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abreuvage en surface sur pièces en fonte

Les pièces de grandes dimensions en fonte sont confrontées à des problèmes d’abreuvage en surface. Ces pièces sont par exemple des contrepoids ou des éléments de plusieurs tonnes pour l’industrie minière, la cimenterie, le domaine de l’énergie… L’élimination de ces défauts de surface engendre de gros travaux de finition représentant près de 20 % du coût final des pièces.

Objectif de l’étude

L’objectif de cette étude est l’amélioration de l’état de surface des pièces massives en fonte lors du processus de fabrication. Il traite plus particulièrement de la conception d’un plan d’expériences, sa réalisation et l’interprétation des résultats qui ont permis de caractériser l’influence des différents paramètres sur l’état de surface de pièces massives. En parallèle, a été effectuée la mise au point des montages de caractérisation des matériaux constituant les moules. Les résultats des différentes investigations permettent de proposer un mécanisme de formation du défaut d’abreuvage. En final, ont également été observés les interactions entre enduit et sable.

Le défaut d’abreuvage

Les pièces massives en fonte sont coulées dans des moules en sables à prise chimique. Les défauts d’abreuvage les plus préoccupants se retrouvent dans les parties de la pièce difficiles d’accès telles qu’au niveau des noyaux en sable (permettant de réaliser les parties creuses). Les interactions entre le métal et le sable peuvent être à l’origine de défauts de pénétration du métal dans le sable. Les défauts de pénétration ont lieu lorsque la pression du métal est supérieure à sa tension superficielle et aux forces capillaires du sable. L’abreuvage se traduit par une excroissance de forme non géométrique, constituée par un mélange intime de sable et de métal, d’aspect spongieux, fortement adhérent à la pièce et généralement localisée dans les parties de sable les plus exposées au métal en fusion et les moins denses. Les gerces sont des excroissances en forme de veines, généralement perpendiculaires à la surface de la pièce. Ce sont des défauts dus à la dilatation du sable et qui peuvent initier l’abreuvage.

La figure ci-dessus montre les deux principaux défauts. L’élimination de ces défauts entraîne des opérations de finition longues, difficiles et coûteuses. Le but de cette étude est de déterminer quelles sont les actions et les causes de l’abreuvage et les actions correctives à mettre en place pour limiter le phénomène. Une étude bibliographique a été réalisée afin d’identifier les causes principales des défauts de pénétration. L’origine de ces défauts pourrait provenir de plusieurs ensembles principaux : le sable de moulage, la nature de la fonte utilisée et enfin la géométrie de la pièce. Dans cette étude, seul le cas des sables à prise chimique est traité. Les paramètres concernant ces sables ont été décrits dans des articles antérieurs.

Travaux antérieurs

Une étude préliminaire, a été effectuée afin de retenir les paramètres les plus influents sur les défauts. Deux plans d’expériences ont été menés sur des pièces cylindriques de 14 kg comportant des noyaux de type « step-cone ». Ces éprouvettes ont la particularité de disposer de plusieurs étages présentant des rapports poids de métal/poids de sable différents. Un premier plan d’expériences a été mis en œuvre afin de connaitre les paramètres les plus influents. Il s’agissait d’un plan fractionnaire « screening » comportant 8 paramètres à 2 niveaux chacun. Les résultats ont montré que les paramètres significatifs de l’abreuvage sont la nature du sable, le serrage du noyau et la présence d’un enduit. Un deuxième plan d’expériences a ensuite été réalisé afin de connaître les effets de ces paramètres sur l’abreuvage. De plus, cinq enduits déposés en simple et en double épaisseurs ont été testés. Ces enduits se différencient par leur base réfractaire (morphologie et nature chimique). D’après les résultats obtenus, les paramètres nature du sable, type d’enduit et leurs interactions sont significatifs.

Les investigations effectuées sur l’éprouvette « Step-cone » ont montré que les défauts (gerce et abreuvage) diminuent lorsque les noyaux sont en sable de chromite et recouverts d’enduits. Ceci est dû à la faible dilatation de la chromite : le noyau se déforme peu et l’enduit ne se fissure pas. Par conséquent, il n’y a pas pénétration de métal dans le sable. Il apparait aussi que les défauts sont moindres lorsque l’enduit est de base lamellaire. Il semble que ces enduits soient plus déformables que ceux à base sphéroïdale. Les éprouvettes « Step-cone » ont permis de sélectionner les principales sources de pénétration. Cependant, les résultats obtenus sur éprouvettes de 14 kg en fonte ne peuvent pas être extrapolés directement aux pièces de plusieurs tonnes.

Conception et mise au point de la pièce massive

Afin d’affiner les résultats obtenus à l’aide de l’éprouvette « Step-cone », une éprouvette massive, présentant un ratio poids de métal sur poids de sable plus élevé, a été conçue à CTIF. Cette éprouvette reflète davantage la massivité des pièces réalisées en industrie. Il s’agit d’une pièce octogonale avec, en son centre, un noyau « porte-noyau » sur lequel on peut fixer 8 noyaux tests en forme de bi-cônes. C’est grâce à ces derniers que l’on a pu caractériser les sables à prise chimique. La fonte utilisée est une fonte à graphite lamellaire dont la composition est la suivante : C : 3,34 %, Si : 1,88 %, Mn : 0,73 %, S : 0,050 %, P : 0,016 %. La température de coulée est de 1320 °C. La pièce finale présente une masse de 180 kg. Une simulation thermique (QuikCAST) et une instrumentation (thermocouples) ont été réalisées afin de visualiser les sollicitations thermiques du noyau central.

Conditions de réalisation de l’éprouvette massive

Les conditions de réalisation de l’éprouvette massive respectent les points suivants : Le moule est réalisé en sable siliceux LA32 (sable standard d’indice de finesse 55 AFS) lié par une résine polyuréthanne. Les noyaux tests sont réalisés en sable à étudier, liés par une résine furanique. Les granulométries des sables à étudier sont la Silice LA32 : 55 AFS, la Chromite : 61 AFS, la Silice récupérée : 56 AFS. Le porte-noyaux a été réalisé en sable de zircon (104 AFS) lié par une résine polyuréthanne et recouvert de trois couches d’enduit à base zircon déposées au pinceau pour le protéger thermiquement et éviter la formation de gerces entre les portées de noyaux à tester.

Simulation thermique de l’éprouvette massive

Une simulation thermique a été menée afin de définir les zones de l’éprouvette les plus sollicitées thermiquement ainsi que les temps de solidification. Ce dernier paramètre est important car il informe sur la durée d’exposition des noyaux au métal liquide, temps pendant lequel des réactions métal sable peuvent avoir lieu. Nous avons ainsi vérifié que la partie centrale du porte-noyaux est la plus longtemps exposée à hautes températures. Les noyaux tests centraux sont donc plus susceptibles d’être abreuvés.

Définition du plan d’expériences

A l’aide d’un plan d’expériences, ont été étudiés les effets des 2 paramètres retenus grâce à l’étude préliminaire réalisée par les éprouvettes « Step-Cone » : la nature du sable et l’enduit. De plus, l’influence de l’épaisseur d’enduit a été caractérisée.

Les niveaux des facteurs étudiés sont la nature du sable (3 niveaux : Silice LA32, Silice récupérée et Chromite) et l’enduit (6 niveaux). Les enduits se différencient par la morphologie des charges réfractaires. Le tableau ci-dessus récapitule la composition et le diluant des enduits (eau ou alcool), donnés par les Fiches de Données Techniques (FDT) ainsi que la morphologie des charges réfractaires. L’épaisseur de l’enduit (2 niveaux) Monocouche et Bicouche.

Conditions de réalisation du plan d’expériences

Les effets des trois paramètres retenus sont étudiés par un plan d’expériences contenant toutes les combinaisons des niveaux des facteurs. Chaque expérience est répétée 2 fois pour tenir compte de la position des noyaux test. En effet, les essais préliminaires de coulées ont montré que les noyaux-tests centraux étaient de manière générale plus abreuvés que les noyaux placés aux extrémités. Le plan conduit donc à effectuer 72 expériences. Pour chaque éprouvette massive, on peut tester 8 combinaisons ce qui mène à couler 9 pièces massives.

Chaque pièce massive est ensuite grenaillée (avec une protection du noyau central), découpée en 4 parties, puis sablée à faible pression (1 bar) afin d’enlever les résidus de sable et de laisser intact l’abreuvage intérieur. Chaque élément est ensuite noté de 0 (pièce saine) à 5 (pièce totalement abreuvée) par 3 personnes. La moyenne des résultats rend compte du taux d’abreuvage pour chaque combinaison.

Résultats et discussions

Les résultats sont ensuite traités à l’aide du logiciel StatGraphics. L’analyse de la variance permet de déterminer les paramètres du plan d’expériences qui sont significatifs à un niveau de confiance de 95 %. Les valeurs des probabilités testent la signification statistique de chacun des facteurs. Lorsque la valeur des probabilités est inférieure à 0,05, les facteur a un effet statistiquement significatif sur l’abreuvage au niveau de confiance de 95,0 %. L’analyse de la variance est présentée dans le tableau Ici-dessus : Les facteurs significatifs sont donc la position du noyau dans l’empreinte, l’enduit, l’interaction sable enduit et la nature du sable. On peut alors, à partir de cette affirmation, refaire une analyse de la variance sans les paramètres non significatifs.

Pour chaque paramètre, les diagrammes des moyennes et intervalles sont présentés ci-dessus. En ce qui concerne la silice récupérée mécaniquement, la dégradation thermique des liants organiques résiduels (2 % de perte au feu) libère l’espace nécessaire à la dilatation des grains de silice, ce qui implique une moindre création de contraintes internes donc moins de fissurations du noyau. La chromite présente une tenue à chaud qui provient de la formation de ponts Fe₂O₃, à plus bas point de fusion, entre les grains suite à la migration de FeO et de son oxydation en surface du grain de chromite. Ces ponts renforcent la cohésion du sable et limitent ainsi la pénétration du métal. Même si l’effet de l’épaisseur montre une protection accrue du noyau, on ne peut affirmer qu’il soit significatif d’un point de vue statistique. On peut supposer que dans le cas d’un revêtement monocouche, il existe déjà une protection suffi sante compte tenu des épaisseurs déposées. Le dépouillement du plan d’expériences conduit à un modèle du phénomène d’abreuvage en fonction de la nature du sable, de l’enduit et de son épaisseur, et de la position sur le porte-noyau décrit par l’équation matricielle présentée ci-dessous.

Le diagramme présenté ci-dessus permet de visualiser les interactions entre le sable et l’enduit. On remarque sur ce graphique que l’efficacité d’un enduit à combattre la pénétration du métal est valable pour un type de sable donné. Les enduits B et D (granulaires base zircon) donnent de meilleurs résultats sur la chromite alors que le noyau en silice est totalement abreuvé. Les enduits A et E (lamellaires), en revanche, donnent de meilleurs résultats sur les sables siliceux. Cependant, l’enduit F (céramique) est médiocre sur la chromite et sur la silice neuve mais efficace sur la silice récupérée. Grâce aux moyennes des résultats des interactions, on en déduit le tableau récapitulatif ci-dessous.

Les enduits à bases lamellaires (A, C et E) donnent de meilleurs résultats sur les sables siliceux, tandis que la chromite est mieux protégée avec des charges granulaires (enduits B et D), mais également avec l’enduit C à base de charge lamellaire. Il est à noter cependant que ce dernier contient une quantité importante de graphite qui joue également un rôle sur la mouillabilité du sable par la fonte. On remarque que les résultats sur la silice récupérée sont systématiquement meilleurs que sur la silice neuve, excepté dans une moindre mesure pour l’enduit E. En conclusions, nous pouvons affirmer que le choix d’un enduit doit se faire en fonction de la nature du support, et non pas obligatoirement sur la tenue réfractaire de sa charge.

Caractérisations des sables et des enduits

Une des propriétés principales d’un sable est sa dilatation, qu’une des propriétés principales des enduits réside dans la modification de l’interface métal sable. Afin de caractériser l’influence de l’enduit sur le sable aggloméré, des montages ont été développés et optimisés : noyaux plongés et montage Hot Distorsion Tester (HDT). Ces différents montages testent l’intégrité de la couche d’enduit sur différents supports après une sollicitation thermique ou mécanique.

Test des noyaux plongés

Une des hypothèses d’apparition de l’abreuvage est la formation de gerces. Ce test vise donc à caractériser le comportement de l’enduit et notamment son élasticité pour éviter la formation de fissures provoquant la gerce.

L’essai consiste à plonger un noyau cylindrique en sable siliceux dans un bain de fonte et de photographier en sortie du noyau, la fissuration de l’enduit.

Ce montage est utilisé pour comparer le comportement de différents enduits et leurs aptitudes à épouser ou non la dilatation d’un sable de silice aggloméré par une résine furanique. On remarque la fissuration de l’éprouvette en silice non enduite. Ces fissures sont longitudinales. Les comportements à la fissuration sont différents d’un enduit à l’autre : Les enduits A et C ne se fissurent pas pour les conditions de température et de durée d’immersion, tandis que les enduits : B, D, E et F se fissurent mais de façons différentes : l’enduit B comporte des fissures radiales, l’enduit D présente des fissures longitudinales et d’autres orientées à 45° et enfin, l’enduit E comporte une fissure longitudinale se terminant par 2 autres fissures orientées à 45°.

Hot Distorsion tester (HDT)

Le test de déformation à chaud mesure les changements de dilatation et de plasticité de sables agglomérés chimiquement. Cet essai a été conçu à l’origine par la BCIRA (British Cast Iron Research Association) pour observer le comportement de différents systèmes de liants. Lors de l’étude, nous avons développé et optimisé ce montage afin d’étudier le comportement thermoplastique des enduits.

L’essai de déformation à chaud consiste à exposer une éprouvette de sable (1 in x ¼ in x 4 ½ in), fixée à une de ses extrémités, à une flamme et à mesurer la flèche de l’autre extrémité en fonction du temps d’exposition. Le déplacement de la flèche renseigne sur la dilatation du sable et la plasticité de la résine.

Courbes de déplacement HDT

• Les courbes de déplacements trouvées dans la littérature présentent quatre régions particulières :
• Région I : Montée de l’éprouvette due à la différence de dilatation entre la surface exposée à la flamme et celle de la partie supérieure (création d’un bilame). Cette portion de la courbe dépend de la nature du sable et de son expansion thermique.
• Région II : Relaxation thermoplastique du système liant-résine. Après un certain temps d’exposition, l’éprouvette est uniformément échauffée et la dilatation est identique dans l’épaisseur de l’éprouvette : l’extrémité de l’éprouvette revient à son état initial. L’affaissement de l’éprouvette résulterait de la charge (masse du capteur de déplacement : 12 g, plus la masse des éprouvettes : réalisées en sable siliceux : 30 g, masse de celles en chromite 50 g) ainsi que de la perte des caractéristiques du liant.
• Région III : Stabilisation ou thermodurcissement. La plupart des résines sont thermodurcissables ; la thermoplasticité est stoppée et la pente de la courbe change.
• Région IV : Dégradation et rupture : la résine est totalement brûlée, l’éprouvette se casse.

Comparaison entre sables non enduits

La comparaison entre les différentes éprouvettes se fait principalement en fonction du déplacement maximum et du temps à la rupture. Les déformations de quatre sables agglomérés chimiquement par un liant furanique ont été enregistrées : la silice neuve, silice récupérée, chromite neuve et chromite récupérée. Les effets de chaque sable reflètent bien leur dilatation : la silice a une forte dilatation (4 mm de déplacement) tandis que la chromite se dilate très peu (0,5 mm). On remarque que l’éprouvette à base de silice neuve ne présente pas de comportement thermoplastique : en effet, la rupture intervient juste après le maximum de dilatation. L’éprouvette en silice récupérée, quant à elle, subit moins de dilatation et possède une relaxation thermoplastique (de 25 s) avant la rupture. La chromite neuve ou récupérée présente une faible dilatation (≈0,5 mm) et les région II et III sont confondues : il n’y a pratiquement pas de changement de pente. Sur toutes ces courbes, on observe que plus le maximum de dilatation est élevé, plus la rupture intervient rapidement. Ceci peut s’expliquer par le fait que les éprouvettes en se dilatant se fragilisent (création de contraintes de traction compression).

Comparaison des résultats des sables enduits

Les essais sont réalisés avec les 4 sables, chacun revêtu de 6 différents enduits. Sur chaque graphe, la référence de l’éprouvette non enduite du sable étudié est reportée en rouge. A l’aide de ces courbes, on peut comparer les caractéristiques de chaque enduit entre eux : Les enduits B et D n’apportent apparemment rien sur le comportement de la silice si ce n’est qu’ils diminuent légèrement le maximum de dilatation. En revanche les enduits A, C, E et F diminuent la vitesse ainsi que l’amplitude de dilatation. Les enduits A, E et F permettent une relaxation de la dilatation avant rupture.  Tous les enduits diminuent le maximum de dilatation. Cependant seuls les enduits A, C et E le retardent. Les enduits A, E et F permettent un comportement thermoplastique et ainsi retardent la rupture. La présence des enduits sur les éprouvettes en chromite n’a pas d’influence significative sur la dilatation maximale. Cependant, ils permettent une relaxation linéaire sans toutefois retarder l’effondrement. L’enduit A se détache des autres en augmentant d’environ 90 secondes la rupture. De même que pour la chromite, la présence d’un enduit n’a pas d’influence sur la dilatation maximale mais permet une augmentation de la tenue à chaud. En conclusion, le montage HDT est un des essais qui peut être retenu pour caractériser les enduits et leurs aptitudes à lutter contre l’abreuvage.

Corrélations entre les résultats des différents essais

On remarque que les résultats obtenus par les différents montages de caractérisation vont dans le même sens : on arrive à corréler entre elles, les conclusions obtenues par les montages et les résultats de mesure d’abreuvage du plan d’expériences. En plus des propriétés thermiques des charges réfractaires (les enduits agissent comme une barrière thermique), leurs morphologies ont une incidence sur le comportement à la dilatation.

Résultats sur les éprouvettes en silice

On peut retenir l’effet bénéfique des enduits à charge lamellaire sur la silice (tableau ci-dessus). Ces enduits ont la particularité d’épouser la dilatation du sable. Comme la couche reste intègre, elle permet de limiter la dilatation de la silice. A l’inverse, les enduits à base granulaire se fissurent plus facilement et ne peuvent accompagner la dilatation du support. La santé des pièces massives (PM) est corrélée avec une baisse du maximum de dilatation, une meilleure stabilité dimensionnelle (apparaissant sur HDT) et une moindre tendance à la fissuration observée par le montage de plongée.

La silice récupérée a une plus faible dilatation que la silice brute du fait de la présence de liant résiduel. Les propriétés élastoplastiques de l’enduit sur la tenue du sable aggloméré sont moins nécessaires. La comparaison des résultats obtenus sur les pièces massives et par le montage de Hot Distorsion Tester donne une bonne corrélation : une diminution de la dilatation et une stabilité dimensionnelle entraînent une belle qualité de surface.

Résultats sur les éprouvettes en chromite

Les résultats obtenus (tableau ci-dessus) pour la chromite ne permettent pas d’être corrélés entre eux car le sable de chromite a une faible dilatation thermique. En conclusion, les montages d’Hot Distorsion Tester et de Plongée sont bien adaptés pour prédire le comportement d’enduits mis en œuvre sur des noyaux en sable siliceux, sujets à une brutale dilatation.

Causes potentielles de l’apparition de l’abreuvage

De toutes les observations faites au cours des expérimentations, on peut dégager différentes causes de l’apparition de l’abreuvage.

• Cause I : Une grande dilatation du sable ou une faible élasticité de l’enduit font que ce dernier se craquelle et provoque la pénétration du métal liquide.
• Cause II : La destruction du liant augmente la porosité favorisant la pénétration du métal entre les grains de sable.
• Cause III : La zone de contact entre le noyau et le métal liquide n’est pas assez importante pour l’évacuation de la chaleur. Le noyau est surchauffé et le métal à son contact y sera liquide plus longtemps d’où une diminution de l’efficacité de l’enduit dans le temps.
• Cause IV : La perméabilité trop faible du noyau empêche l’évacuation des gaz émis par la destruction du liant. Ils auraient tendance à s’évacuer au travers de l’enduit, provoquant alors un éclatement de l’enduit.
• Cause V a : Retrait dimensionnel de l’enduit qui se craquelle lors du séchage.
• Cause V b : De mauvaises propriétés rhéologiques : l’épaisseur de l’enduit n’est pas constante en particulier au niveau des angles.

Mécanisme d’apparition de l’abreuvage

La présence d’un enduit est nécessaire pour lutter contre les défauts de surface. Cependant, cette couche doit rester intègre jusqu’à la solidification du métal. La dilatation des sables siliceux est la source principale de la fissuration de l’enduit. La figure ci-dessus explique les principaux stades de l’apparition de l’abreuvage : de la création de contraintes dans le sable, à la formation d’une gerce qui initie l’abreuvage.

Conclusions

Le choix d’un enduit doit se faire en fonction de la nature du sable utilisé. Pour lutter contre les défauts de fissuration (étape 3), l’enduit doit avoir un comportement élastique. Nous avons remarqué une diminution des défauts d’abreuvage sur les sables siliceux en présence de charges lamellaires. Ces dernières forment en effet une barrière physique pour le métal liquide, quelle que soit la dilatation du support comme le montre le schéma ci-dessus. Les sables à faible dilatation, comme la chromite, sont mieux protégés thermiquement par des charges réfractaires granulaires. En effet, ces charges peuvent combler les pores existants entre les grains de sable de chromite. De plus, les charges granulaires présentent souvent une plus grande réfractarité que les lamellaires. Le montage Hot Distorsion Tester est très intéressant pour caractériser la tenue mécanique des enduits.

Remerciements aux auteurs Patrick Beauvais CTIF, Nicolas Hily Université de la Rochelle, Jean-Baptiste Prunier FERRY CAPITAIN, Sandra Gasparc FMGC