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PROCEDE DE FABRICATION DE MOULES DE FONDERIE PAR L'ELIMINATION RAPIDE DE MATIERES VOLATILES NON COMBUSTIBLES.
L'invention se rapporte aux moules destinés à la coulée des métaux, plus spécialement aux moules pour moulages de précision.
La Demanderesse a déjà décrit dans le brevet belge N 518.981 du 3 avril 1953,pour: "Perfectionnements aux moules destinés à coulée des métaux et à leur procédé de fabrication" un procédé dans lequel les moules sont préparés sur place à partir de matériaux réfractaires finement moulus et d'un liant. Dans ce procédé la matière réfractaire est mélangée avec un silicate d'alcoyle de poids moléculaire peu élevé et un agent acide aqueux de gélification. L'hydrolyse du liant forme de l'alcool qui s'échappe par toutes les surfaces du moule et qu'on enflamme aussitôt que ces surfaces ont fait prise par gélification.
Les dimensions externes du moule se fixent ainsi très vite sur toute la surface du moule par une solidification rapide de sorte que ces dimensions externes ne peuvent pas subir de modification. La contraction ultérieure du corps du moule a donc pour résultat la formation de nombreuses fissures microscopiques réparties dans tout le corps du moule et par conséquent une structure poreuse de la masse du moule. Cela est très désirable dans le cas des moules destinés au moulage des métaux, car ainsi les évents spéciaux d'évacuation d'air sont rendu superflus. En outre, non seulement le moule conserve ses dimensions exactes, mais il est aussi remarquablement stable aux variations brusques de températures.
Le procédé proposé ci-dessus était restreint au cas où l'on utilise comme liant un silicate d'alcoyle, auquel cas la matière volatile est un alcool. Ainsi, le liquide que l'on devait évaporer de la matière enveloppante était combustible, ce qui permettait d'amorcer convenablement le chauf-
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fage en enflammant la vapeur dégagée au moyen de flammes appliquées sur toutes les surfaces externes du moule.
La Demanderesse a constaté que le principe de figer les dimensions externes du moule au moyen d'un chauffage rapide et en outre uniforme de la surface totale du moule peut être appliqué à des liants qui ne déga- gent pas en faisant prise une matière volatile combustible. Dans la préparation de tels moules de fonderie au moyen de matières liquides ou pâteuses, celles-ci sont soumises après que le moule a fait prise à un choc thermique appliqué uniformément de tous les cotés à la superficie du moule de façon à forcer les matières volatiles contenues dans la masse du moule à se dégager rapidement. Ce choc thermique est appliqué après que le moule s'est gélifié, mais n'a pas encore subi un retrait appréciable, et consiste en un chauffage intense et rapide de la superficie.
Dans ce cas, la production de chaleur n'est pas aidée par la combustion de constituants combustibles, puisque par hypothèse il n'y en a pas.
Selon la présente invention, par conséquent, dans la préparation de moules destinés au moulage des métaux ou d'autres corps de moulages, on enveloppe un modèle d'une substance liquide ou plastique composée d'une matière réfractaire finement moulue et d'un liant liquide. Cette substance est versée dans un châssis de moulage, on la laisse faire prise par gélification, jusqu'à ce qu'elle puisse être manipulée sans être endommagée, puis on la sépare du modèle. On soumet alors, selon l'invention, le moule ou corps de moulage à un choc thermique par une application rapide et uniforme de chaleur sur toutes les surfaces du moule après qu'il a fait prise mais avant qu'il ait subi un retrait appréciable du fait de l'évaporation.
La température produite à la surface doit être considérablement plus élevée que la température nécessaire pour libérer les constituants volatils incombustibles.
Une fixation immédiate parfaite des dimensions externes a lieu, ainsi que la formation d'une structure poreuse dans la masse du moule.
L'invention peut être appliquée avantageusement à la préparation de moules de fonderie en utilisant une substance de moulage contenant des matières réfractaires finement moulues et un liant formé par précipitation d'un silicate inorganique provoquant la conversion du sol formé en gel. L'in- vention peut être aussi utilisée avec d'autres liants liquides faisant prise, par exemple des liants obtenus à partir de magnésie et d'acide phosphorique, selon la technique bien connue.
L'invention permet de préparer des mules sans utiliser le procédé de séchage lent et de longue durée qui était jugé nécessaire jusqu'à présent. On peut ainsi économiser beaucoup de temps et d'espace d'emmagasinage des moules. En outre, les moules préparés selon l'invention possèdent une résistance accrue contre les changements brusques de température.
Dans la mise en oeuvre de l'invention, les matériaux réfractaires, tels que par exemple le silicate d'aluminium., la magnésie, l'argile, l'alu... mine fondue, la silice pulvérisée, le bioxyde et le silicate de zirconium, etc.., sont transformés en une bouillie moulable au moyen d'un liant liquide et utilisés pour former un moule autour d'un modèle. Après la prise, et éventuellement après la division du moule en pièces séparées, on peut placer le moule sur une grille ou le disposer d'autres façons permettant de lui appliquer une forte chaleur rapidement et de tous les côtés à la fois, de sorte que les matières volatiles soient forcées de s'échapper rapidement et, autant quepossible, complètement.
Par exemple,le moule porté par la grille est placé dans un four chauffé à une température- considérablement plus élevée que celle qui serait nécessaire pour le séchage du moule, ou est soumis à une série de flammes libres dirigées et réglées.
A titre d'exemple, on peut citer les matières suivantes qui peuvent être utilisées comme liant pour la mise en pratique de l'invention: liants inorganiques, tels que des silicates inorganiques, plus spécialement les silicates de sodium et de potassium, en particulier sous forme de sols
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aqueux, et des phosphates..
Le temps qu'on peut laisser s'écouler entre la prise et le chauf- fage rapide du moule dépend de la volatilité du liquide qui s'évapore, tout en se rappelant qu'il faut éviter tout retrait par évaporation avant que les surfaces externes soient fixées par le chauffage rapide. Puisque dans tous les cas précités le constituant volatil est l'eau, cet intervalle de temps n'est pas aussi critique que dans le cas où le constituant volatil était un liquide organique tel que l'alcool, qui s'évapore beaucoup plus rapidement que l'eau.
La présente invention peut aussi être utilisée avantageusement en association avec un procédé dans lequel, avant la cuisson du moule, on vaporise sur les surfaces de celui-ci une poudre métallique fine, passant par exemple au tamis de 120 mailles au cm, afin d'aider à la formation de noyaux de cristallisation à la surface du moule dans le métal coulé. La vaporisation est effectuée pendant que la surface est encore humide, ou après qu'elle a été recouverte d'un liant convenable.
Les réactions qui ont lieu lors de la mise en oeuvre du procédé de la présente invention ne sont pas élucidées dans tous leurs détails. On peut dire cependant sans pour cela limiter la présente invention en aucune façon, que l'application uniforme et rapide de chaleur à toutes les surfaces du moule produit une prise et un durcissement complet de ces surfaces, de sorte que les dimensions externes du moule ne sont plus modifiées par la suite.
D'autre part, il se produit dans toute la masse du moule des fissures et crevasses assez fines pour que le métal ne puisse s'y infiltrer pendant la coulée, mais qui permettent cependant aux gaz et aux vapeurs de s'échapper librement pendant la coulée.
Pour cela, l'élimination des matières volatiles après que le moule a été formé doit avoir lieu aussi rapidement qu'il est matériellement possible, avec pour résultat que la masse moulée se fissure uniformément de telle manière que les fissures soient microscopiques et que les fragments individuels ainsi produits aient sensiblement tous le même ordre de grandeur. Ces fragments ont une forme compliquée et sont liés rigidement entre eux à queue d'aronde de sorte que le moule dans son ensemble se comporte comme un corps solide et que cependant la dilatation et la contraction des fragments individuels est possible sans modifier les dimensions externes de l'ensemble du moule.
Il est essentiel pour laprésente invention que les particules de matière réfractaire finement divisée soient séparées par une masse colloidale ou par une structure gélifiée. Ce principe se distingue nettement de celui des techniques antérieures dans lesquelles un des résultats essentiels recherchés est de consolider les particules réfractaires par vibration ou autrement afin d'obtenir autant que possible un contact parfait entre elles. Ceci est vrai aussi bien pour le moulage au sable que pour le moulage de précision à cire perdue, et c'est aussi la pratique normale dans l'industrie des matières réfractaires en général et en fait dans toutes les techniques où l'on cherche à lier un aggrégat. Il est au contraire essentiel pour atteindre le but opposé de l'invention que la prise ou gélification de la masse ait lieu avec le minimum de perturbation.
Dans la mise en oeuvre de l'invention, il est nécessaire de préparer une bouillie fluide contenant une proportion importante de liquide, en mélangeant une matière réfractaire finement divisée avec un liant. La bouillie fluide ainsi préparée est alors versée sur les modèles placés dans des récipients convenables selon la technique bien connue. Aussitôt que la bouillie a fait prise, et en observant les conditions indiquées ci-dessus, on élimine rapidement la matière volatile incombustible par l'application d'un choc thermique convenable.
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Les liants peuvent être préparés selon la technique bien connue à partir de silicates inorganiques, tels que par exemple le silicate de sodium et d'un acide tel que l'acide nitrique, ou d'une solution alcaline ou acide faible de silice colloïdale et d'un accélérateur de gélification, ou encore selon la pratique bien connue à partir de phosphates tels que par exemple le phosphate d'ammonium et d'oxyde de magnésium en milieu aqueux.
Dans tous les cas, après la prise de la bouillie, l'eau qui constitue la matière volatile résultante doit être éliminée rapidement du moule ainsi que décrit.
On peut dans certains cas effectuer le chauffage rapide en in- troduisant le moule dans une chambre chauffée par des rayons infra-rouges.
Le procédé selon l'invention permet d'obtenir un moule de fonderie ayant une surface de moulage extraordinairement lisse, sans être nécessairement un moule à plusieurs couches. Cependant on peut aussi préparer un moule en couches et utiliser pour la surface de moulage des matières réfractaires à grains particulièrement fins, comme il est bien connu. On peut aussi renforcer la liaison entre la surface de moulage et le reste de la matière du moule au moyen d'une couche intermédiaire et/ou d'un choix convenable de divers liants. Par exemple, on peut utiliser comme liant pour la surface de moulage un sol alcalin de silice et pour le reste du corps du moule un sol faible d'acide silicique. Le composé formé par la neutralisation produit une forte adhérence de la surface de moulage au corps principal du moule.
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METHOD OF MANUFACTURING FOUNDRY MOLDS BY THE RAPID ELIMINATION OF NON-COMBUSTIBLE VOLATILE MATERIALS.
The invention relates to molds intended for the casting of metals, more especially to molds for precision casting.
The Applicant has already described in Belgian patent N 518,981 of April 3, 1953, for: "Improvements to molds intended for casting metals and their manufacturing process" a process in which the molds are prepared on site from finely refractory materials. ground and a binder. In this process the refractory material is mixed with a low molecular weight alkyl silicate and an aqueous acidic gelling agent. The hydrolysis of the binder forms alcohol which escapes through all the surfaces of the mold and which is ignited as soon as these surfaces have set by gelation.
The external dimensions of the mold are thus fixed very quickly over the entire surface of the mold by rapid solidification so that these external dimensions cannot be changed. The subsequent contraction of the mold body therefore results in the formation of numerous microscopic cracks distributed throughout the mold body and consequently a porous structure of the mass of the mold. This is very desirable in the case of molds intended for the casting of metals, since special air exhaust vents are thus made unnecessary. In addition, not only does the mold maintain its exact dimensions, but it is also remarkably stable to sudden temperature changes.
The process proposed above was restricted to the case where an alkyl silicate is used as the binder, in which case the volatile material is an alcohol. Thus, the liquid which had to be evaporated from the surrounding material was combustible, which made it possible to properly start the heating.
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fage by igniting the vapor given off by means of flames applied to all the external surfaces of the mold.
The Applicant has found that the principle of fixing the external dimensions of the mold by means of rapid and moreover uniform heating of the total surface of the mold can be applied to binders which do not give off by setting a combustible volatile material. . In the preparation of such foundry molds by means of liquid or pasty materials, these are subjected after the mold has set to a thermal shock applied uniformly from all sides to the surface of the mold so as to force the volatile matter. contained in the mass of the mold to be released quickly. This thermal shock is applied after the mold has gelled, but has not yet undergone appreciable shrinkage, and consists of intense and rapid heating of the surface.
In this case, the production of heat is not aided by the combustion of combustible constituents, since it is assumed that there is none.
According to the present invention, therefore, in the preparation of molds for the molding of metals or other molding bodies, a model is enveloped with a liquid or plastic substance composed of a finely ground refractory material and a binder. liquid. This substance is poured into a molding frame, allowed to set by gelation, until it can be handled without being damaged, and then separated from the model. The mold or molding body is then subjected, according to the invention, to a thermal shock by a rapid and uniform application of heat to all surfaces of the mold after it has set but before it has undergone appreciable shrinkage. due to evaporation.
The temperature produced at the surface must be considerably higher than the temperature necessary to release the volatile non-combustible constituents.
Immediate perfect fixation of the external dimensions takes place, as well as the formation of a porous structure in the mass of the mold.
The invention can be advantageously applied to the preparation of foundry molds by using a molding substance containing finely ground refractories and a binder formed by precipitation of an inorganic silicate causing the sol formed to be converted into a gel. The invention can also be used with other setting liquid binders, for example binders obtained from magnesia and phosphoric acid, according to the well known technique.
The invention makes it possible to prepare mules without using the slow and long drying process which has heretofore been deemed necessary. Much time and storage space for the molds can thus be saved. In addition, the molds prepared according to the invention have increased resistance against sudden changes in temperature.
In the implementation of the invention, the refractory materials, such as for example aluminum silicate., Magnesia, clay, molten aluminum, etc., pulverized silica, dioxide and silicate of zirconium, etc., are made into a moldable slurry by means of a liquid binder and used to form a mold around a model. After setting, and possibly after dividing the mold into separate pieces, the mold can be placed on a wire rack or arranged in other ways allowing high heat to be applied quickly and from all sides at once, so that volatiles are forced to escape quickly and, as much as possible, completely.
For example, the mold carried by the grate is placed in an oven heated to a temperature considerably higher than that which would be necessary for drying the mold, or is subjected to a series of directed and controlled free flames.
By way of example, there may be mentioned the following materials which can be used as a binder for the practice of the invention: inorganic binders, such as inorganic silicates, more especially sodium and potassium silicates, in particular under soil shape
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aqueous, and phosphates.
The amount of time that can elapse between setting and rapid heating of the mold depends on the volatility of the evaporating liquid, remembering to avoid evaporative shrinkage before the outer surfaces are fixed by rapid heating. Since in all of the above cases the volatile component is water, this time interval is not as critical as in the case where the volatile component was an organic liquid such as alcohol, which evaporates much faster than the water.
The present invention can also be used advantageously in association with a process in which, before the baking of the mold, a fine metal powder is sprayed on the surfaces of the latter, passing for example through a sieve of 120 mesh per cm, in order to help the formation of crystallization nuclei on the surface of the mold in the cast metal. Spraying is carried out while the surface is still wet, or after it has been covered with a suitable binder.
The reactions which take place during the implementation of the process of the present invention are not elucidated in all their details. It can be said, however, without limiting the present invention in any way, that the uniform and rapid application of heat to all surfaces of the mold produces complete setting and hardening of these surfaces, so that the external dimensions of the mold do not. are more changed later.
On the other hand, cracks and crevices are produced throughout the mass of the mold which are fine enough so that the metal cannot infiltrate them during the casting, but which nevertheless allow the gases and vapors to escape freely during the casting. casting.
For this, the removal of volatiles after the mold has been formed must take place as quickly as physically possible, with the result that the molded mass cracks evenly so that the cracks are microscopic and the fragments. individual products thus produced all have substantially the same order of magnitude. These fragments have a complicated shape and are rigidly dovetailed together so that the mold as a whole behaves like a solid body and yet expansion and contraction of the individual fragments is possible without changing the external dimensions of the body. the whole mold.
It is essential to the present invention that the particles of finely divided refractory material are separated by a colloidal mass or by a gel structure. This principle is clearly distinguished from that of prior techniques in which one of the essential results sought is to consolidate the refractory particles by vibration or otherwise in order to obtain as much as possible perfect contact between them. This is true of both sand casting and lost wax precision casting, and it is also normal practice in the refractory industry in general and indeed in all techniques where one seeks to link an aggregate. On the contrary, it is essential in order to achieve the opposite aim of the invention that the setting or gelation of the mass takes place with the minimum of disturbance.
In carrying out the invention, it is necessary to prepare a fluid slurry containing a large proportion of liquid, by mixing a finely divided refractory material with a binder. The fluid slurry thus prepared is then poured onto the models placed in suitable containers according to the well-known technique. As soon as the slurry has set, and under the conditions indicated above, the non-combustible volatile material is rapidly removed by the application of a suitable thermal shock.
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The binders can be prepared according to the well-known technique from inorganic silicates, such as for example sodium silicate and an acid such as nitric acid, or from an alkaline or weak acid solution of colloidal silica and a gelation accelerator, or alternatively, according to the well-known practice, from phosphates such as, for example, ammonium phosphate and magnesium oxide in aqueous medium.
In any event, after the slurry has set, the water which constitutes the resulting volatile material must be rapidly removed from the mold as described.
In some cases, rapid heating can be carried out by inserting the mold into a chamber heated by infrared rays.
The method according to the invention makes it possible to obtain a foundry mold having an extraordinarily smooth molding surface, without necessarily being a multi-layered mold. However, it is also possible to prepare a layered mold and to use particularly fine-grained refractories for the molding surface, as is well known. The bond between the molding surface and the rest of the mold material can also be strengthened by means of an intermediate layer and / or a suitable choice of various binders. For example, an alkaline silica sol can be used as the binder for the molding surface and a weak silicic acid sol for the rest of the mold body. The compound formed by the neutralization produces a strong adhesion of the molding surface to the main body of the mold.