Brevet FR2008604A1 — publié le 19700123

2008604. La présente invention concerne une structure et un procédé perfectionnés pour la production de meules de rectification et outils abrasifs analogues comportant des grains de nitrure de bore à structure cristalline cubique liés ; et elle concerne 5 plus particulièrement une structure et un procédé consistant à prévoir, sur le grain de nitrure de bore à structure cristalline cubique, un dépôt de borosilicate placé entre le nitrure de bore et la matière servant de liant, afin de réaliser un accroissement substantiel de la résistance mécanique de la liaison. 10 II convient de se référer ici au brevet E.U.A.n0 2.947.617 délivré le 2 août 1960 à Robert H. Wentorf, Jr., et cédé à la demanderesse. Ce brevet décrit et revendique un nitrure de bore à structure cristalline cubique qui est analogue à celle de la blende (minerai de zinc) ; ce composé a une dureté voisine de 15 celle du diamant. De tels grains de nitrure de bore à structure cristalline cubique constituent un abrasif fréquemment dénommé "borazon". En raison de son extrême dureté, le borazon est une excellente matière en grains abrasifs pour meules de rectification 20 et autres outils abrasifs similaires. Toutefois, en dépit de l'excellente qualité du grain abrasif, la qualité des outils a-brasifs réalisés en liant les grains ensemble dépend dans une tjrès l^xge ipesure de la résistance mécanique de la liaison formée ; autrement dit, pour que l'excellence du grain abrasif se 25 manifeste dans l'outil abrasif, il est très important que le grain soit fermement maintenu en place, et ceci nécessite bien entendu une haute résistance mécanique de liaison. En fait, plus le grain abrasif est dur et par conséquent se prête à une longue durée de service utile, plus il est nécessaire dé prévoir 30 une haute résistance mécanique de liaison, étant donné que, lorsqu'il est extrêmement dur, le grain a peu tendance à se rompre ou à s'user et a donc une plus grande tendance à s'arracher de son liant sous l'effet des puissantes forces développées au cours de la rectification. Par conséquent, le borazon exige im-35 pérativement une grande résistance mécanique de liaison entre grains si l'on veut tirer au maximum parti de sa dureté. Au cours du premier stade du procédé faisant l'objet de la présente invention, on forme une pellicule d'oxyde borique sur la surface du borazon en l'exposant, de préférence à chaud, 40 à l'action d'une ambiance oxydante. Par exemple, on peut placer 69 15754 - 2008604 le grain de borazon dans un four pré-chauffé à environ 775°C pendant 30 minutes, l'atmosphère régnant dans le four étant de l'air ordinaire. Ce traitement a pour effet de nettoyer la surface en la débarrassant de la plupart des impuretés, et de lais-5 ser une mince pellicule d'oxyde borique. La. température précise et la durée de la période de chauffage ne sont aucunement critiques ; il importe seulement, d'établir sur la surface des grains de borazon une mince pellicule d'oxyde borique. Au cours du stade suivant, on applique sur le borazon une 10 solution d'un composé organique du silicium qui enlève la majeure partie de B203> puis on chauffe le borazon ainsi recouvert de composé organique du silicium afin de provoquer une.réaction entre le susdit composé et le reste de l'oxyde borique, afin de convertir au moins une proportion substantielle de cet oxyde 15 borique en un borosilicate. Les composés organiques du silicium préférés en vue de la mise en oeuvre de la présente invention sont des silanes, et on a découvert que les silanes les plus avantageux à cette fin sont ceux correspondant à la formule générale suivante : 20 A N -* Si - C B . dans laquelle N est un radical amino ou un dérivé d'un, tel radical ; C est un radical hydrolysable ; et A et B sont chacun 25 soit des radicaux amino, soit Les grains de borazon recouverts d'une pellicule d'oxyde borique sont chauffés environ une heure.à reflux dans une solu-35.tion à 20%,en volumes de triéthoxysilylpropylamine dans de l'iso-propanol, puis on filtre les grains .et on les fai.t. sécher 12 heures dans l'air. On obtient ainsi ,u,ne..couche partiellement-. polymérisée du silane, ou du, produit de son hydrolyse, sur la mince pellicule d'ojxyde borique. Les grains...de .borazoji, ainsi re-40 vêtus sont ensuite chauffés 30 minjutes , à ..environ 500°Ç. . Au .cours 69 15754 2008604 de ce chauffage, le composé organique du silicium réagit avec l'oxyde borique pour former un borosilicate, le composé organique du silicium étant décomposé pendant le chauffage et au cours de la susdite réaction, et les constituants organiques du-5 dit composé ou leurs produits d'oxydation étant vaporisés. XI est possible aussi qu'une portion des surfaces de nitrure de bore des grains de borazon participe à la réaction. Le dépôt de borosilicate ainsi formé est fortement lié au borazon et apparaît chimiquement sorbé à la surface du borazon par l'inter-10 médiaire de liaisons oxygène. C'est ce revêtement de borosilicate fortement lié formé sur les grains de borazon qui donne naissance aux excellentes résistances mécaniques de liaisons observables dans des outils abrasifs réalisés conformément à la présente invention. 15 Le mode opératoire décrit ci-dessus est idéal pour former la couche de borosilicate star le borazon, et cela pour diverses raisons. Tout d'abord, le procédé en question tire avantageusement parti d'une des caractéristiques propres au borazon : celle de former une mince couche d'oxyde à sa surface quand on le 20 chauffe à une température élevée et dans une atmosphère oxydante. En utilisant cette mince couche d'oxyde borique comme réactif avec la silice contenue dans le composé organique du silicium appliqué, du borosilicate se trouve formé in situ sur le grain de borazon. Ceci provoque l'établissement d'une résistance méca-25 nique de liaison optimum entre le borazon et le borosilicate et permet aussi de constituer, d'une manière simple, une couche uniforme et extrêmement mince de borosilicate recouvrant toutes les surfaces de chaque grain de borazon. Idéalement, il convient que la couche de borosilicate soit aussi mince que possible tout 30 en restant cependant continue. Les composés organiques du silicium constituent le moyen idéal car ils fournissent la silice destinée à servir de réactif sous la forme d'un dépôt extrêmement mince et uniforme a-vant le chauffage destiné à provoquer la réaction aboutissant 35 à la formation du borosilicate. D'autre part, la silice dans les composés organiques du silicium est dotée d'une haute réactivité à la suite d'une dégradation du composé par la chaleur. Bien que l'on utilise de préférence les silanes, il ne faut pas perdre de vue que l'on peut aussi se servir d'autres composés or-40 ganiques du silicium et que le choix du solvant pour dissoudre 69 15754 " 2008604 et appliquer le composé se trouve dicté par les caractéristiques de solubilité du composé particulier utilisé. Il convient, bien entendu, que le composé organique du silicium soit solide ou hy-drolysable et/ou polymérisable en un solide après son applica-5 tion sur le grain. Après la formation de la couche de borosilicate sur le grain, on peut mélanger le grain avec le liant, presser le mélange pour en former une meule de rectification ou autre outil abrasif analogue, puis durcir ou vitrifier le liant. Lorsqu'on 10 utilise une liaison vitrifiée, la couche de borosilicate sert non seulement à réaliser une bonne résistance mécanique de liaison mais présente aussi l'avantage de jouer le rôle d'une couche-barrière entre le liant du type fritte vitrifiable et le borazon. Ceci permet un très grand choix de liants vitrifiables étant 15 donne que quelques ingrédients de frittes vitrifiables sont dotés de réactivité avec le nitrure de bore et, en l'absence de la couche de borosilicate, auraient tendance à provoquer une dégradation du borazon au cours de la vitrification. Si on utilise un liant du type résine organique, il est 20 avantageux d'incorporer une couche intermédiaire de siloxane entre la couche de borosilicate et la résine organique, afin d'augmenter la résistance mécanique de liaison entre ces deux substances. La couche de siloxane paut être qppliquée en opérant de la manière décrite ci-après. 25 On fait tremper les grains revêtus de borosilicate pendant un bref laps de temps (il suffit d'environ une heure) dans une solution contenant en volumes 20% de silane dans de l'isopropa-nol, puis on les sépare par filtration et on les chauffe pendant environ deux heures à 150°C dans de l'air humide. La triéthoxy-30 silylpropylamine est excellente comme silane en vue de cette opération élémentaire. Le silane s'hydrolyse et se polymérise au moins partiellement en siloxane et forme une liaison extrêmement forte avec la couche sous-jacente de borosilicate..On constate ici encore que la couche de composé organique du silicium hydroly-35 sé et fraîchement polymérisé est chimiquement sorbée sur le borosilicate, probablement par 1'intermédiaire de liaisons oxygène. Les grains abrasifs ainsi revêtus sont ensuite mélangés avec une résine thermodurcissable contenant de préférence une charge, après quoi on presse à chaud le mélange en forme de meu-40 les de rectification ou outils abrasifs analogues auxquels on 69 15754 2008604 fait de préférence subir un post-durcissement. On peut utiliser une résine quelconque choisie parmi une grande variété de résines thermodurcissables. Une résine phénol-formaldéhyde est excellente, ainsi qu'une résine époxy. Parmi d'autres résines 5 thermodurcissables utilisables, on peut citer, par exemple, les polyimides, les alkydes, des résines de mélamine, des résines urée-formaldéhyde, et des résines modifiées telles que des no-volaques époxy. Ainsi qu'on l'a indiqué ci-dessus, il est généralement a-10 vantageux d'incorporer une charge à la résine thermodurcissable Comme exemples typiques de telles charges avantageusement utilisables à cette fin, on peut citer des fibres de verre, du car bure de silicium, de minces filaments (ou "whiskers") de cuivre et de la poudre de nitrure de bore à structure cristalline hexa 15 gonale. L'exemple spécifique suivant, bien entendu, non limitatif, est donné pour illustrer la mise en oeuvre de la présente invention. Des grains de borazon dont la granulométrie correspond à ' des tamis extrêmes à ouvertures carrées mesurant respectivement 20 0,250 mm et 0,177 mm de côté sont revêtus d'une mince couche de borosilicate par dessus laquelle on applique une couche de siloxane en opérant de la manière décrite ci-dessus ; avec ces grains, on forme ensuite un mélange bien uniforme avec dé la résine phénol-formaldéhyde au stade B pulvérisée ("Bakelite") 25 et avec une charge constituée par de la poudre de carbure de si licium en particules de 1 à 10 microns en proportions telles que -le mélange contienne en volumes 25% de grains de borazon revêtus de borosilicate, 36% de carbure de silicium comme charg et 39% de résine phénol-formaldéhyde. On presse ensuite à chaud 30 (température d'environ 177°C) ce mélange uniforme ét sous une 2 pression de 140 kg/cm pour en former des meules de réctifica-tion auxquelles on fait subir un traitement thermique de postdurcissement d'environ 12 heures à une température d'environ 190°C afin de durcir complètement la résine. 35 Grâce à la mise en oeuvre de la présente invention, on ré alise jdes accroissements dè la résistance à la rupture dans le sens transversal atteignant jusqu'à 100 % et même plus. Une telle amélioration de la résistance à la rupture dans le.sens transversal se manifeste par des améliorations des efficacités 40 de rectification aussi élevées que 50% et même davantage. 69 15754 2008604 REVENDICATIONS 1. Matière abrasive caractérisée en ce qu'elle comprend essentiellement des grains de nitrure de bore à structure cristalline cubique à la surface desquels est lié un revêtement de 5 borosilicate. 2. Article abrasif caractérisé en ce qu'il comprend essentiellement des grains de nitrure de bore à structure cristalline cubique revêtus de borosilicate et noyés dans une matrice constituée par une substance liante. 10 3. Article abrasif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite substance liante est une résine organique, et il est appliqué une couche intermédiaire de siloxane entre ladite résine et ledit borosilicate. 4. Procédé pour former un revêtement superficiel sur des 15 grains de nitrure de bore (ou borazon) à structure cristalline cubique, lequel procédé est caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement : à former une couche d'oxyde borique sur la surface du grain de borazon ; à appliquer un composé organique du silicium sur le grain; puis à chauffer le grain avec le re-20 vêtement de composé organique du silicium qui le recouvre afin de faire réagir ce composé avec l'oxyde borique pour former une couche de borosilicate sur ledit grain. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'on utilise, comme composé organique du silicium, un silane 25 que l'on hydrolyse et que 1'on polymérise au moins partiellement en un polysiloxane avant de chauffer ledit grain. 6. Procédé pour former un article abrasif, caractérisé 'en ce qu'il consiste essentiellement à former un revêtement de borosilicate sur des grains abrasifs de nitrure de bore à structure 30 cristalline cubique, puis à lier ensemble les grains, ainsi revêtus, avec une substance liante. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'on forme ledit revêtement de borosilicate en appliquant un composé organique du silicium sur des grains de nitrure de bore 35 à structure cristalline cubique, la surface de ces grains étant recouverte d'une mince couche d'oxyde borique. 8. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'on applique, sur les grains revêtus de borosilicate, une mince couche d'un siloxane, après quoi on lie les grains ensemble au 40 moyen d'une résine organique thermodurcissable. 69 T5754 7 '2008604 9. Procédé pour la formation d'un article abrasif, caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement : à former une mince couche d'oxyde borique sur la surface de grains de nitrure de bore à structure cristalline cubique ; à appliquer sur lesdits 5 grains une mince couche d'un composé organique du silicium ; à chauffer lesdits grains pour provoquer une réaction dudit composé organique du silicium avec l'oxyde borique, afin de former une couche de borosilicate sur chacun desdits grains ; à revêtir lesdits grains avec un siloxane ; à mélanger les grains avec 10 une résine organique thermodurcissable afin de former un mélange uniforme ; à presser ledit mélange uniforme afin de lui donner la forme d'articles abrasifs ; et à durcir complètement ladite résine.