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Sable de fonderie - observation de la morphologie des grains au MEB

En fonderie de moulage sable à prise chimique, il est coutume de dire qu’ « un bon sable permet de fabriquer de bonnes pièces ». Parmi l’ensemble des facteurs qui conduisent à la réalisation d’une pièce conforme à un CDC (Cahier Des Charges), le sable est de toute première importance. Il permet en effet d’obtenir la qualité de peau de pièce (rugosité satisfaisante, absence de problèmes d’abreuvage, de gerces, …) et le bon dimensionnel (tenue mécanique du sable à la coulée, ..), mais aussi contribue à la santé interne de la matière (évacuation des gaz). Le sable, utilisé comme matière première pour fabriquer le moule (formes externes) et les noyaux (formes internes), est contrôlé grâce à des protocoles de caractérisations standardisés. Ces protocoles couvrent autant les caractérisations physiques, mécaniques et chimiques des sables neufs que des sables recyclés.

Essai de flexion 3 points pour la détermination des caractéristiques mécaniques

Résistance à la flexion d’un sable à prise chimique – machine de flexion 3 points – CTIF

Cet essai consiste à suivre l’évolution, au cours du temps, de la résistance à la flexion d’un sable à prise chimique.

Le temps de conservation des éprouvettes (avant essai mécanique) est croissant, de 3 min à 24 h. Il permet ainsi de déterminer l’évolution des caractéristiques mécaniques des noyaux lors d’un stockage avant utilisation. Cet essai permet de prévoir la durée de stockage maximum n’altérant pas la qualité des noyaux et leurs résistances (risques de ruptures sous la pression du métal liquide, désagrégation de parties de noyaux au contact du métal, …).

Evolution des caractéristiques mécaniques du sable de fonderie

On peut ainsi visualiser l’évolution croissante de la résistance à la flexion en fonction du temps de noyaux fabriqués à partir de sable LA32 et de sables différents (échantillons A et B) neufs.
Dans la pratique, il apparait qu’un compromis doit être trouvé : un noyau trop rigide va présenter une trop grande fragilité (risque de casse) ou être trop résistant par rapport au retrait du métal, et à contrario un noyau trop malléable risque de trop se déformer (hors tolérances dimensionnelles, …). On peut également caractériser le phénomène de reprise d’humidité à partir de cet essai. La reprise d’humidité fragilise et altère les caractéristiques mécaniques des noyaux de manière imprévisible.

Essai de durée de vie – détermination du temps de travail du sable

Durée de vie – sable LA32

L’essai de durée de vie consiste à déterminer le temps de stockage maximum du sable à prise chimique préparé avant le tir, permettant d’obtenir des caractéristiques mécaniques souhaitées. De façon plus précise, il permet de préciser le temps de travail opérateur disponible pour réaliser des noyaux avec des caractéristiques mécaniques convenables.
Ce temps est déterminé à partir des résistances à la flexion mesurées sur une série d’éprouvettes confectionnées après des temps de stockage croissant du sable préparé, de 3 min à 24h. Nous pouvons constater que les caractéristiques mécaniques des échantillons préparés à partir de sable LA32 neuf décroissent avec le temps.
En première approche, moins le sable est stocké longtemps dans la trémie et plus les noyaux auront de bonnes propriétés mécaniques. De la même façon qu’à partir de l’essai de flexion 3 points, on peut mesurer le phénomène de reprise d’humidité à partir de cet essai.

Détermination de la granulométrie et de l’indice de finesse

Série de tamis pour analyse de la granulométrie d’un sable de fonderie

La granulométrie d’un sable neuf correspond à la répartition des grains, en pour-cent, selon des classes conventionnelles de dimensions. Pour caractériser la granulométrie, on utilise la notion d’ « indice de finesse » : nombre entier correspondant à un numéro de tamis fictif ayant une ouverture de maille correspondant à 50% de la courbe de distribution cumulative des refus.

La taille de la particule est déterminée par sa capacité à passer ou non par l’ouverture des mailles d’une toile métallique. Cela correspond au plus petit diamètre de la particule (en faisant abstraction de l’angularité des grains). Nous pouvons observer la répartition des grains (refus %) par tamis caractérisés par l’ouverture de mailles.

Histogramme des refus pour 3 types de sable (LA32 en bleu)

La granulométrie d’un sable est aussi importante que la nature du sable elle-même (silice, zircon, olivine, kerphalite, chromite, …). En effet, en fonction des procédés, on choisira des granulométries différentes. En outre, la granulométrie a un impact sur l’état de surface des pièces. La notion de granulométrie est à relier à la teneur en particules de moins de 20 µm que l’on cherche à caractériser par la teneur en argile et en particules de dimensions inférieures à 20 µm, présentes dans les sables siliceux neufs, par application de la loi de Stokes. Cette détermination est très importante dans les procédés de sable à prise chimique, car ces particules fines provoquent une plus grande consommation de liant et une diminution de la perméabilité aux gaz et de la réfractarité (augmentation de la surface spécifique).

Détermination de la demande acide d’un sable à prise chimique

La demande acide consiste à mettre en contact du sable à prise chimique avec un volume connu d’acide chlorhydrique 0,1 N, puis l’acide n’ayant pas réagi avec le sable est titré par de la soude 0, 1 N (dosage en retour). Les résultats s’expriment sur 50 g de sable en ml d’HCl 0,1 N consommé pour atteindre des pH de 3, 5 ou 7 (DA3, DA5, DA7). On détermine, par cette méthode, la quantité d’acide chlorhydrique nécessaire à la neutralisation des différents composés alcalins contenus dans les sables neufs.

Détermination de la perte au feu

On cherche à caractériser la perte de masse d’un échantillon après calcination à 900 °C, sous atmosphère inerte (argon, azote, …) ou non en fonction de la nature du sable. Le sable est calciné à cette température élevée de manière à décomposer tous les éléments combustibles. La différence de masse entre l’échantillon calciné et l’échantillon séché constitue « la perte au feu ». Lors du remplissage d’une empreinte de moule, les différents éléments réfractaires du sable vont être en contact avec du métal à haute température. Il est donc indispensable de ne pas avoir de variation de masse (et donc de variation de volume) trop importante entrainant des défauts de tolérance dimensionnelle sur les pièces. Cet essai permet aussi de mesurer l’importance des éléments organiques exogènes contenus dans le sable et qui pourraient nuire à sa qualité.
Ces éléments combustibles – détruits à 900°C – sont présents à température ambiante lors de la confection des moules ou noyaux. Ils ont donc un impact sur la composition des moules, et notamment peuvent augmenter la teneur nécessaire en liant par augmentation de la surface spécifique. Une fois détruit, lors de la coulée, ces éléments peuvent générer des porosités au sein des pièces et constituent d’éventuelles sources de défauts.

Détermination de la teneur en eau

La teneur en eau d’un sable est déterminée par la perte de masse par étuvage à 105°C. L’eau d’un sable neuf provient essentiellement de matières humiques présentes dans le sable extrait de carrière. Même si cette quantité est souvent très faible, il est indispensable d’éviter toute présence d’eau dans les moules pour des questions évidentes de sécurité.

Caractérisation du pH

Pour déterminer son pH, le sable est laissé en contact avec de l’eau sous agitation magnétique. Une faible quantité de chlorure de potassium est introduite pour accroître le potentiel ionique de la solution. Le pH de la solution surnageante est alors mesuré  à l’aide d’un pH-mètre. De cette manière, on caractérise l’acidité ou l’alcalinité d’un sable.

Analyse chimique élémentaire

L’analyse chimique élémentaire révèle la composition chimique du sable et aide à comprendre l’influence des différents paramètres. La présence d’oxydes, aide à comprendre l’intérêt de réaliser les déterminations de perte au feu sous atmosphère inerte pour les sables de chromite par exemple.

Observations microscopiques – Imagerie MEB

Sable avec présence de fines- observation au MEB – CTIF

Les outils d’imagerie à fort grossissement (microscope, MEB) permettent de visualiser les grains de sable (taille, forme, régularité, …) et complètent les précédents essais qu’ils permettent de mettre en perspective et d’interpréter. Ces outils s’avèrent donc forts utiles dans la caractérisation des sables. Les observations à l’aide du Microscope à Balayage Electronique (MEB) éclairent utilement sur les résultats des caractéristiques physiques. Par exemple, pour deux sables référencés A et B, nous remarquons la présence de fines dans le sable B et non dans le sable A. Si l’on observe l’évolution des caractéristiques mécaniques, on note une légère différence qui peut être imputable à cette présence de fines. Ces observations viennent surtout confirmer les résultats de granulométries.

Créer des liens entre les différents paramètres

Il est absolument indispensable de mettre en rapport ces différents paramètres afin de pouvoir caractériser correctement le sable. Ainsi, la demande acide et le pH peuvent être mis en relation. De même, nous avons vu que répartition granulométrique et essai de flexion sont corrélés. En effet, plus un sable présente une quantité élevée de fines, plus la teneur en liant nécessaire est élevée avec un impact sur ses caractéristiques mécaniques.

Régénération et impact sur la qualité des sables

Moules en sable à prise chimique – en cours de fabrication

Pour répondre à des problématiques environnementales (mise en décharge et traitements) et à des contraintes économiques (coût d’achat, revalorisation,…), une grande quantité de sable est recyclée et réintroduite dans les circuits de moulage. Toutes les caractéristiques du sable vont être affectées (par la coulée du métal et la régénération). La granulométrie va être ainsi modifiée par la production de fines lors d’une régénération mécanique (par abrasion des grains). De plus, suite à l’élévation de la température lors de la coulée, le sable subit des transformations que le traitement de régénération ne permet pas de récupérer complètement. Il devient alors nécessaire de mener des essais de caractérisations des sables sur des échantillons (avant et après régénération) afin de tracer la qualité du sable et de comprendre finement l’évolution de ses caractéristiques (granulométrie, durée de vie, …).

Caractériser le sable, un enjeu majeur en fonderie

La caractérisation des sables de fonderie revêt une importante toute particulière et l’augmentation de la part de sable recyclé dans les circuits de moulage et de noyautage pousse  à lui prêter une attention toute particulière. Le sable constituant souvent l’élément de base de la fonderie, il requiert encore des études spécifiques pour mieux comprendre ses transformations et mieux maîtriser le procédé industriel.