Le sable de fonderie est un sable siliceux propre et de granulométrie uniforme, utilisé pour la fabrication de moules et de noyaux pour la coulée des métaux. Les grains de sable sont enrobés d'agents liants tels que de l'argile bentonite ou des résines chimiques qui maintiennent la forme du moule lors du coulage du métal en fusion.
Le terme « sable de fonderie » désigne spécifiquement le sable utilisé dans les fonderies, installations où l'on fond et coule le métal. Ce sable se distingue du sable de plage ou du sable de construction par sa granulométrie homogène, sa forte teneur en silice (généralement 95 % ou plus) et ses propriétés rigoureusement contrôlées.
Moulage en sable Cela fonctionne car le sable peut résister à des températures extrêmes sans fondre ni se décomposer. Lorsque du fer en fusion à 1 530 °C est versé dans un moule en sable, ce dernier reste stable pendant que le métal refroidit et se solidifie.
Les fonderies utilisent le moulage au sable pour fabriquer toutes sortes de pièces, des blocs-moteurs aux plaques d'égout. Presque tous les métaux de fonderie conviennent au moulage au sable, notamment le fer, l'acier, l'aluminium, le laiton et le bronze.
Ce procédé est économique car le sable peut être réutilisé plusieurs fois. Après refroidissement de la pièce moulée, les ouvriers défont le moule en sable, nettoient la pièce et recyclent le sable pour une utilisation ultérieure.
La composition du sable de fonderie varie selon le procédé de coulée, mais tous les types sont à base de sable siliceux de haute pureté. La teneur en silice doit dépasser 95 % pour résister aux contraintes thermiques du métal en fusion, la plupart des sables de fonderie contenant entre 97.2 % et 98.7 % de silice.
Voici une comparaison de la composition des trois principaux types :
| Type de sable | Contenu de silice | Type de liant | Pourcentage de liant | Additifs |
|---|---|---|---|---|
| Sable vert | 85 to 95 % | Argile bentonite | 4 to 10 % | 2 à 10 % de matières carbonées (charbon marin) |
| Sable chimiquement lié | 93 to 99 % | résines chimiques | 1 to 3 % | Époxy, silicate de sodium, alcool furylique, uréthanes phénoliques |
| Sable recouvert de résine | 93 to 99 % | Résine thermodurcissable | 1 to 3 % | Revêtement en résine phénolique ou furanique |
Plusieurs propriétés physiques déterminent si le sable de fonderie permettra d'obtenir des pièces moulées de qualité. Ces propriétés influent sur la tenue du moule, le dégagement des gaz lors de la coulée et la qualité de la surface de la pièce moulée.
Taille de grain détermine la finition de surface de votre fonderie. Les grains de sable fins créent des surfaces plus lisses mais réduisent la perméabilité, tandis que les grains plus grossiers permettent une meilleure évacuation des gaz mais laissent des finitions plus rugueuses.
Perméabilité La perméabilité mesure la facilité avec laquelle les gaz traversent le sable. L'American Foundry Society recommande une valeur de perméabilité comprise entre 90 et 105 pour la plupart des applications. Une perméabilité trop faible entraîne l'emprisonnement de gaz, créant des défauts tels que des soufflures et de la porosité.
Forme de grain Cela influe à la fois sur la résistance mécanique et sur la compacité du sable. Le mélange optimal contient environ 60 % de grains sphériques et 40 % de grains anguleux. Les grains sphériques améliorent la perméabilité et la circulation des gaz, tandis que les grains anguleux renforcent l'ancrage mécanique et la résistance du moule.
La taille des particules La granulométrie des sables de fonderie usés est généralement très fine. Les recherches montrent que 85 à 90 % des particules de ces sables ont une taille inférieure à 100 micromètres, soit environ l'épaisseur d'un cheveu.
Résistance à la température Le sable de fonderie doit résister au métal en fusion sans se désagréger, ce qui est crucial. Le sable siliceux reste stable jusqu'à environ 1 650 °C (3 000 °F), une température qui couvre les points de fusion des métaux de fonderie courants.
L'industrie de la fonderie utilise principalement trois types de sable. Chaque type emploie des systèmes de liants différents et répond à des besoins spécifiques en fonction de la précision requise, du volume de production et du métal coulé.
Le sable vert permet de produire plus de pièces moulées, en tonnage, que tous les autres types de sable réunis. Son nom provient de son état non durci, qui reste « vert » ou humide même lorsqu'on y verse du métal en fusion.
La composition typique comprend 85 à 95 % de sable siliceux, 4 à 10 % d'argile bentonite comme liant et 2 à 10 % d'additifs carbonés pour améliorer l'état de surface de la pièce moulée. On ajoute de l'eau (2 à 7 % d'humidité) pour activer le liant argileux.
Le sable vert présente des avantages considérables en termes de rapidité et de coût de production. Il peut être recyclé immédiatement après le décompactage, sans attendre de durcissement chimique, et l'équipement nécessaire est relativement simple comparé à d'autres méthodes.
Les fonderies automobiles et les fonderies de fer en général utilisent beaucoup le sable vert. Il convient parfaitement aux moyennes et grandes séries de production où une certaine rugosité de surface est acceptable.
La principale limitation réside dans la précision dimensionnelle. Les moules en sable vert sont moins rigides que les moules à liant chimique, ce qui peut entraîner de légères variations dimensionnelles dans les pièces moulées complexes.
Le sable à liant chimique est composé à 93-99 % de sable siliceux mélangé à 1-3 % de liant chimique. Les liants courants comprennent les résines époxy, les silicates de sodium, l'alcool furylique et les uréthanes phénoliques.
Un catalyseur déclenche la réaction de durcissement lors du mélange du sable et du liant. Ce durcissement crée des liaisons chimiques fortes entre les grains de sable sans nécessiter d'humidité, produisant ainsi des moules rigides d'une excellente stabilité dimensionnelle.
Les fonderies utilisent systématiquement du sable à liant chimique pour les noyaux, c'est-à-dire des moules en sable qui créent les cavités et les structures internes des pièces moulées. Les fonderies d'acier et de métaux non ferreux l'utilisent également pour les moules externes lorsque la précision est essentielle.
La résistance supérieure permet de créer des formes très complexes avec des parois fines et des détails précis. Les moules à liaison chimique conservent mieux leurs dimensions que le sable vert lors de la coulée du métal.
Le compromis réside dans le coût et la remise en état. Les liants chimiques sont plus chers que l'argile bentonitique, et un traitement supplémentaire est nécessaire pour éliminer le revêtement de liant avant de réutiliser le sable.
Le sable enrobé de résine, également appelé sable sans cuisson, est composé de grains de sable pré-enrobés d'une résine thermodurcissable, comme des résines phénoliques ou furaniques. Cet enrobage de résine sert à la fois de liant et d'agent de moulage.
Ce type de sable offre la plus grande résistance mécanique et la meilleure stabilité dimensionnelle de tous les sables de fonderie. Les liaisons résineuses robustes créent des moules qui résistent à l'érosion par le métal en fusion, réduisant ainsi les défauts tels que les entailles et les bavures.
On utilise du sable enrobé de résine pour les applications exigeant une grande précision et un excellent état de surface. Par exemple, pour les corps de pompes, les corps de vannes et les composants aérospatiaux où des tolérances serrées sont essentielles.
Le revêtement en résine crée une surface de coulée plus lisse que le sable vert, car les fines particules de résine comblent les interstices entre les grains de sable. Cela réduit la pénétration du métal, qui se produit lorsque le métal en fusion s'infiltre entre les grains de sable.
Le principal inconvénient réside dans son impact environnemental. Les liants résineux libèrent des composés organiques volatils (COV) lors du coulage, ce qui nécessite des systèmes de ventilation spécialisés pour protéger les travailleurs et respecter les réglementations en matière de qualité de l'air.
Le procédé de moulage au sable transforme le sable de fonderie en moules temporaires qui donnent forme au métal en fusion. Voici comment il fonctionne du début à la fin :
Un modeleur fabrique une réplique de la pièce finale, généralement en bois, en plastique ou en métal. Le modèle est légèrement plus grand que la pièce moulée finale afin de compenser le retrait du métal lors de son refroidissement.
Les ouvriers tassent le sable de fonderie autour du modèle à l'intérieur d'un moule en deux parties. Le sable est compacté pour obtenir la densité et la résistance requises. Une fois le sable bien tassé, ils retirent le modèle, laissant une cavité dans le sable qui épouse la forme de la pièce.
La fonderie fait fondre le métal dans un four à des températures comprises entre 1,300 °C et 3,000 °C selon l'alliage. Le métal liquide est ensuite versé dans la cavité du moule par un canal appelé carotte de coulée. Le métal s'écoule à travers le moule, remplissant toutes les cavités et prenant la forme du moule en sable.
La pièce reste dans le moule en sable pendant que le métal refroidit et se solidifie. La durée de refroidissement varie de quelques minutes à plusieurs heures selon la taille et l'épaisseur de la pièce. Le sable isole le métal et régule la vitesse de refroidissement.
Après refroidissement, les ouvriers secouent ou font vibrer la pièce moulée pour briser le moule en sable. Ils séparent la pièce du sable non adhérent, puis la nettoient et l'inspectent. Le sable usagé est récupéré, tamisé et reconditionné en vue de sa réutilisation.
Chaque tonne de métal coulée nécessite généralement plusieurs tonnes de sable. La possibilité de récupérer et de réutiliser ce sable rend le procédé économiquement viable pour une production à grande échelle.
Oui, le sable de fonderie peut être recyclé aussi bien au sein des fonderies que dans d'autres applications en dehors de l'industrie de la fonderie. Le recyclage réduit les déchets, préserve les ressources naturelles et diminue les coûts pour les fonderies et les entreprises de construction.
Aux États-Unis, environ 2.6 millions de tonnes de sable de fonderie usagé sont réutilisées chaque année en dehors des fonderies. Les sables de fonderie de fer, d'acier et d'aluminium représentent 96 % du sable de fonderie valorisé.
L'Agence américaine de protection de l'environnement (EPA) soutient l'utilisation bénéfique des sables de fonderie usés à base de silice provenant des fonderies de fer, d'acier et d'aluminium. Des études de l'EPA montrent que les concentrations de constituants dans ces sables sont inférieures aux seuils sanitaires et environnementaux de référence lorsqu'ils sont utilisés dans des applications liées aux sols.
Le sable de fonderie présente une granulométrie uniforme, une teneur élevée en silice (plus de 95 %, contre une teneur variable pour le sable ordinaire) et des propriétés constantes lui permettant de résister aux températures du métal en fusion jusqu'à 1650 °C (3,000 °F). Le sable ordinaire provenant des plages ou des lits de rivières possède des granulométries mixtes, une composition variable et n'est pas testé quant à sa stabilité thermique ou sa perméabilité.
Le sable de fonderie à base de silice provenant des fonderies de fer, d'acier et d'aluminium n'est pas classé comme déchet dangereux par l'EPA. Cependant, il contient de la silice cristalline ; les travailleurs doivent donc éviter d'inhaler la poussière. Le sable de fonderie usagé peut également contenir des traces de métaux ou des résidus de liant qui nécessitent des analyses avant toute réutilisation dans des applications en contact avec le sol.
Le sable vert peut être réutilisé des centaines de fois après un reconditionnement approprié. Les fonderies ajoutent généralement de 5 à 40 % de sable neuf à chaque lot pour compenser les pertes lors du démoulage et préserver les propriétés du sable. Le sable à liant chimique nécessite un traitement thermique ou mécanique pour éliminer les revêtements de liant avant réutilisation.
