaux liants inorganiques réside dans le type de silicate et la nature des additifs utilisés. De plus, au lieu d’effectuer la prise par l’utilisation de CO2 (comme dans l’ancien système), celle-ci est maintenant obtenue principalement en boîte chaude par un gazage avec de l’air chaud.

Les résistances mécaniques sont beaucoup plus élevées en utilisant moins de liant, par conséquent l’aptitude au tir et le débourrage sont nettement facilités en comparaison avec l’ancien système CO2. L’affinité du silicate de sodium pour l’aluminium à l’origine des adhérences noyaux métal ou moule métal présents dans les systèmes CO2 a été résolue par l’utilisation d’additifs, qui réagissent chimiquement avec les silicates par absorption des calories du métal liquide.

La composition des liants inorganiques

Tous les liants inorganiques connus sont principalement constitués de deux parties. Une partie liquide constituée de silicates de sodium en solution modifiés avec des adjuvants de différentes natures (potassium, sels de lithium…). Les additifs, sous forme de poudre, constituent la deuxième partie des liants. Ils peuvent être ajoutés directement au sable ou pré-mélangés avec le liant qui est ensuite additionné au sable par un système de dosage classique. Les additifs, qui jouent un rôle essentiel dans les procédés des liants inorganiques, semblent être constitués en grande partie d’élément minéraux de type silice ou silico-alumineux submicronique (fumée).

Les avantages des liants inorganiques

Les nouveaux liants inorganiques présentent beaucoup d’intérêt comparés aux liants organiques couramment utilisés. On constate tout d’abord une absence d’émissions nocives (fumée et odeur) durant tout le procédé de production. Ensuite, les dégagements gazeux étant quasiment inexistants, cela améliore la qualité des pièces coulées par une diminution des défauts de porosité liés au gaz de noyau. Enfin, la formation des condensats (résidus de combustion) durant la coulée est supprimée, ce qui réduit de manière significative le nettoyage des outillages métalliques (moulage coquille et basse pression).

Mécanisme de dissolution / reprécipitation

Il a été mis en évidence un mécanisme particulier, dit de « dissolution / reprécipitation » qui explique les propriétés du sable à base de liant inorganique. En effet, le contact entre le sable et une solution de silicate de sodium entraîne une dissolution partielle du sable qui passe en solution. En d’autres termes, les grains de sable sont partiellement attaqués par la solution. Cette dissolution est d’autant plus importante que la granulométrie du sable est faible et que la température de réaction est élevée.

En effet, en solution, le silicate de sodium libère des ions Na+ et hydroxydes OH- par l’hydrolyse des macromolécules en complexes chimiques de plus petites tailles. Les hydroxydes ainsi formés, s’attaquent aux liaisons Si-O-Si du sable qui sont rompues.

Cette rupture de la liaison conduit à la formation de groupement Si-OH à la surface du sable, et les groupements anioniques Si-O- très réactifs qui passent en solution. L’augmentation de la concentration de la solution en anion Si-O- conduit à une sursaturation de celle-ci ce qui entraine la reprécipitation de la silice sous forme amorphe ou cristallisée entre les grains de sable. C’est ce phénomène de dissolution / reprécipitation qui est prépondérant lors du séchage du sable aggloméré à 150°C. La présence de ces liaisons ioniques rend le matériau consolidé sensible à la reprise d’humidité, car en présence d’eau, le cation Na+ rompt la liaison ionique avec Si-O- pour reconstituer sa sphère d’hydratation.

Un procédé boîte chaude

Pour tous les liants à base de silicates utilisés en noyautage aujourd’hui, seule l’utilisation de boîtes à noyaux chauffées (150-200°C) dit « boîte chaude » et un gazage à l’air chaud permettent d’obtenir des temps de prise comparables à ceux obtenus avec les procédés organiques. Des températures de boîte à noyaux plus basses augmentent le temps de prise et diminuent la stabilité au stockage des noyaux. Des températures plus élevées mènent à un état de surface dégradé du noyau du fait des réactions des additifs du liant.

De l’air chauffé entre 120 à 130°C est habituellement utilisé comme gaz de purge pour évacuer l’humidité ou l’eau restée au cœur du noyau accélérant ainsi la prise. Cet air chaud est produit par un préchauffeur qui vient en complément du gazeur. Afin de minimiser la perte de chaleur, un cordon chauffant doit être installé entre le gazeur et la machine à noyauter. Pour des noyaux de faible section, le gazage peut ne pas être nécessaire.

Machine à noyauter boite froide rétrofitée pour réaliser des noyaux inorganiques boite tiède.

Par ailleurs, compte tenu des propriétés physico-chimiques du silicate de sodium, quelques précautions sont à prendre pour le sable mélangé et pour les noyaux. Ainsi, il faut éviter la déshydratation et une exposition prolongée à l’air du mélange sable-liant au risque de provoquer la prise et le durcissement de celui-ci. Il faut prévenir également le contact du mélange avec toute source de chaleur. Une isolation thermique du plateau ou des buses de tir est ainsi nécessaire pour éviter les transferts de chaleur de la boîte a noyaux chauffée vers les buses ce qui provoquerait la solidification prématurée du sable. Enfin, un système de refroidissement par circulation d’eau des buses ou des plateaux de tir est à prévoir.

Stockage des noyaux au sec

Le stockage des noyaux doit être fait dans un environnement sec et l’abri de l’humidité car ils sont plus sensibles à la reprise d’humidité que les noyaux traditionnels. Il est donc préférable d’avoir des conservations de courte durée et de travailler en flux tendu.

Les procédés commercialisés

Il existe essentiellement trois différents procédés de liants inorganiques (AWB, Inotec, CORDIS). Le procédé AWB (alternative warm box binder), breveté dès 1997 a été présenté à la GIFA dès 2003 par la société Minelco. Depuis 2011, S&B Industrial Minerals a reçu une licence exclusive de commercialisation du brevet d’AWB Minelco. Ce procédé utilise un liant à base de silicate modifié auquel peuvent être ajoutés jusqu’à trois additifs en fonction du type de noyau.

Le système Inotec d’ASK Chemicals, quant-à-lui, met en œuvre un composant liquide, une solution de silicate modifié et un additif nommé promoteur contenant une haute concentration de minéraux. Inotec est utilisé chez BMW Landshut depuis 2006 pour des noyaux de circulation d’eau de culasses et blocs-moteurs automobiles en aluminium.
Enfin, le procédé CORDIS, présenté par Hüttenes-Albertus en 2003, est un système à deux composants complètement inorganique composé du liant (solution de silicate modifiée à l’eau) et de l’additif Cordis Anorgit.

Un know-how spécifique et des verrous encore à lever

Les nouveaux liants inorganiques sont prometteurs. Cependant, ils ne sont utilisables, à ce jour, que pour les alliages non ferreux (aluminium) et nécessitent encore pour les alliages ferreux (fonte et acier) un travail de mise au point (design des noyaux, …) et le développement de savoir-faire spécifiques (outillage, process). En effet, les caractéristiques mécaniques des noyaux restent encore inférieures à celles des noyaux organiques avec un phénomène possible de reprise d’humidité. Enfin, le recyclage des liants inorganiques doit être éprouvé et pérenne pour pouvoir développer des applications industrielles grande série.

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