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La fabrication des carapaces en fonderie cire perdue.

Dans un précédent article, nous vous parlions des différentes étapes du process de moulage en cire perdue (injection des cires, montage de la grappe, décirage, frittage, coulée). Nous nous proposons, cette fois-ci, de faire un focus plus spécifique sur la fabrication des carapaces – et en particulier sur le contrôle et la caractérisation des barbotines – l’un des points clefs du process.

Les barbotines

Trempage robotisé d’une grappe en cire dans la barbotine.

Les barbotines sont des suspensions denses de particules réfractaires dans un solvant. En d’autres termes, les barbotines sont composées d’un liquide appelé liant, d’une farine de matériau réfractaire (la charge) et d’adjuvants maintenus en suspension par une agitation continue. Plusieurs types de liants sont utilisés pour la fabrication des barbotines : la silice colloïdale, le silicate d’éthyle ou encore le silicate de sodium.

La silice colloïdale est une dispersion de fines particules de silice (10 nm) dans l’eau. La quantité de silice varie de 20 % à 30 % selon les produits. C’est un liquide laiteux, inodore et basique à pH proche de 10. Le séchage est obtenu à l’air ou par une variation de la valeur du pH ce qui conduit à une polycondensation de la silice en suspension. C’est le liant le plus utilisé industriellement dans les barbotines de contact et de renfort. Des solutions de silice colloïdale acides à pH 3 sont aussi disponibles. Ce sont des mélanges de silice colloïdale, d’alcool et d’acide chlorhydrique sous forme de liquide laiteux présentant une odeur d’alcool. Elles sont utilisées dans les barbotines de renfort pour le procédé acide-base.

Le liant silicate d’éthyle (C₈H₂₀O₄Si) est un liquide incolore présentant une odeur d’alcool, qui, hydrolysé dans de l’éthanol, donne une solution stable. Il gélifie instantanément en milieu basique à l’aide d’ammoniac ou par trempage dans une barbotine de silicate de sodium. Ce liant est généralement utilisé pour les barbotines de renfort.

Enfin, le silicate de sodium (Na₂SiO₃) est un liquide basique (pH 13), laiteux et inodore. Le séchage est alors obtenu à l’air par déshydratation. Compte tenu de la forte consolidation qu’il procure, ce liant est souvent utilisé en couche de contact dans les procédés où les noyaux sont fabriqués in situ avec la carapace. Dans la majorité des cas, les barbotines à base de silicate de sodium sont utilisées en alternance avec des barbotines à base de silicate d’éthyle ou de silice colloïdale acide dans le procédé acide-base.

Les charges de la barbotine

Barbotine de renfort – silice colloïdale en rotation.

La charge de la barbotine est constituée d’une farine céramique réfractaire ou d’un mélange de farines de natures différentes. C’est elle qui constitue le squelette de la carapace. Les propriétés généralement recherchées sont la réfractarité, l’inertie chimique vis-à-vis des alliages, le faible coefficient de dilatation thermique et enfin la bonne compatibilité avec le liant. Différentes granulométries sont utilisées en fonction de la couche à réaliser : 0 à 45 µm (325 mesh) pour les barbotines de contact, 0 à 75 µm (200 mesh) pour les barbotines de contact et enfin 45 à 300 µm (120 mesh) pour les barbotines de renfort.

Le zircon (ou silicate de zirconium ZrSiO₄), qui possède une très bonne réfractarité (1 700°C), est le matériau le plus utilisé dans les barbotines de contact. Il est de plus en plus remplacé du fait de sa radioactivité naturelle et de son coût.

L’alumine tabulaire (oxyde d’aluminium Al₂O₃) calcinée possède une très bonne réfractarité (1900°C) et une bonne inertie chimique. Elle est de plus en plus utilisée dans les barbotines de contact avec cependant moins de stabilité dans le temps que le zircon. L’alumine électro-fondue, quant-à-elle, améliore la réfractarité mais dégrade encore plus la stabilité de la barbotine du fait de sa porosité fermée.

Les charges silico-alumineuses (xSiO₂yAl₂O₃) sont pour la plupart des produit issus d’argiles calcinées (chamottes) à diverses températures, contenant plus ou moins d’impuretés ou de produits de synthèse (andalousite, cyanite, sillimanite, mullite). Ces produits sont connus sous les appellations de Valerite, Molochite, Mulgrain, Cerametal… La réfractarité dépend de la pureté. Ces matériaux sont utilisés dans les barbotines de renfort compte tenu de leur réfractarité moyenne.

Enfin, certaines charges sont parfois utilisées dans les barbotines de contact (en tant qu’agents inoculants) comme l’aluminate de cobalt (CoO.Al₂O₃) ou le meta silicate de cobalt (CoO.SiO₂)  avec une réfractarité supérieure à 1800°C.

Les adjuvants de la barbotine

Les adjuvants sont des macromolécules organiques utilisées pour influer et conférer à la barbotine des propriétés physiques spécifiques telles que la tension superficielle et la dispersion. Ce sont en particulier les anti-mousses,  les agents mouillants, le latex et les fongicides. Ces produits sont parfois utilisés dans les barbotines pour résoudre des problèmes particuliers.

Le stucco ou sable de saupoudrage

Manipulation de la grappe dans les cuves de stucco par un robot

Les sables de saupoudrage (appelés stuccos) sont des matériaux céramiques réfractaires qui vont former, de par leur arrangement, le squelette du moule. Les stuccos sont généralement de même nature que les charges utilisées dans les barbotines, seules les granulométries diffèrent. A l’instar des charges de la barbotine, les propriétés recherchées sont la réfractarité, l’inertie chimique et le faible coefficient de dilatation thermique. Les granulométries standards de ces sables pour les différentes couches de la carapace sont de 75 à 210 µm (200 à 100 mesh) pour la première couche, de 200 à 500 µm (80-30 mesh) pour la couche intermédiaire et enfin de 500 à 1000 µm (30-16 mesh) pour la couche de renfort.

Pourquoi différents types de barbotine pour la fabrication d’une carapace ?

Le moule est constitué d’au moins deux types de couches qui se distinguent par les propriétés physico-chimiques de leurs constituants (charge, liants, adjuvants). Chaque couche est constituée d’une barbotine et d’un lit de sable généralement de la même composition que la charge de la barbotine. La couche est réalisée en trempant la grappe dans la barbotine. Puis, après un égouttage convenable, une couche de stucco est déposée à l’aide d’une sableuse.

La couche de contact

La première couche déposée sur la grappe après l’étape de dégraissage est appelée couche de contact car elle sera directement en contact avec le métal liquide lors du remplissage du moule. Aussi doit-elle posséder la réfractarité désirée pour résister à la température du métal, être chimiquement inerte vis-à-vis du métal de façon à éviter toute réaction moule-métal, avoir des propriétés de mouillabilité avec les alliages pour éviter la non-venue, reproduire le plus fidèlement possible les détails les plus fins des modèles et leur aspect de surface, préparer la cohésion avec la couche suivante, assurer la perméabilité suffisante pour l’évacuation des gaz et de l’air lors du remplissage du moule avec le métal et avoir un pouvoir germinant (structure cristalline). Les charges et le stucco qui répondent à ces exigences sont le zircon, l’alumine, la mullite, la zircone et les aluminates de cobalt.

La couche intermédiaire

La couche intermédiaire – qui n’est pas utilisée systématiquement dans le procédé cire perdue – est la première couche de renfort. En effet, pour faciliter l’adhérence entre la couche de contact et les couches de renfort, un stucco d’une granulométrie intermédiaire est utilisé. La barbotine utilisée en couche intermédiaire est soit une barbotine de contact déclassée soit une barbotine de renfort. Le stucco est alors de la même composition que le stucco de contact ou le stucco de renfort, la seule différence est sa granulométrie intermédiaire.

Les couches de renfort

Sur la couche de contact (et/ou la couche intermédiaire), sont déposées d’autres couches de réfractaires. Ces couches, dites couches de renfort, ne seront pas en contact avec le métal liquide et donc ne nécessitent pas l’utilisation de charges très réfractaires. Les couches de renfort sont ainsi constituées de stucco plus grossier. Elles sont destinées à assurer l’ossature, la perméabilité et la résistance mécanique adaptées du moule. Les charges des barbotines de renfort, ainsi que les divers stuccos, sont généralement des chamottes silico-alumineuses (argiles calcinées) pour éviter les variations dimensionnelles du moule lors de la cuisson.

Les contrôles et réglages des barbotines de cire perdue

De par la nature chimique des liants qui les constituent et du fait qu’elles sont en agitation permanentes, les propriétés des barbotines telles que la température, la viscosité, la densité, la valeur du pH et le pouvoir couvrant évoluent naturellement dans le temps. Il est donc indispensable de contrôler et d’ajuster ces paramètres pour assurer une bonne reproductibilité de la fabrication et une fiabilisation du procédé.

La température de fabrication

La cire est très sensible aux variations de la température ambiante. Toute élévation de celle-ci s’accompagne d’une dilatation importante de la cire qui peut détériorer la précision dimensionnelle et même provoquer une fissuration des carapaces. La température de la salle de fabrication des carapaces doit ainsi être maintenue constante (entre 20°C et 23°C) à l’aide d’un système d’air conditionné.

L’agitation permanente des barbotines provoque en outre une élévation de leur température qu’il convient de maîtriser au risque de provoquer une évaporation du solvant et de précipiter la polycondensation du liant.  Ainsi, la température de la barbotine doit être, elle aussi, régulée en température entre 18 et 25°C sans variation de +/- 3°. Pour cela, les cuves de barbotine sont munies de systèmes de circulation d’eau de refroidissement.

La viscosité de la barbotine

Mesure du temps d’écoulement de la barbotine – coupe consistométrique

Une coupe consistométrique – Zahn ou Ford – est utilisée pour mesurer le temps d’écoulement. La mesure s’effectue en mesurant le temps (en seconde) au terme duquel se vide par son orifice la coupe remplie de barbotine. Cette mesure doit être réalisée à la prise de poste de chaque équipe. Du solvant (eau ou alcool selon le type de barbotine) est ajouté régulièrement pour compenser l’augmentation de la viscosité due à l’évaporation.

La densité de la barbotine

Mesure de la densité de la barbotine

Un volume connu de barbotine, généralement 100 ml, est pesé et la masse volumique en est déduite. La densité est mesurée après ajustement de la viscosité et stabilisation de la barbotine. La densité de la barbotine doit rester constante et se maintenir à +/- 0,05 par rapport à la densité d’origine.

Le pH de la barbotine

Mesure du pH de la barbotine en moulage cire perdue

La valeur du pH n’est suivie que pour les barbotines dont le solvant est l’eau. L’ajustement de la rhéologie par les ajouts de solvant en fonction du temps d’écoulement maintient les paramètres physiques des barbotines constants dans les intervalles compatibles avec la production. La valeur du pH est alors le seul paramètre chimique qui donne une information de l’état de polymérisation du liant de la barbotine. En effet, pour une barbotine avec un liant de silice colloïdale, la valeur du pH est de 10.

Une forte diminution de cette valeur provoquerait la gélification de la barbotine par la polycondensation de la silice colloïdale. Une variation importante et brusque de la valeur du pH d’une barbotine signifie une évolution chimique de celle-ci, même si les paramètres physiques tels que la densité et le temps d’écoulement sont stables. On vérifie ainsi la valeur pH toutes les semaines et lors de toutes variations anormales de la viscosité. Cette valeur du pH doit rester relativement constante. En effet, le vieillissement normal de la barbotine s’accompagne d’une variation lente, progressive et irréversible de la valeur du pH.

Le pouvoir couvrant

Mesure du pouvoir couvrant de la barbotine sur une plaque témoin

Pour mesurer le pouvoir couvrant, une plaque en inox ou en cire de dimensions 150 x 150 x 1,2 mm est immergée dans la barbotine. Retirée et égouttée, la plaque est pesée et la masse du dépôt déterminée. Ce contrôle est indicatif. Il permet de visualiser l’aspect du dépôt et la capacité d’accroche de la barbotine. Si une baisse de la capacité d’accroche est observée, lors du contrôle du temps d’écoulement, une partie des ajouts de solvant nécessaire sera substituée par du liant.

Le pourcentage de liant et le pourcentage de charge

Mesure du pourcentage de liant dans la barbotine

Ces contrôles consistent à prélever une masse connue de barbotine, à la sécher jusqu’à masse constante à 180°C à l’aide d’une thermo balance ou d’une étuve et d’en déduire le pourcentage de solide total et le pourcentage de liquide. Ils doivent s’effectuer une fois par semaine. Avec ces données, la densité de la barbotine et les dimensions de la cuve, les quantités d’ajout d’eau, de liant et/ou de charge sont déterminées pour garder le rapport liant / charge de la barbotine constant dans le temps.

Un contrôle rigoureux des barbotines

Malgré la complexité apparente du procédé, le contrôle rigoureux des paramètres physico- chimiques des barbotines permet de fiabiliser leur fabrication et d’optimiser la consommation des produits nécessaires.