Procédé pour la confection de moules réfractaires. lia présente invention concerne un pro cédé de confection de moules réfractaires, particulièrement destinés à la coulée de mé taux et d'alliages à point. de fusion élevé, tels que l'acier et les aciers inoxydables, ou d'al liages non ferreux, tels que l'allia--e inoxy da lle de cobalt-ehrome, et d'autres matières à point de fusion élevé, telles que le platine, les alliages (le platine-iridiutn, de platine- rhodium et les alliages similaires.
Quoique le procédé selon .l'invention soit plus particulièrement destiné à la confection <B>(le</B> moules pour la coulée de dentiers, de par ties ott éléments de dentiers, d'instruments d'ostéochirurgie, d'articles de joaillerie et de dispositifs et instruments similaires, et au moulage de précision de pièces industrielles, par exemple d'éléments d'engrenages, d'aubes (le turbines et organes similaires, il est bien entendu qu'il pourrait être appliqué à d'au- trc,s domaines.
Pour la coulée d'alliages à point de u sion élevé, il est nécessaire de choisir des moules en matières réfractaires appropriées, capables de résister aux températures de cou lée des alliances. .Tusqu'à présent, la silice a été l'un des constituants réfractaires princi paux.
D'autres constituants réfractaires sont l'alumine, la zircone, la. brique réfractaire à base (le silice, la brique réfractaire à base de magnésie, la magnésie fondue, et de nom breuses autres matières déjà connues dans la technique du moulage à haute température. En dehors du choix convenable des consti tuants réfractaires destinés à la confection des moules, il importe d'utiliser un liant per mettant d'agglomérer ces constituants réfrac taires.
On a employé, avec des résultats variables, certains types de liants, tels que les silicates organiques et, plus particulièrement, le sili cate tétraéthvle et les silicates organiques apparentés. Quoique l'emploi .de ces silicates organiques comme liants de matière réfrac taire de moulage présente des avantages pour la coulée de petits éléments, il entraîne aussi certains inconvénients pour la production en grande série de pièces coulées de haute pré cision. Pour ces silicates organiques, il est, par exemple, nécessaire d'utiliser de l'alcool éthylique, de l'acétone ou un autre solvant commun destiné à. faire office de diluant.
Lorsqu'on doit utiliser de grandes quantités de telles matières de moulage, par exemple dans la. production en grande série, les ris ques d'incendie sont considérables. D'autres inconvénients sont. le prix de revient élevé de ces silicates organiques et la technique compliquée pour le traitement des éléments accessoires utilisés pour les amener à un état. dans lequel ils peuvent servir de liants.
Le procédé selon l'invention permet d'évi ter l'emploi de matières inflammables et d'une technique compliquée de composition du liant et d'utiliser une matière relativement peu coûteuse, A cet. effet, ce procédé pour la confection de moules réfractaires est caractérisé en ce qu'il consiste à. mélanger une matière réfrac- ta-ire avec un liant comprenant un liquide non inflammable qui, en son état initial et avant le mélange avec la matière réfractaire, contient du silicium dont la presque totalité est. sous la.
forme de silice inorganique en sus pension aqueuse avec une proportion relative ment faible d'un composé de métal alcalin, à façonner .le mélange pour lui donner la forme d'un moule, à amorcer la gélification du liquide, à. sécher le moule de façon à éli miner l'eau devenue libre et former un gel hydraté de silice ne contenant que de l'eau combinée, et à chauffer le moule à une tem pérature suffisamment élevée pour éliminer cette eau combinée et obtenir ainsi un liant de silice anhydre qui fixe définitivement les particules de la matière réfractaire employée.
Dans la confection des moules réfrac taires, il a jusqu'à présent été usuel d'utiliser une matière réfractaire convenablement pul vérisée, telle que la silice, l'alumine, la. ma gnésie, l'oxyde de titane, l'oxyde de béryllium, la, mellite ou sillimanite et la zircone, seule ou en mélange inerte et non fusible dans les conditions d'utilisation. Ces matières, seules ou en mélange, seront appelées ci-après fillers réfractaires , parmi lesquelles la si lice finement broyée, passant par le tamis de 12 à 46 mailles au centimètre carré, est, très appropriée.
Le filles réfractaire est d'autant plus approprié à, l'obtention d'une surface parfaitement polie de la pièce coulée qu'il est plus finement broyé. Le filles peut être dosé avec des grosseurs de grains différentes, en vue du choix de l'effet superficiel. Le do sage des grains de grosseurs différentes peut également servir à l'obtention d'un mélange se laissant efficacement tasser sous l'action d'un vibrateur, ou d'un mélange évitant les fissures par retrait.
On applique de préférence un procédé de vibration pour .le tassement du mélange ré fractaire auquel a été ajoutée une solution colloïdale de silice. Après avoir mélangé le constituant réfractaire avec la silice colloïdale. jusqu'à obtention d'une consistance permet tant presque la. coulée, on soumet de préfé rence le mélange à. nue vibration appliquée tout autour dü modèle jusqu'à ce que le moule soit rempli, et ce dernier est ensuite de préférence placé sur un deuxième vibra teur, sur lequel on le maintient jusqu'à ;
l'achèvement complet du tassement. Grâce à ce procédé de vibration,, la totalité des bulles d'air est expulsée et le constituant réfrac taire peut se déposer et se tasser pour former un moule dense, possédant une densité telle au .contact. du modèle qu'il soit possible d'ob tenir une pièce coulée présentant une surface extrêmement lisse, avec des détails d'une extrême finesse.
La vibration est destinée à produire un tassement, plutôt qu'une agitation. Dans un genre de vibration préféré, indiqué à titre d'exemple, cn soumet la matière à l'action d'un premier vibrateur jusqu'à ce qu'elle soit tassée et jusqu'à ce que la majeure partie de l'air soit expulsée. Le deuxième vibrateur produit une vibration verticale de faible amplitude qui est, prolongée jusqu'à la fin du tassement.
De préférence, cette dernière vi- br ation est prolongée jusqu'à ce que la tota lité de l'air soit éliminée et jusqu'au moment où aucun liquide n'apparaît plus à la surface.
Il est également usuel d'utiliser des liants pour que -le filles réfractaire se maintienne sous la forme suivant. laquelle il a été moulé. Le choix du genre et de la, quantité du filles et le choix .du genre et de la quantité du liquide utilisé avec ce filles ont une influence sur la précision chi moulage.
On peut utiliser la silice comme matière de revêtement ou comme agglomérant du filles réfractaire, qui peut lui-même être constitué ou non par de la silice. Mais, étant donné que la silice est en soi une matière ré fractaire insoluble, on emploie une suspen sion liquide de silice sous une forme appro priée. La. silice (par exemple le gel de silice) est bien connue avec des degrés variables d'hydratation et sous des formes différentes, par exemple sous la forme d'un solide sec, d'un gel colloïdal aqueux, d'une solution col- loïdale aqueuse, d'un bel colloïdal à L'alcool.
éthylique, d'une solution colloïdale à l'aleool éthylique, d'un bel organo-colloïdal et d'une solution organo-colloïdale. Sous une de ces formes, la silice est dispersée dans l'eau ou dans lite autre liquide et peut être diluée comme une véritable solution avec un liquide qui peut être celui qui a servi à la mise en suspension, ou avec d'autres liquides appro priés. Une propriété de ces solutions consiste en ce qu'elles se laissent facilement. transfor mer en gel par une perte de liquide ou par un changement de la composition.
Au cours de la gélification, les particules s'agglomèrent et forment un liant.
En utilisant un filles réfractaire et une solution de silice de ce genre en quantité suf fisante pour former un mélange approprié permettant le moulage, et en amorçant en suite la gélification, on obtient un moule soli difié à contours très nets. Ce moule est en suite séché en vue de l'élimination de l'eau ou d'un autre liquide introduit avec la solu tion. Au cours du séchage d'un moule con fectionné avec un colloïde aqueux, la silice peut rester sous la forme d'un gel hydraté. L'eau du gel peut être éliminée par la cha leur dans une proportion qui est fonction de la température appliquée. Le gel hydraté de silice a une grande affinité pour l'eau.
Si l'on augmente la température à laquelle il est soumis, l'eau est éliminée de telle manière que le produit, obtenu à, 150 C soit constitué par de la silice de formule SiO2.
lie terme silice utilisé dans cette des cription désigne toujours la forme anhydre SiO2, aussi bien que toute forme hydratée et notamment l'acide silicique Si(Ol=I)l.
F:n conséquence, les moules ainsi consti tués pour contenir de la silice hydratée ne sont ni achevés ni stables avec un liant de silice réfractaire tant qu'ils n'ont pas été exposés à une température d'environ 1:50 C. Avant. l'emploi des moules ainsi séchés à' l'air, pour la coulée de métaux à température élevée de fusion, par exemple une tempéra ture de l'ordre de 1650 C, ces moules sont.
chauffés pendant quelque temps par exposi- tion à une température de l'ordre de 930 à 1205 C, de préférence de 1040 C. La coulée peut avoir lieu à cette température, mais on peut également refroidir le moule à une tem pérature de 370 C ou même, si on le désire, à la température ambiante, en vue de l'opé ration de coulée.<B>lie</B> métal fondu est, de pré férence, coulé dans le moule alors qite celui-ci est chaud, mais cette manière de procéder, ainsi que la. température employée, sont. fonc tion des cônditions de travail.
Quand le moule est utilisé en état de dilatation résultant du chauffage, on obtient une compensation du retrait de la pièce coulée au cours du refroi dissement. Les conditions de cette compensa tion .sont empiriques et dépendent de la com position du moule, de la nature du métal coulé et d'autres facteurs.
Certaines solutions colloïdales aqueuses de silice sont disponibles dans le commerce. Le pH :de la solution colloïdale aqueuse influe sur la tendance à, la gélification. La solution est d'autant plus stable que la valeur de son pH est plus grande que 7. Cette solu tion a d'autant plus tendance à la gélification que son pll est. plus rapproché de 7. On évite les solutions à pl, trop voisin de 7, lorsqu'on désire obtenir une solution capable de se con server. Le pH peut varier entre 2 et 11 envi ron, avec une solution se présentant sous la forme d'une suspension colloïdale.
Les solu tions présentant un pH inférieur à 7 peuvent être stables, et lorsqu'elles sont carbonatées par le COY, elles sont stables, même avec un pH = 2. Pour obtenir des solutions stables d'un pli supérieur à 7, on peut utiliser des stabilisateurs tels que le carbonate de sodium ou les composés d'ammonium, par exemple l'hydroxyde, le carbonate et quelques autres sels d'ammonium. Il est bien entendu que ces stabilisateurs sont efficaces en faibles propor tions.
Dans le cas du carbonate de sodium, par exemple, celui-ci peut ou non réagir avec la. silice pour former un silicate de sodium, ce qui importe peu, étant donné que la plus grande partie de la silice se maintient sous la forme colloïdale, Une modification du pH peut entraîner une transformation de la suspension en un gel après une période plus ou moins longue, mais contrôlable.
Des réactions chimiques au sein de la solution produisent. également des foyers de gélification par formation d'une substance précipitable. Ces réactions consti tuent un moyen pour amorcer la gélification. Il a été constaté que certaines substances, ajoutées en faibles proportions, interviennent pour amorcer ou accélérer la gélification d'une manière ou d'une autre. On appellera. ces substances des accélérateurs de gélifi- cation.
Lorsqu'on utilise ces accélérateurs de géli fication, on peut ajouter un acide aux solu tions stables alcalines, et un alcali aux solu tions stables acides, pour rapprocher le pH de 7 et diminuer la stabilité, ce qui permet de n'employer qu'une petite quantité d'accéléra teur pour obtenir la même efficacité. Une substance unique peut être utilisée pour mo difier le pH de la solution et faire office d'accélérateur, mais cette substance n'agit comme accélérateur que si elle est employée en quantité suffisante pour que la solution ne soit plus stable.
En conséquence, pour la composition d'une matière destinée à la con fection d'un moule, on peut .mélanger une so lution de faible stabilité avec un filler réfrac taire auquel est incorporé un accélérateur, le processus de gélification étant réglé pour intervenir suivant le choix des matières.
Il n'est pais nécessaire d'employer des accélérateurs, étant donné que le simple sé chage dit liquide du mélange moulé, tel que l'eau ou un autre support liquide dérivé de la suspension de silice, amorce la gélification de solutions très stables, sous l'influence d'un effet de concentration. Néanmoins, il est pré férable d'accélérer la gélification, de faon que les moules durcis, mais non séchés, puis sent être rapidement retirés du modèle ou support similaire, ce qui facilite la manipu lation rapide des différents moules ait cours de la production.
L'expérience a montré que le durcisse ment des moules, sans aucun accélérateur, n'est. pas aussi pratique que lorsqu'on emploie Lin accélérateur, étant donné qu'il est très difficile de sécher complètement le moule après le durcissement par formation du gel, sans qu'il en résulte une rupture du moule par dégagement clé vapeur d'eau et sans for mation d'une sorte de carcasse dure prove nant de la migration du liant vers la surface et de l'évaporation de l'eau à la surface.
Il est également indiqué d'employer les accélérateurs à Lui autre usage auquel le pro cédé se prête facilement. Si l'on prépare un mélange très fluide de filler réfractaire et de solution de silice colloïdale, ce mélange peut être pulvérisé sur le modèle en vue de la for mation à l'intérieur du moule d'une couche superficielle dans laquelle sont imprimés tous les détails.
En incorporant. Lin accélérateur à ce mélange de projection et en pulvérisant ce dernier avant la gélification, on obtient une excellente reproduction du modèle.
Des exemples d'accélérateurs appropriés pour .des colloïdes aqueux de silice sont: car bonate de calcium, chlorure de calcium, oxyde de magnésium, carbonate de magnésium, car bonate d'ammonium, carbonate de sodium, acide carbonique, acide chlorhydrique, acide sulfurique, etc. Ces produits exercent une action sur le pH de la solution colloïdale, ou réagissent avec cette solution pour former ce qu'on peut appeler des silicates minéraux. En principe, il apparaît que toits les électrolytes réactifs sont. de bons accélérateurs, quoique l'expérience ait montré que quelques électro lytes réactifs sont Plus efficaces que d'autres.
D'autre part, certains accélérateurs ne sont pas des électrolytes réactifs, ce qui est le cals pour l'oxyde île magnésium par exemple. Les accélérateurs agissent normalement dans des proportions allant de 0,01 à 1 %, calculées sur l'ensemble du mélange.
La quantité de la. solution colloïdale de silice utilisée comme liant, peut varier dans clés limites étendues. Elle est fonction de la finesse et clé la constitution du filles réfrac taire, de la concentration de la silice dans la solution et du degré de plasticité que doit présenter le mélange clé moulage. Par exem- ple, si le Piller réfractaire est formé par de la silice passant par le tamis à 1 2 mailles, et si :
la solution colloïdale aqueuse de silice con tient 6 /o de solides et présente un pH = 8,5, on peut mélanger 100 parties en volume (le silice avec '?'' à '?6 parties en volume de solu tion de silice pour obtenir des mélanges se laissant facilement travailler.
La durée (le gélification varie selon les conditions d'emploi et en fonction de la pro portion et (le la constitution de l'accéléra teur utilisé. Ces facteurs peuvent être ltoisis pour l'obtention d'ttne durée de gélification prédéterminée.
La matière peut être utilisée de nom breuses manières. Alors que le mélange pré sente la consistance de coulée, ou à peu près, ce mélange peut. être vibré pendant qu'il en toure un modèle. La vibration peut être pro longée jusqu'au remplissage complet du moule, en vue de l'expulsion complète de l'air.
11 en résulte une tendance au tassement de la portion chi mélange adjacente au modèle, de sorte que la surface de cette portion devient lisse et dense, ce qui assure tune excellente reproduction.
Un mélange fluide peut, être pulvérisé sur un modèle, après quoi on le laisse gélifier. Après le durcissement ou le séchage, le mo dèle recouvert peut être ensuite enrobé dans une autre partie du même mélange ou d'un mélange différent. On peut ainsi appliquer une couche d'une épaisseur d'un millimètre environ en utilisant des pressions de pulvé risation de 2,1 à 5,6 kgjem2.
Les modèles faits en une matière fusible, volatile, volatilisable ou combustible peuvent être complètement enrobés et ensuite éliminés par fusion ou par volatilisation. Les matières fusibles pouvant servir à cet effet sont la cire, l'étain, les alliages à bas point de fusion, certains métaux.
On peut employer des mo dèles en résine qui se décomposent ou se vola tilisent sous l'action de la chaleur, par exem ple en méthyle-méthacrwlate. On peut- appli quer un chauffage prolongé, à une tempéra ture appropriée, pour évacuer le mét.hyle- méthacrylate par distillation, sous la forme d'un monomère, laissant un minimum de ré sine. Le polystyrolène peut être employé d'une manière similaire à celle du méthyle méthacrylate. Le cadmium, utilisé pour la confection de modèles métalliques, peut être fondu ou volatilisé pour son élimination dit moule.
Plusieurs moules ou éléments de moulage déjà, durcis peuvent être assemblés et soudés de façon à constituer un moule en plusieurs parties, en utilisant une quantité complémen taire de matière pour les souder. L'un des avantages de la. silice colloïdale aqueuse, uti lisée comme liant, consiste en ce qu'elle est incapable d'exercer une action de dissolution ou de gonflement sur certaines matières cons tituant le modèle, par exemple sur des ré sines ou des élastomères, matières similaires ait caoutchouc, qui peuvent.
être affectées nuisiblement par un alcool ou un autre sol vant organique présent ou naissant au cours de la. confection d'un moule. L'absence de toute matière organique solide sur laquelle la, chaleur pourrait agir et détériorer le moule est particulièrement avantageuse.
Un autre avantage de l'emploi d'un liant liquide contenant de la silice sensiblement, sous la forme d'une suspension dans le li quide est l'absence presque totale d'un électrolyte salin dans le moule, si l'on fait abstraction -de la. faible proportion utilisée sous la forme d'un accélérateur.
Voici quelques exemples de mélanges pou vant être utilisés dans l'application du pro cédé:<I>Exemple I:</I>
EMI0005.0052
Silice <SEP> (tamis <SEP> à <SEP> 12 <SEP> mailles <SEP> ou <SEP> plus) <SEP> <B>1009</B>
<tb> Carbonate <SEP> de <SEP> magnésium <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> 0,5 <SEP> g
<tb> Solution <SEP> colloïdale <SEP> de <SEP> silice: <SEP> 6 <SEP> 0/0
<tb> de <SEP> solides <SEP> SiO2, <SEP> pH <SEP> = <SEP> 8,5 <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> 26 <SEP> cm- <SEP> Durée <SEP> de <SEP> gélification <SEP> à <SEP> 37 <SEP> C <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> 45 <SEP> min.
Exemple <I>II:</I>
EMI0005.0054
Silice <SEP> (sable <SEP> marin <SEP> out <SEP> plus <SEP> gros) <SEP> 23 <SEP> g
<tb> Silice <SEP> (tamis <SEP> à <SEP> 12 <SEP> mailles <SEP> ou <SEP> plus) <SEP> 77 <SEP> g
<tb> Carbonate <SEP> d'ammonium <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> <B>0,3-</B>
<tb> Silice <SEP> colloïdale <SEP> (aqueuse: <SEP> 12,6 <SEP> /o
<tb> de <SEP> solides <SEP> SiO2, <SEP> pH <SEP> = <SEP> 8,5) <SEP> . <SEP> . <SEP> 26 <SEP> cm Durée <SEP> de <SEP> gélification <SEP> à <SEP> 37 <SEP> C <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> 50 <SEP> min.
<I>Exemple III:</I>
EMI0006.0001
<I>Exemple IV:</I> (pour la pulvérisation)
EMI0006.0002
Silice <SEP> (tamis <SEP> à <SEP> 46 <SEP> mailles <SEP> ou <SEP> plus) <SEP> 100 <SEP> g
<tb> Silice <SEP> colloïdale <SEP> (aqueuse: <SEP> <B>13,6</B> <SEP> %
<tb> de <SEP> solides <SEP> SiO., <SEP> pfl <SEP> = <SEP> 10,8) <SEP> . <SEP> . <SEP> 26 <SEP> e <SEP> m" <I>Exemple</I> Z-':
EMI0006.0004
Silice <SEP> (sable <SEP> marin <SEP> ou <SEP> plus <SEP> gros) <SEP> <B>23..</B>
<tb> Silice <SEP> (tamis <SEP> à <SEP> 12 <SEP> mailles <SEP> ou <SEP> plus) <SEP> 77 <SEP> g
<tb> Oxyde <SEP> de <SEP> magnésium <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> 0,1
<tb> Tthyl-sol <SEP> (18 <SEP> % <SEP> de <SEP> SiO.) <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> 13,5 <SEP> cm3
<tb> Alcool <SEP> (éthylique) <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> 13,5 <SEP> cm <SEP> .3
<tb> Durée <SEP> de <SEP> gélification <SEP> à <SEP> 35 <SEP> C <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> 45 <SEP> min.
<tb> L'éthy <SEP> 1-sol. <SEP> est <SEP> une <SEP> solution <SEP> colloïdale <SEP> (le
<tb> silice <SEP> clans <SEP> un <SEP> milieu <SEP> d'alcool <SEP> éthylique.
<I>Exemple VI:</I>
EMI0006.0005
Silice <SEP> (tamis <SEP> à <SEP> 31 <SEP> mailles <SEP> ou <SEP> plus) <SEP> 100 <SEP> g
<tb> Oxyde <SEP> de <SEP> magnésium <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> 0,01 <SEP> g
<tb> Solution <SEP> aqueuse <SEP> de <SEP> silice <SEP> colloï dale <SEP> (32 <SEP> (1/o <SEP> de <SEP> silice) <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> 27 <SEP> g Cette formule convient. à l'application par. pulvérisation pour l'obtention d'une surface exacte.
Une solution de ce genre peut être concentrée au moins à 32 % de SiO2, tout en présentant une bonne faculté de conservation.
Dans un mode d'application préféré, une matière de moulage élastique, telle que l'halo- génure de vinyle polymérisé, est appliquée sur un modèle déterminé, et le mélange plasti que suivant la présente invention est ensuite coulé dans le moule et soumis à la. vibration. Cette vibration tasse la matière réfractaire, élimine l'air et assure la. densité désirée tout en produisant une surface parfaitement lisse.
Le moule gélifié est ensuite séché à l'air en vue de l'élimination de l'eau libre du mé lange, mais on maintient l'eau combinée avec le liant de silice formé en premier. Au lieu de sécher à l'air, on peut utiliser des fours de séchage fonctionnant- à une température Mo dérée, par exemple 100" C. Les moules séchés sont ensuite mis de côté si on ne les utilise pas immédiatement pour la coulée. Au mo ment de l'emploi, les moules sont chauffés à la température élevée précédemment indi quée, en vue de l'élimination de l'eau com binée avec la- silice ou de la dilatation.
De préférence, ces moules sont ensuite employés immédiatement pour recevoir le métal en fu sion, alors qu'ils sont. encore chauds.
Les moules peuvent être grands ou petits. Les moules relativement petits, tels qu'ils sont employés pour les dentiers, les articles de joaillerie et similaires, sont très avanta- Les moules relativement petits, tels <B>g</B> geux.
<B>q</B> 'ils sont eniplov s pour la fabrication, d'élé- Li <B>ë</B> ments compliqués, par exemple des aubes de suralimentation pour turbines et similaires, sont. très avantageux pour la fabrication de pièces très précises à surface très lisse, avec une grande finesse (le détails et présentant un aspect poli, ce qui élimine ou réduit au minimum l'usinage, le finissage et le polis sage.
Les moules de grandes dimensions sont également avantageux, mais il est bien évi dent que ces moules doivent. être traités avec de grandes précautions, plus particulièrement lors du chauffage, pour éviter une élimina tion telle de l'eau résiduelle ou combinée qu'il en résulterait une détérioration du moule.
Les moules séchés à l'air, confectionnés par pulvérisation ou vibration d'un mélange, présentent des surfaces dures et lisses. Leur dureté les met, à l'abri des rayures et ils ré sistent parfaitement à l'eau.
Les moules confectionnés par d'autres pro cédés, par exemple à l'aide de liants organi ques, présentent, des surfaces qui peuvent être rugueuses et de qualité inférieure à celle des moules confectionnés par le procédé décrit. La surface de ces moules peut être améliorée par application d'une quantité appropriée de la solution colloïdale de silice, contenant de préférence un accélérateur. Ces moules peu vent ensuite être séchés à l'air ou chauffés en vue de la conversion du gel aqueux résul- tant en un gel hydraté solide non. aqueux. On peut finalement les chauffer pour l'obten tion d'un revêtement de silice anhydre sur le moule de qualité inférieure.
On peut ajou ter une proportion désirée de silice réfrac taire, ou un autre filler, à la composition de revêtement. Ï >e cette manière, on peut obte- iiir une composition analogue à. une peinture qu'on peut. utiliser eomme revêtement de la surface rugueuse d'un moule de qualité infé rieure.
Process for making refractory molds. The present invention relates to a process for making refractory molds, particularly intended for the casting of metals and point alloys. high melting point, such as steel and stainless steels, or nonferrous alloys, such as cobalt chrome alloy, and other high melting point materials, such as as platinum, alloys (platinum-iridiutn, platinum-rhodium and similar alloys.
Although the method according to the invention is more particularly intended for making <B> (the </B> molds for the casting of dentures, parts ott elements of dentures, osteosurgical instruments, articles of jewelry and similar devices and instruments, and the precision casting of industrial parts, for example of gear elements, blades (the turbines and the like, it is understood that it could be applied to other - trc, s domains.
For the casting of high-pressure alloys, it is necessary to choose molds of suitable refractory materials capable of withstanding the casting temperatures of the alloys. Silica has until now been one of the main refractory constituents.
Other refractory constituents are alumina, zirconia, la. refractory brick based (silica, refractory brick based on magnesia, molten magnesia, and many other materials already known in the art of high temperature molding. Apart from the suitable choice of refractory components intended for the preparation molds, it is important to use a binder allowing these refractory constituents to agglomerate.
Certain types of binders, such as organic silicates and, more particularly, tetraethyl silicate and related organic silicates have been employed with varying results. Although the use of these organic silicates as refractory molding binders has advantages for the casting of small parts, it also entails certain disadvantages for the mass production of high precision castings. For these organic silicates it is, for example, necessary to use ethyl alcohol, acetone or another common solvent intended for. act as a diluent.
When large amounts of such molding materials are to be used, for example in the. mass production, the risk of fire is considerable. Other disadvantages are. the high cost price of these organic silicates and the complicated technique for processing the accessory elements used to bring them to a state. in which they can serve as binders.
The method according to the invention makes it possible to avoid the use of flammable materials and of a complicated technique of composition of the binder and to use a relatively inexpensive material. Indeed, this process for making refractory molds is characterized in that it consists of. mixing a refractory material with a binder comprising a non-flammable liquid which, in its initial state and before mixing with the refractory material, contains almost all of the silicon. under the.
form of inorganic silica in aqueous suspension with a relatively small proportion of an alkali metal compound, to shape .the mixture to give it the shape of a mold, to initiate gelation of the liquid, to. drying the mold so as to remove the water which has become free and form a hydrated silica gel containing only combined water, and to heat the mold to a temperature high enough to remove this combined water and thus obtain a binder of anhydrous silica which permanently fixes the particles of the refractory material used.
In the making of refractory molds, it has hitherto been customary to use a suitably pulverized refractory material, such as silica, alumina, la. magnesia, titanium oxide, beryllium oxide, la, mellite or sillimanite and zirconia, alone or as an inert and non-fusible mixture under the conditions of use. These materials, alone or in a mixture, will be called hereinafter refractory fillers, among which the finely ground silica, passing through the sieve of 12 to 46 meshes per square centimeter, is very suitable.
The refractory daughter is all the more suitable for obtaining a perfectly polished surface of the casting as it is more finely ground. The daughters can be dosed with different grain sizes, in view of the choice of the superficial effect. The dosing of grains of different sizes can also be used to obtain a mixture which can be effectively compacted under the action of a vibrator, or a mixture which prevents shrinkage cracks.
Preferably, a vibration process is applied for the compaction of the refractory mixture to which a colloidal silica solution has been added. After mixing the refractory component with the colloidal silica. until a consistency is obtained, almost the. casting, the mixture is preferably subjected to. vibration applied all around the model until the mold is filled, and the latter is then preferably placed on a second vibrator, on which it is held until;
the complete completion of settlement. By virtue of this vibrating process, all of the air bubbles are expelled and the refractory component can be deposited and compacted to form a dense mold, having such a density on contact. of the model that it is possible to obtain a casting with an extremely smooth surface, with extremely fine details.
The vibration is intended to produce a settlement, rather than an agitation. In a preferred kind of vibration, given by way of example, subject matter to the action of a first vibrator until it is packed and until most of the air is. expelled. The second vibrator produces a low amplitude vertical vibration which is prolonged until the end of the settlement.
Preferably, this latter vibration is continued until all of the air is removed and until no liquid appears on the surface.
It is also usual to use binders so that the refractory daughter is maintained in the following form. which it was cast. The choice of gender and quantity of girls and choice of gender and quantity of liquid used with this girls influence the precision of the casting.
Silica can be used as a coating material or as a binder of the refractory daughters, which itself may or may not consist of silica. However, since silica itself is an insoluble refractory material, a liquid suspension of silica in a suitable form is employed. Silica (eg silica gel) is well known with varying degrees of hydration and in different forms, eg in the form of a dry solid, an aqueous colloidal gel, a solid solution. - aqueous loïdale, a beautiful colloidal alcohol.
ethyl alcohol, a colloidal solution of ethyl alcohol, a beautiful organo-colloidal and an organo-colloidal solution. In one of these forms, the silica is dispersed in water or in other liquid and can be diluted as a true solution with a liquid which can be that which was used for the suspension, or with other appropriate liquids. requested. One property of these solutions is that they are easy to leave. transforming into a gel by loss of liquid or by a change in composition.
During gelation, the particles agglomerate and form a binder.
By using a refractory daughters and a silica solution of this kind in sufficient quantity to form an appropriate mixture permitting molding, and by subsequently initiating gelation, a solidified mold with very clear contours is obtained. This mold is then dried with a view to removing water or another liquid introduced with the solution. During the drying of a mold configured with an aqueous colloid, the silica may remain in the form of a hydrated gel. The water in the gel can be removed by heat in a proportion which depends on the temperature applied. Hydrated silica gel has a high affinity for water.
If the temperature to which it is subjected is increased, the water is removed in such a way that the product, obtained at 150 ° C., consists of silica of formula SiO2.
The term silica used in this description always designates the anhydrous form SiO2, as well as any hydrated form and in particular silicic acid Si (Ol = I) l.
F: n consequence, the molds thus formed to contain hydrated silica are neither completed nor stable with a refractory silica binder until they have been exposed to a temperature of about 1:50 C. Before . the use of the molds thus dried in air, for the casting of metals at a high melting temperature, for example a temperature of the order of 1650 C, these molds are.
heated for some time by exposure to a temperature of the order of 930 to 1205 C, preferably 1040 C. Casting can take place at this temperature, but the mold can also be cooled to a temperature of 370 C or even, if desired, at room temperature, for the casting operation. <B> bond </B> molten metal is preferably poured into the mold while it is hot , but this way of proceeding, as well as the. temperature used, are. function of working conditions.
When the mold is used in a state of expansion resulting from heating, compensation is obtained for the shrinkage of the casting during cooling. The conditions for this compensation are empirical and depend on the composition of the mold, the nature of the metal being cast and other factors.
Certain aqueous colloidal solutions of silica are commercially available. The pH: of the aqueous colloidal solution influences the tendency to gel. The higher the pH value of the solution than 7. The more stable the solution is. This solution tends to gel more the higher its pH value. closer to 7. We avoid solutions with pl, too close to 7, when we want to obtain a solution capable of keeping. The pH can vary between 2 and 11 approximately, with a solution in the form of a colloidal suspension.
Solutions with a pH less than 7 can be stable, and when they are carbonated by COY, they are stable, even with a pH = 2. To obtain stable solutions with a fold greater than 7, one can use stabilizers such as sodium carbonate or ammonium compounds, for example hydroxide, carbonate and some other ammonium salts. It is understood that these stabilizers are effective in low proportions.
In the case of sodium carbonate, for example, this may or may not react with the. silica to form a sodium silicate, which does not matter, since most of the silica remains in the colloidal form, A change in pH can cause the suspension to turn into a gel after a period of more or less long, but controllable.
Chemical reactions within the solution occur. also centers of gelation by formation of a precipitable substance. These reactions constitute a means of initiating gelation. It has been observed that certain substances, added in small proportions, intervene to initiate or accelerate the gelation in one way or another. We will call. these substances act as gelation accelerators.
When using these gelation accelerators, an acid can be added to stable alkaline solutions, and an alkali to stable acidic solutions, to bring the pH closer to 7 and decrease the stability, which makes it possible to use only a small amount of accelerator to achieve the same efficiency. A single substance can be used to change the pH of the solution and act as an accelerator, but that substance only acts as an accelerator if it is used in sufficient quantity that the solution is no longer stable.
Accordingly, for the composition of a material intended for the making of a mold, a solution of low stability can be mixed with a refractory filler incorporating an accelerator, the gelation process being adjusted to take place as follows: the choice of materials.
It is not necessary to use accelerators, since the simple so-called liquid drying of the molded mixture, such as water or another liquid carrier derived from the silica suspension, initiates the gelation of very stable solutions, under the influence of a concentration effect. Nevertheless, it is preferable to accelerate the gelation, so that the molds hardened, but not dried, and then feel quickly removed from the pattern or the like, which facilitates the rapid handling of the various molds during production.
Experience has shown that the hardening of molds, without any accelerator, is. not as practical as when using the accelerator, since it is very difficult to completely dry the mold after gel hardening without causing the mold to rupture due to the release of water vapor and without the formation of a kind of hard carcass resulting from the migration of the binder to the surface and the evaporation of water from the surface.
It is also advisable to use accelerators for another purpose to which the process easily lends itself. If a very fluid mixture of refractory filler and colloidal silica solution is prepared, this mixture can be sprayed onto the model for the formation inside the mold of a surface layer in which are printed all the details.
By incorporating. Accelerating this spray mixture and spraying the latter before gelation results in excellent model reproduction.
Examples of suitable accelerators for aqueous silica colloids are: as calcium bonate, calcium chloride, magnesium oxide, magnesium carbonate, as ammonium bonate, sodium carbonate, carbonic acid, hydrochloric acid, sulfuric acid , etc. These products exert an action on the pH of the colloidal solution, or react with this solution to form what can be called mineral silicates. In principle, it appears that the reactive electrolytes are roofs. good accelerators, although experience has shown that some reactive electrolytes are more effective than others.
On the other hand, some accelerators are not reactive electrolytes, which is the callus for magnesium oxide for example. The accelerators normally act in proportions ranging from 0.01 to 1%, calculated over the entire mixture.
The amount of the. colloidal silica solution used as a binder, can vary within wide limits. It depends on the fineness and on the constitution of the refractory daughters, on the concentration of silica in the solution and on the degree of plasticity that the molding mixture must exhibit. For example, if the refractory pillar is formed by silica passing through the 1 2 mesh sieve, and if:
the aqueous colloidal solution of silica contains 6 / o solids and has a pH = 8.5, 100 parts by volume can be mixed (silica with '?' 'to'? 6 parts by volume of silica solution for obtain mixtures that can be easily worked.
The duration (the gelation varies according to the conditions of use and as a function of the proportion and the constitution of the accelerator used. These factors can be chosen to obtain a predetermined gelation duration.
The material can be used in many ways. While the mixture has the consistency of pouring, or roughly, this mixture can. to be vibrated as he turns a model. The vibration can be extended until the mold is completely filled, with a view to the complete expulsion of the air.
This results in a tendency for the chi-mixture portion adjacent to the model to settle, so that the surface of this portion becomes smooth and dense, which assures excellent reproduction.
A fluid mixture can be sprayed onto a model, after which it is allowed to gel. After hardening or drying, the covered pattern can then be coated in another part of the same or a different mixture. It is thus possible to apply a layer with a thickness of approximately one millimeter using spray pressures of 2.1 to 5.6 kg / m2.
Models made of a fusible, volatile, volatilizable or combustible material can be completely coated and then removed by melting or volatilization. The fusible materials which can be used for this purpose are wax, tin, low melting point alloys, certain metals.
Resin models which decompose or steal under the action of heat can be used, for example methyl-methacrwlate. Prolonged heating can be applied, at a suitable temperature, to remove the methyl methacrylate by distillation, as a monomer, leaving a minimum of resin. Polystyrene can be used in a manner similar to that of methyl methacrylate. Cadmium, used for making metal models, can be melted or volatilized for its so-called mold removal.
Several already hardened molds or molding elements can be assembled and welded to form a multi-part mold, using an additional amount of material to weld them. One of the advantages of the. aqueous colloidal silica, used as a binder, is that it is incapable of exerting a dissolving or swelling action on certain materials constituting the pattern, for example on resins or elastomers, materials similar to rubber, which can.
be adversely affected by alcohol or other organic soil present or emerging during the. making a mold. The absence of any solid organic material on which the heat could act and deteriorate the mold is particularly advantageous.
Another advantage of using a liquid binder containing substantially silica, in the form of a suspension in the liquid, is the almost total absence of a saline electrolyte in the mold, apart from this. -of the. low proportion used in the form of an accelerator.
Here are some examples of mixtures that can be used in the application of the process: <I> Example I: </I>
EMI0005.0052
Silica <SEP> (<SEP> to <SEP> 12 <SEP> mesh <SEP> or <SEP> plus sieve) <SEP> <B> 1009 </B>
<tb> Carbonate <SEP> of <SEP> magnesium <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP> 0.5 <SEP> g
<tb> Colloidal <SEP> <SEP> solution of <SEP> silica: <SEP> 6 <SEP> 0/0
<tb> of <SEP> solids <SEP> SiO2, <SEP> pH <SEP> = <SEP> 8.5 <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP> 26 <SEP> cm- <SEP> Duration <SEP> of <SEP> gelation <SEP> to <SEP> 37 <SEP> C <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP> 45 <SEP> min.
Example <I> II: </I>
EMI0005.0054
Silica <SEP> (sand <SEP> marine <SEP> out <SEP> plus <SEP> coarse) <SEP> 23 <SEP> g
<tb> Silica <SEP> (sieve <SEP> to <SEP> 12 <SEP> meshes <SEP> or <SEP> plus) <SEP> 77 <SEP> g
<tb> Ammonium <SEP> carbonate <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP> <B> 0.3- </B>
<tb> Colloidal <SEP> silica <SEP> (aqueous: <SEP> 12.6 <SEP> / o
<tb> of <SEP> solids <SEP> SiO2, <SEP> pH <SEP> = <SEP> 8.5) <SEP>. <SEP>. <SEP> 26 <SEP> cm Duration <SEP> of <SEP> gelation <SEP> to <SEP> 37 <SEP> C <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP> 50 <SEP> min.
<I> Example III: </I>
EMI0006.0001
<I> Example IV: </I> (for spraying)
EMI0006.0002
Silica <SEP> (sieve <SEP> to <SEP> 46 <SEP> mesh <SEP> or <SEP> plus) <SEP> 100 <SEP> g
<tb> <SEP> colloidal silica <SEP> (aqueous: <SEP> <B> 13.6 </B> <SEP>%
<tb> of <SEP> solids <SEP> SiO., <SEP> pfl <SEP> = <SEP> 10,8) <SEP>. <SEP>. <SEP> 26 <SEP> e <SEP> m "<I> Example </I> Z- ':
EMI0006.0004
Silica <SEP> (<SEP> marine sand <SEP> or <SEP> plus <SEP> coarse) <SEP> <B> 23 .. </B>
<tb> Silica <SEP> (sieve <SEP> to <SEP> 12 <SEP> meshes <SEP> or <SEP> plus) <SEP> 77 <SEP> g
<tb> Magnesium <SEP> <SEP> oxide <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP> 0.1
<tb> Tthyl-sol <SEP> (18 <SEP>% <SEP> of <SEP> SiO.) <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP> 13.5 <SEP> cm3
<tb> Alcohol <SEP> (ethyl) <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP> 13.5 <SEP> cm <SEP> .3
<tb> Duration <SEP> of <SEP> gelation <SEP> to <SEP> 35 <SEP> C <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP> 45 <SEP> min.
<tb> Ethy <SEP> 1-sol. <SEP> is <SEP> a <SEP> colloidal <SEP> solution <SEP> (the
<tb> silica <SEP> in <SEP> a <SEP> medium <SEP> of ethyl alcohol <SEP>.
<I> Example VI: </I>
EMI0006.0005
Silica <SEP> (sieve <SEP> to <SEP> 31 <SEP> meshes <SEP> or <SEP> plus) <SEP> 100 <SEP> g
<tb> Magnesium <SEP> <SEP> oxide <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP> 0.01 <SEP> g
<tb> Aqueous <SEP> solution <SEP> of <SEP> colloidal silica <SEP> <SEP> (32 <SEP> (1 / o <SEP> of <SEP> silica) <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP> 27 <SEP> g This formula is suitable for spray application to obtain an exact surface.
A solution of this kind can be concentrated to at least 32% SiO2, while exhibiting good preservation.
In a preferred mode of application, an elastic molding material, such as polymerized vinyl halide, is applied to a determined pattern, and the plastic mixture according to the present invention is then cast into the mold and subjected to testing. the. vibration. This vibration compresses the refractory material, eliminates the air and ensures it. desired density while producing a perfectly smooth surface.
The gelled mold is then air dried to remove free water from the mixture, but the combined water is maintained with the silica binder formed first. Instead of air drying, one can use drying ovens operating at a derivative Mo temperature, for example 100 ° C. The dried molds are then set aside if not immediately used for casting. At the time of use, the molds are heated to the elevated temperature previously indicated, with a view to the elimination of water combined with the silica or of the expansion.
Preferably, these molds are then immediately employed to receive the molten metal, while they are. still hot.
The mussels can be large or small. Relatively small molds, such as are employed for dentures, jewelry and the like, are very advantageous. Relatively small molds, such as small ones.
<B> q </B> 'they are implements for the manufacture of complicated <B> ë </B> elements, for example, turbines and the like, supercharging blades and the like. very advantageous for the manufacture of very precise parts with a very smooth surface, with great finesse (detail and having a polished appearance, which eliminates or minimizes machining, finishing and polishing wise.
Large molds are also advantageous, but it is obvious that these molds must. be treated with great care, especially when heating, to avoid such removal of residual or combined water that would result in damage to the mold.
Air-dried molds, made by spraying or vibrating a mixture, have hard and smooth surfaces. Their hardness protects them from scratches and they are perfectly resistant to water.
The molds made by other methods, for example using organic binders, have surfaces which may be rough and of inferior quality to that of the molds made by the method described. The surface of these molds can be improved by applying an appropriate amount of the colloidal silica solution, preferably containing an accelerator. These molds can then be air dried or heated to convert the resulting aqueous gel to a non solid hydrated gel. aqueous. They can finally be heated to obtain a coating of anhydrous silica on the mold of inferior quality.
A desired amount of refractory silica, or other filler, can be added to the coating composition. In this way, a composition like that can be obtained. a painting you can. use as a coating for the rough surface of an inferior mold.