Brevet FR2020424A1 — publié le 19700710

La présente invention s'applique aux outils abrasifs tels que les meules en forme de disque ou de coupe et les pierres à affûter dans lesquels un diamant naturel ou synthétique, sous forme de particules, est l'agent abrasif principal Ces outils ont essentiellement deux parties composantes principales. La première est une partie abrasive qui est appliquée contre la pièce à travailler et qui peut avoir la forme d'un anneau. Dans le cas d'une pierre à affûter, la partie abrasive peut comprendre un bloc ou un ensemble de blocs. Cette partie abrasiVe se compose d'une matrice qui en général est faite d'un métal ou d'une substance agglomérée avec une résine et les particules de diamant sont enrobées dans cette matrice. La seconde partie composante est le support sur lequel cette partie abrasive est directement portée ou montée.Dans le cas d'une meule, cette partie peut avoir la forme d'un disque qui peut être fixé au centre d'un porte-outil et la partie abrasive aura la forme d'un anneau monté sur la périphérie du disque. Dans un outil abrasif utilisant des particules de diamant comme agent abrasif, les diamants doivent être très solidement maintenus dans la matrice pour éviter la perte des particules de diamant avant qu'elles nuaient été complètement usées et utilisées au maximum. Dans la pratique, le diamant et la matrice s'usent et cela maintient une constante action de meulage. Idéalement, la surface de l'outil ne devrait pas se colmater, et il ne devrait pas être nécessaire de traiter fréquemment la surface de l'outil pour en enlever les diamants émoussés et dégager les particules plus profondément enrobées dans la matrice. D'autre part, il faut éviter une usure excessive de la matrice pour garantir l'utilisation maximale du diamant. Le matériau qui doit être abrasé peut prendre de nombreuses formes; on peut citer comme exemples d'opérations typiques le découpage de pierres, qui est relativement doux et la mise en forme de carbures cémentés durs ; jusqu'S présent, il n'a pas été possible de fournir un outil à diamant abrasif qui puisse également convenir et être efficace pour ces deux opérations très différentes. Pour traiter des matériaux relativement doux, on emploie communément des matrices métalliques dans lesquelles les particules de diamant sont bloquées dans une phase continue de métal. Les particules de diamant sont ainsi bien tenues et résistent à l'abrasion par des débris abrasifs qui éroderaient une matrice plus douce. Ces matrices n ' ont pas été considérées comme convenant pour l'abrasion de matériaux relativement durs si l'on n'emploie pas un métal extrêmement cassant. Pour obtenir une action de coupe rapide et nette, la matrice doit se briser et mettre à nu de nouveaux points de meulage. Si cela ne se produit pas, il en résulte une surface émoussée. Les matrices métalliques cassantes, par exemple les matrices en bronze epsilon, ont donné la plus grande satisfaction pour les matrices métalliques pour travailler les matériaux durs, mais ces matrices sont elles-mêmes limitées dans leur aptitude de coupe et, en raison de leur fragilité, elles manquent de résistance structurale et ne conviennent pas pour certaines formes d'outils abrasifs.En particulier, elles ne conviennent pas pour être employées avec une meule en forme de coupe évasée, telle que celle qui est représentée au dessin annexé. Dans l'outil représenté au dessin, A est la partie abrasive et B le support. Ces meules sont utilisées pour conformer des carbures cémentés, souvent en travaillant sans réfrigérant. En conséquence, pour l'abrasion de matériaux relativement durs et pour opérations d'affûtage de matériaux rugueux, des matrices à liant en résine ont été considérées comme plus satisfaisantes que les matrices métalliques. Elles sont plus élastiques et souffrent moins de fragilité. Néanmoins, elles s'usent plus rapidement que les contreparties métalliques et ont des propriétés de retenue des diamants inférieures, ce qui augmente les frais d'affûtage. On a, pendant longtemps, cherché à produire une pièce abrasive pour un outil d'affûtage au diamant, dans laquelle sont combinées des propriétés de tenue des diamants égales à celles qui sont obtenues avec une matrice en métal et des propriétés d'élasticité et de résistance structurale égales à celles qui sont obtenues en employant une matrice liée par une résine. Dans une récente tentative, des diamants revêtus de métal ont été introduits. Les particules de diamant sont revêtus d'un métal, du nickel par exemple, puis incorporées dans une matrice -liée avec une résine pour former la partie abrasive de l'outil. La dimension plus grande des particules due au revêtement métallique permet que le diamant soit mieux retenu dans la résine et des perfectionnements importants ont été obtenus : néanmoins, les propriétés de retenue du diamant de cette matrice sont encore inférieures à celles que l'on obtient avec une matrice métallique. Dans l'affûtage à sec, les perfectionnements dus à l'emploi de diamants enrobés dans du métal sont également considérés aussi comme dûs, en partie, à la haute capacité thermique du métal et à son aptitude à absorber la chaleur, en maintenant des températures d'affûtage plus basses. On voit d'après ce qui précède, que, dans la pratique courante de fabrication des outils au diamant, la partie abrasive est fabriquée en vue d'être adaptée au matériau particulier qui sera abrasé, par un choix particulier de la matrice, et de plus par un choix particulier de concentration de diamant et de dimension des particules. La présente invention a pour objet de créer une matrice perfectionnée pour les particules de diamant, pouvant être employée efficacement et économiquement pour un nombre d'applications plus grand que celui qui est possible avec les matrices d'usage courant. Un autre objet de l'invention est de créer un procédé de fabrication avantageux pour la partie abrasive de cet outil d'affûtage à diamants. En conséquence, l'invention concerne un outil dans lequel la partie abrasive est constituée par des particules de diamant (revêtues ou non par un métal) incorporées dans une matrice poreuse constituée par un métal fritté et maintenues dans la phase métallique, les pores de la matrice métallique étant remplis par une matière résineuse, la phase métallique formant un réseau continu et la phase résineuse formant un réseau continu ou sensiblement continu-dans toute la masse du corps. L'expression "matériau résineux" utilisée dans le présent brevet désigne un matériau polymère qui peut être introduit sous la forme liquide, à toute température et sous toute pression appropriées dans une masse métallique poreuse et qui se transforme en conséquence en une phase solide par durcissement ou cuisson. Des matériaux résineux appropriés sont formés par les polymures thermodurcissables tels que les résines époxy, les résines de polyméthane, les résines cyclo-aliphatiques ou les résines phénoliques liquides. Une résine thermoplastique tel que le nylon peut aussi être employée. Les résines epoxy ont été trouvées particulièrement convenables comme matériau résineux. La fabrication d'un outil à diamant ayant une partie abrasive conforme à la présente invention comprend les opérations essentielles suivantes : le frittage d'un mélange d'au moins une poudre métallique et de particules de diamant revêtus ou non de métal pour former une matrice ayant une porosité continue ; le contrôle de la croissance au cours du frittage pour assurer que les particules de diamant sont maintenues en phase métallique, puis infiltration dans la matrice d'un matériau résineux sous forme liquide, le matériau remplissant très sensiblement les pores de la matrice métallique de sorte que la phase métallique est continue et que la phase résineuse est continue ou sensiblement continue dans toute la masse. Le métal employé pour la matrice peut être un élément unique ou bien deux ou plusieurs éléments peuvent être alliés pendant l'opération de frittage. Pour les opérations d'affûtage, un alliage de cuivre et d'étain a donné satisfaction pour constituer la matrice poreuse. La qualité essentielle exigée de la matrice est que, d'une part, elle maintienne solidement les particules de diamant et d'autre part qu'elle soit suffisamment poreuse pour être imprégnée par le matériau résineux sous forme liquide. La capacité de retenue du diamant est inde fonction de la croissance ou contraction du métal pendant l'opération de frittage. La croissance devrait être aussi faible que possible, inférieure à 2 % lorsque l'on emploie un diamant déjà revêtu d'un métal, et nulle avec un diamant non revêtu. La contraction est un problème moins important pourvu que la porosité ait été réalisée, la contraction étant avantageuse quand on emploie un diamant non revêtu. L'alliage cuivrelétain signalé plus haut donne toute satisfaction de ce point de vue, le contrôle de sa croissance ayant permis de la maintenir au dessous de 1 t. A titre d'exemples, on a décrit ci-après diverses compositions et procédés pour former la partie abrasive A d'une roue en forme de coupe évasée, d'un diamètre de 90 mm, représentée au dessin annexé. Exemple 1 - Poudres de cuivre et d'étain Granulométrie: depuis 300 mail les jusqu'à une poudre - Diamant revêtu de métal Granulométrie : 150-mailles (nominalement 45 t en poids de diamant) La résine epoxy et un produit de remplissage sont employés comme matériaux de départ, 10,4 grammes de poudre d'étain 15,6 g de poudre de cuivre, 1,7 g de diamant revêtu, avec une certaine proportion de cire pour ajouter de la résistance avant cuisson (conformément à la technique normale de la métallurgie des poudres) sont bien mélangés et rendus compacts à froid sous une pression de 2240 kg par cm2 pour recevoir la forme de la partie abrasive de l'outil imprégnée de diamant. Dans l'exemple cette forme est un anneau. Le produit comprimé à froid est monté sur un gabarit pour conserver sa forme et chauffé dans un four dans une atmosphère d'hydrogène, la température dans ce cas particulier suivant un cycle d'après lequel il est chauffé pendant une heure à 2300 C puis pendant une autre heure à 4300 C.0n le laisse refroidir dans une atmosphère protectrice, de l'azote par exemple et, lorsqu'il est froid, est prêt pour l'imprégnation par la résine. Cette imprégnation se fait par un traitement dans le vide mais un procédé tel qu'une infiltration centrifuge ou une injection par pompe foulante peut être utilisé. L'essentiel est de forcer le matériau résineux liquide dans les pores de la structure métallique. Des exemples d'autres compositions de la structure poreuse frittée composée de métal et de particules de-diamant sont donnés ci-après, tous étant donnés pour une meule en forme de coupe évasée, d'un diamètre de 90 mm, comme représenté au dessin. Exemple 2 Les éléments suivants furent entièrement mélangés - Diamant revêtu de métal (nominalement 45 % en poids de diamant) 4,69 g - Poudre fine de cuivre 17,18 g - Poudre fine d'étain 4,29 g Le mélange fut comprimé dans un moule sous une pression de 1350 Kg par cm2 puis chauffé dans un four pendant une heure à une température constante de 2300 C et pendant une autre heure à une température progressivement élevée jusqu'à 4200 C. Après ce traitement, l'aggloméré obtenu avait une porosité de 38 % en volume. Exemple 3 Les éléments suivants furent entièrement mélangés - Diamant revêtu de métal (nominalement 45 t en poids de diamant) 4,69 g - Poudre fine de cuivre 16,9 g - Poudre fine d'étain 7,24 g Le mélange fut comprimé sous 1600 kg par cm2, puis chauffé dans un four comme dans l'exemple 2. Après ce traitement, l'aggloméré obtenu avait une porosité de 30 t en volume. Exemple 4 Les éléments suivants furent entièrement mélangés - Diamant revêtu de métal (nominalement 45 % en poids de diamant) 4,69 g - Poudre fine de cuivre 16,42 g - Poudre fine d'étain 8,84 g Le mélange fut comprimé sous 1900 kg par cm2 puis chauffé dans un four comme dans 1' exemple 2. Apres ce traitement, l'aggloméré obtenu avait une porosité de 30 5 en volume. Exemple 5 Les éléments suivants furent entièrement mélangés - Diamant revêtu de métal (nominalement 45 t en poids de diamant) 4,69-g - Poudre fine de cuivre 14,82 g - Fil de cuivre, d'environ 3,2 mm de longueur de fibre et 0,05 mm de diamètre 0,78 - Poudre d'étain 10,40 Le mélange fut comprimé sous une pression de 2.240 kg par cm2 et chauffé dans un four comme dans l'exemple 2. L'aggloméré obtenu après ce traitement avait une porosité de 26 t en volume. Exemple 6 Les éléments suivants furent entièrement mélangés - Diamant enrobé dans du métal (nominalement 45 t en poids de diamant) 4,69 g - Poudre fine de cobalt 18,98 g - Agglomérant de cire. Le mélange fut comprimé sous une pression de 2.475 kg par cm2 puis traité au four pendant une heure, la température étant maintenue à 600 C. L'aggloméré obtenu avait une porosité de 48 % en volume. L'aggloméré formé suivant un des exemples 2 à 6 reçoit la forme voulue pendant la période de compression et cette forme est conservée pendant le séjour dans le four. L'aggloméré se refroidit ensuite dans une atmosphère contrôlée, par exemple de l'azote. Dans l'aggloméré résultant, les particules de diamant revêtues de métal sont maintenues bloquées dans une phase métallique, formant un réseau continu, de la matrice. En général, la matrice doit avoir une porosité spécifique comprise entre 10 % et 50 t. Le matériau résineux est alors infiltré pour occuper les vides dans l'aggloméré poreux. Après l'infiltration, la phase résineuse forme un réseau continu ou sensiblement continu dans toute la masse. Les seuls vides qui restent non remplis sont ceux qui ont été fermés et, en employant les compositions décrites dans les exemples, ces vides fermés seront très rares. On obtient une structure particulièrement avantageuse si l'on emploie le même matériau résineux déjà utilisé pour l'infiltration de la structure métallique poreuse de la partie abrasive de l'outil également pour le support de l'outil, c'està-dire le corps principal de l'outil sur lequel la partie abrasive est supportée ou montée. Dans cette construction, la phase résine sera continue dans la jonction entre la partie abrasive et le support. Ce support est convenablement formé en coulant le matériau résineux sur la partie abrasive dans un moule selon les techniques classiques de moulage de la résine et de préférence avant la solidification ou la gélification du matériau résineux infiltré. I1 peut être nécessaire d'abraser d'abord par frottement la surface de l'aggloméré dans la région où doit se former la jonction avec le support de façon à faire disparaître la formation de peaux provoquée par l'opération de frittage, ces peaux pouvant provoquer des pertes de porosité à l'extérieur. Un produit de remplissage approprié, tel que la poudre d'aluminium peut être incorporé dans le matériau résineux utilisé pour ce support. Ce produit de remplissage augmentera la résistance mécanique du support et peut réduire dans le support le gradient thermique qui serait occasionné dans des conditions de meulage difficiles. Dans ces conditions, il est important de s'assurer que la température, aux points de meulage, c'est-à- dire sur les pointes d particules de diamant qui attaquent la pièce à usiner, n'atteignent pas le niveau - environ 10000 C auquel le diamant se dégrade. A cette occasion, il est bon de noter que, bien que le diamant soit bon conducteur, la phase métallique continue de l'enrobage des diamants, conforme à l'invention, agit comme un absorbant de la chaleur. Un autre procédé pour empêcher l'élévation de la température sur la face d'affûtage est d'incorporer un tamis métal lique, un tamis en aluminium par exemple, noyé dans le matériau résineux du support, de préférence dans la région voisine de la jonction avec la partie abrasive et, dans le cas de la coupe évasée représentée dans la figure, ce tamis s'étendra sur 10 mm environ à l'intériéur de la coupe à partir de la jonction. En addition au produit de remplissage et/ou au tamis métallique incorporé dans le support qui viennent d'être décrits, un autre renforcement de la structure peut être obtenu en incorporant dans le matériau résineux employé dans le support, des fibres de carbone, de verre ou de métal. En outre, des fils ou des fibres de métal ou de carbone peuvent aussi être incorporés dans la matrice qui porte le diamant pour des raisons de renforcement. Dans 11 exemple 5 qui précède, de petits fils de cuivre sont incorporés, et, suivant une variante possible, dans cet exemple 5, le cuivre pourrait être remplacé par des fibres de carbone. Des outils au diamant ayant des parties abrasives conò mes à l'invention ont été reconnus comme possédant d'excellentes propriétés d'abrasion dans leur emploi pour l'usinage d'une gamme étendue de matériaux, comprenant des carbures cémentés très durs et assurent une utilisation efficace et économique du diamant qu'ils contiennent. La partie abrasive possède une-force de structure adéquate pour être employée sans réfrigérant dans des conditions de meulage extrêmement difficiles. L'invention permet de réaliser des économies à la fois dans la fabrication et dans l'utilisation des outils abrasifs. REVENDICATIONS 1.- Outil contenant du diamant et dont la partie abrasive se compose de particules de diamant enrobées dans une matrice poreuse faite d'un métal fritté et maintenues dans la phase métallique, une matière à base de résine étant infiltrée dans la matrice métallique, la phase métallique formant un réseau continu et la phase résine formant un réseau continu ou sensiblement continu dans toute la masse de la partie abrasive. 2.- Outil au diamant suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que les particules de diamant sont revêtues de métal. 3.- Outil au diamant suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que la matrice faite d'un métal fritté est réalisée en un alliage de cuivre et d'étain. 4.- Outil au diamant suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que la matrice faite d'un métal fritté a une porosité spécifique comprise entre 10 t et 50 %. 5.- Outil au diamant suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que la matrice métallique est renforcée par des fibres métalliques. -6. - Outil au diamant suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que la matrice métallique est renforcée par des fibres de carbone. 7.- Outil au diamant suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que la partie abrasive est montée sur un support formé de la matière résineuse employée pour l'imprégnation de la partie abrasive, la construction étant telle que la phase résine est continue dans la jonction entre la partie abrasive et le support. 8.- Outil au diamant suivant la revendication 7, caractérisé par le fait qu'un remplissage métallique est incorporé dans le matériau résineux formant le support. 9.- Outil au diamant suivant la revendication 7, caractérisé par le fait qu'un tamis métallique est noyé dans le support au moins dans la région voisine de la jonction avec la partie abrasive. 10.- Procédé de fabrication de la partie abrasive d'un outil au diamant consistant à fritter un mélange d'au moins une poudre métallique et des particules de diamant pour former une matrice ayant une porosité continue, à contrôler la croissance pendant l'opération de frittage pour garantir que les particules de diamant sont maintenues dans la phase métallique, puis à infiltrer dans la matrice une matière résineuse sous forme liquide, cette matière remplissant très sensiblement les pores de la matrice métallique, de sorte que la phase métallique forme un réseau continu et que la phase résineuse forme un réseau très sensiblement continu dans toute la masse de la partie abrasive. 11.- Procédé suivant la revendication 10, caractérisé par le fait que le mélange de poudres métalliques et de particules de diamant est comprimé à froid pour être mis en forme avant l'opération de frittage. 12.- Procédé suivant la revendication 10, caractérisé par le fait qu'avant l'imprégnation, le corps fritté est refroidi dans une atmosphère protectrice formée par un gaz inérte. 13.- Procédé suivant la revendication 10, caractérisé par le fait que l'imprégnation de la matière résineuse est effectuée par le procédé de moulage par le vide. 14.- Procédé suivant la revendication 10, caractérisé par le fait que la matière résineuse est de la résine epoxy. 15.- Procédé suivant la revendication 10, caractérisé par le fait que des fibres de carbone sont mélangées avec la poudre métallique avant l'opération de frittage. 16.- Procédé suivant la revendication 10, caractérisé par le fait que l'on moule ensuite un support sur l'aggloméré fritté et imprégné, ce support se composant de la même matière résineuse que celle employée pour imprégner le mélange fritté. 17.- Procédé suivant la revendication 16, caractérisé par le fait que l'on commence par abraser le mélange aggloméré dans la région dans laquelle sera formée la jonction avec le support. 18.- Procédé suivant la revendication 16, caractérisé par le fait que le produit de remplissage métallique est incorporé dans la matière résineuse employée pour former le support. 19.- Procédé suivant la revendication 16, caractérisé par le fait qutil consiste à couler la résine employée pour former le support autour d'un tamis métallique de sorte que ce tamis reste noyé dans le support dans la région voisine de la jonction avec la partie abrasive. 20.--Procédé suivant la revendication 16, caractérisé par le fait que des fibres de l'une au moins des sub comprenant le verre, le carbone ou un métal sont incorporés dans le support.