Brevet FR2133595A1 — publié le 19721201

L'invention est relative à la fabrication d'abrasifs à base d'oxydes à grosseur de cristaux définie à partir de la masse fondue de ces abrasifs. Les abrasifs a base d'oxydes, tels que le corin-5 don fondu, sont habituellement laissés dans le four de fusion pour se solidifier en des blocs et les blocs solidifiés sont amenés à la grosseur de grains abrasifs désirée selon des méthodes de fragmentation classiques. Les grains abrasifs ainsi obtenus sont de structure cristalline grossière et même, le plus sou-10 vent, des cristaux individuels ou des fragments de ces cristaux. Transformés en meules, ils éclatent sous l'effet des contraintes de choc ou de pression et sont à l'origine d'une forte usure des meules. Par un moulage de la masse fondue dans des 15 chariots de coulée (par exemple suivant le brevet des E.U.A. H° 2.426.643) ou dans de petits moules en graphite ou en acier (Demande de brevet déposée en R.F.A. et mise à l'inspection publique sous BAS H° 1.205.882, brevet britannique I«° 993.894), on arrive bien à obtenir des abrasifs possédant, comparativement à 20 un matériau solidifié en bloc, une structure cristalline plus fine et de meilleures propriétés abrasives j il n'est cependant pas possible de commander avec plus de précision la grosseur des cristaux. Un autre inconvénient de ce procédé réside dans les faibles quantités coulées, ainsi-que dans les différences très 25 sensibles de la structure cristalline entre le milieu et le bord de la pièce moulée. Pour y remédier, il a été proposé déjà, par exemple suivant la demande de brevet déposée en R.F.A. et mise à l'inspection publique sous DAS K° 1.259.762, de refroidir la 30 masse fondue en couche mince entre deux cylindres refroidis-seurs. Ce procédé exige des frais de premier investissement élevés et n'autorise qu'une vitesse de coulée réduite, qui ne peut être d'ailleurs que difficilement maintenue en raison de la haute température de la masse fondue et des pertes p'ar rayonne-35 ment qui en résultent. La capacité de production dans l'unité de temps est en outre très faible. Dans la demande de brevet déposée en R.F.A. et publiée sous DOS N° 1.918.759, il est proposé de déverser la masse fondue sur des saumons de même composition qu'elle et 40 de grosseur comprise entre 6,3 et 609,6 mm. Pour un rapport 72 11239 2 2133595 pondéral de 0,35 à 2,0 entre les saumons et la masse fondue, on obtiendrait ainsi des grains de grosseur moyenne inférieure à 100 microns. Ce procédé conduit à une solidification relativement rapide de la masse fondue et permet aussi de traiter des 5 coulées de poids plus important ; la grosseur des cristaux de la masse fondue solidifiée varie par contre sur une bande étendue au-dessus et au-dessous de la grosseur moyenne, qui est définie par la moyenne arithmétique de la grosseur des cristaux présents. Cette large bande de dispersion de la grosseur des 10 cristaux est désavantageuse, car elle abaisse le rendement en grain exploitable, lequel n'atteint pas lui-même l'action d'abrasion favorable d'un grain cristallin fin à bande de dispersion étroite et sans orientation préférentielle marquée de la cristallisation. La production d'un abrasif à grosseur de 15 cristaux définie, c'est-à-dire avec une faible proportion de grains plus petits et plus gros, n'est pas possible, non plus, par ce procédé. ' La présente invention élimine tous les inconvé nients sus-mentionnés et permet de fabriquer des abrasifs à base 20 d'oxydes, dont la structure cristalline peut être déterminée d'avance. Elle consiste à couler un abrasif fondu sur des pièces de forme métalliques, la coulée pouvant porter même sur de grandes quantités. D'excellents résultats ont été obtenus avec, comme pièces de forme métalliques, des billes, des tronçons de 25 barres rondes ou profilées, des dés à .arêtes arrondies, etc. Le procédé de l'invention est décrit ci-après en référence à la coulée sur des billes en fer, mais seulement pour faciliter la compréhension et aucunement de façon limitative. Dans un four à arc électrique basculant ou à 30 trou de coulée, on fait fondre la charge, formée de préférence de bauxite, d'alumine Bayer, de corindon normal, d'oxyde de zirconium, de sable de zircone, seuls ou en combinaison, avec ou sans addition de coke, de copeaux de fonte, d'oxyde de magnésium, d'oxyde de titane, de stabilisants etc., jusqu'à l'achèvement des 35 réactions chimiques qui s'y déroulent. L'abrasif en fusion est alors déversé rapidement dans une poche de coulée en acier moulé emplie de billes de fer. Dans toute la poche de coulée, la masse fondue comble entièrement les intervalles entre les billes et se solidifie en un temps extrêmement court. Par suite 40 de la structure géométrique de la charge de billes contenue dans 72 11239 2133595 la poche de coulée, il se forme des corps d'abrasif sphériques avec de très faibles tolérances dans la grosseur des cristaux. Après refroidissement5 on fait basculer la poche de coulée} on en concasse la charge et l'on extrait les billes au moyen d'un 5 séparateur magnétique. Pour des pièces métalliques non ferromagnétiques, la séparation est effectuée sur un caillebotis. Après un concassage préalable, les corps sphériques d'abrasif sont soumis à une fragmentation par chocs classique et l'on obtient ainsi un grain abrasif compact, avec un rendement extrêmement 10 élevé pouvant atteindre 75 % dans les fractions granulométriques 6 à 20 suivant la norme FEPA. Les grosseurs maximales de cristaux obtenues sont au plus de vingt fois supérieures aux cristaux les plus petits.. Le rapport de grosseur ne dépasse généralement pas 1 : 10, tandis qu'il est supérieur à 1 : 50 15 avec- les procédés connus jusqu'à présent. Les exemples ci-après sont destinés à illustrer le processus de fabrication décrit : Exemple A Dans un four à arc à courant triphasé, on a 20 fait fondre 1150 kg de déchets de corindon normal avec 350 kg de zircone -, les électrodes ont été retirées après achèvement de l'opération de fusion et de la réaction. La masse fondue a été alors déversée rapidement dans une poche de coulée en acier de 800 litres, emplie de billes de fer" de 30-mm.jusqu'à 50 mm 25 au-dessous de son bord. Après le refroidissement, on a fait culbuter la poche pour la vider et on a brisé le bloc d'un seul coup au moyen d'un mouton. Les billes ont.été extraites de l'abrasif sur un séparateur.magnétique et l'abrasif a été amené par une fragmentation à chocs à la granulométrie exigée de 6 3 30 20 suivant la norme FEPA. On a obtenu 68 % de l'abrasif brut mis en oeuvre, sous la forme d'un grain compact de la grosseur désirée. La grosseur des cristaux d'alumine alpha dans le grain d'abrasif était comprise entre .3 et 28 microns, c'est-à-dire dans une bande de grosseur étroite qui n'avait pas été atteinte 35 jusqu'à présent. Le rapport entre la grosseur minimale et la grosseur maximale des cristaux était par conséquent.inférieur a 1 : 10. ... ■ Exemple D Dans un four de fusion de type usuel (voir par 40 exemple le brevet des E.U.A. N° 2.426.643) on a fait fondre 72 11239 4 2133595 1000 kg de bauxite, additionnés de 40 kg de coke et de 20 kg de' copeaux de fonte. La masse fondue résultante a été amenée à des poches de coulée par une goulotte intermédiaire garnie de graphite. Pour démontrer la bonne faculté de conduite du procédé selon 5 l'invention, on a placé sur un chariot de coulée deux poches de coulée en acier de 200 litres, emplies jusqu'au-dessous de leur bord, par simple déversement, la première de tronçons de barres d'acier rondes de 2 0 mm, la seconde de tronçons de billettes de 100 mm. Les deux poches ont été chargées de masse 10 fondue par une progression continue lente au moyen de la goulotte, et le traitement a été poursuivi après le refroidissement comme dans l'exemple A. Par la coulée sur les tronçons de barres d'acier rondes de 20 mm, on a obtenu 72 % de grains abrasifs 6-20 selon la norme FEPA avec une grosseur de 1,5 à 17 microns des cristaux 15 d'alumine alpha et, par la coulée sur les tronçons de billettes de 100 mm, on a obtenu 67 % de grains abrasifs 6-20 selon la norme FEPA avec des cristaux d'alumine alpha de grosseur comprise 'entre 27 et 110 microns. Le rapport entre les grosseurs de cristaux était de l'ordre de 1 : 11,4 avec les tronçons de 20 barres d'acier rondes de"20 mm et de l'ordre de 1 : 4,08 avec les tronçons de billettes de 100 mm. Exemple C Comme dans l'exemple A, on a fait fondre dans un four à arc 1200 kg d'alumine bayer avec 8 00 kg de zircone et 25 20 kg d'oxyde de titane ; la masse fondue a été déversée dans deux poches de coulée en acier de 250 litres de volume unitaire, jusqu'à ce que celles-ci soient à moitié pleines. Dans une troisième poche de 250 litres on a coulé une couche de masse fondue d'environ 3 cm d'épaisseur. On a laissé dans le four une 3 0 petite quantité de masse fondue pour faciliter le démarrage. Dans la première poche on a déversé alors en succession rapide, au moyen d'un couloir en tôle, des-billes de fer de 30 mm et dans la deuxième poche des billes en fer de 60 mm, de façon à emplir les deux poches jusqu'au bord. Dans 35 les deux cas, le niveau de la masse fondue s'est élevé jusqu'un peu au-dessous du bord des poches et la maSse s'est solidifiée instantanément. Le traitement des blocs a été poursuivi comme dans l'exemple A et l'on a obtenu, pour les billes de 3 0 mm, 74 % de grains cubiques compacts, correspondant aux granulométries 40 6 à 20 de la norme FEPA, qui possédaient une grosseur de cristaux 72 11239 5 2133595 mixtes de dissociation eutectoide de 6 à 24 microns. Avec les billes de 60 mm, on a obtenu 69 % de grains compacts correspondant aux granulométries 6 à 20 de la norme FEPA, qui possédaient une grosseur de cristaux mixtes de dissociation eutectoide 5 de 12 à 38 microns. La coulée en plaque a donné seulement 48 % de grain exploitable correspondant aux granulométries 6 à 20 de la norme FEPA, avec des cristaux mixtes dissociés de 10 S plus de 800 microns sous la forme d'agglomérats pennés. Les rapports de grosseur des cristaux étaient respectivement de 10 1 : 4 et 1 : 3,17 alors que ce rapport était de 1 : 30 pour la coulée en plaque. La composition de cet abrasif est approximativement eutectique, de sorte que les cristaux individuels sont extrêmement petits (jusqu'à 1 micron). A une température plus 15 élevée, un cristal mixte d'alumine et de zircone est toutefois stable, se dissocie eutectoidement en se refroidissant, mais conserve sa forme extérieure cubique. La grosseur de ces cristaux quasi-cubiques est déterminante pour la qualité des grains abrasifs. Pour cette raison, on l'a exploitée pour la détermina-20 tion microscopique, en coupe polie, de la grosseur des cristaux. Il en est de même des cristaux octaédriques des abrasifs de spinel-le de corindon, par exemple de spinelle MgO-AlgOg dans une matrice A^O^-ZrC^, qui se dissocient pareillement de façon eutectoide lors du refroidissement de" la masse fondue. 25 Exemple D Comme dans l'exemple A, on a fait fondre dans un four à arc 800 kg de corindon normal, 8 00 kg de zircone et 240 kg de magnesite avec 15 kg d'oxyde de cérite (un mélange d'oxydes des terres rares correspondant à leur répartition dans les gise-30 ments naturels) comme stabilisant ; la masse a été maintenue en température jusqu'à la fin des réactions. La masse en fusion a été coulée ensuite dans quatre moules, placés sur un chariot de coulée comme dans l'exemple B, savoir : a) dans une poche de coulée de 25C litres, une 35 couche de 3 cm d'épaisseur, b) dans une poche de coulée de 250 litres, contenant des saumons de même nature de 1 à 5 cm de grosseur (DOS N° 1.918.759), c) dans une poche de coulée de 250 litres, emplie 40 de billes en fer de 3 cm, 72 11239 6 2133595 d) dans une poche de coulée de 250 litres, emplie de billes en fer de 6 cm. Après séparation des billes en fer de c) et d), on a soumis les quatre échantillons à un concassagë préalable dans 5 un broyeur à mâchoires puis à la fragmentation classique par chocs ; les fractions 6 à 20 selon la norme FEPA ont été séparées par tamisage et l'on a examiné une moyenne des grains abrasifs en ce qui concerne la grosseur de leurs cristaux. Les résultats de ces mesures sont donnés par le tableau 1. 10 Tableau 1 Echantillon rendement en % des fractions selon FEPA 15 6 à 20 a) 45 grosseurs des cristaux mixtes octaédriques de dissociation eutectoide et de leur forme répartie, en cristaux orientés / pennés, de 12 à 670 microns, rapport 20 1 : 55,8 b) 64 'cristaux pennés orientés et partiellement répartis irrégulièrement de 8 à 530 microns, rapport 1 : 66,3 c) 73 cristaux irrégulièrement répartis de 4 25 à 38 microns, rapport 1 : 9,5 d) 71 cristaux irrégulièrement répartis de 8 à 84 microns, rapport 1 : 10,5 La structure pennée (a + b) donne un grain abrasif esquilleux indésirable, qui se brise au cours de la 30 fragmentation par chocs et donne lieu à des déclassés inférieurs, ce qui entraîne une diminution- notable du rendement en grain exploitable de 6 à 20 selon la norme FEPA. En raison de la répartition irrégulière des cristaux (c + d) on obtient avec un rendement très élevé des grains abrasifs extrêmement compacts. 35 Pour illustrer clairement la supériorité du procédé selon l'invention, on a soumis les grains abrasifs obtenus de la fraction séparée par tamisage suivant FEPA 14 des exemples A a D ci-dessus à un test FEPA modifié et on a comparé les valeurs à celles des grains de même composition fabriqués 40 par des procédés déjà connus. La méthode par broyeur à boulets pour la détermination de la ténacité d'un grain abrasif indivi 72 11239 7 2133595 duel, appliquée par le comité technique de recherches du collectif de recherches ''Meules'" de l'Association des Fabricants allemands d'abrasifs (Forschungsgemeinschaft Schleifscheiben im Verein Deutscher Schleifmittelwerke e.V), technischer Forschungs-5 ausschuss (Juin 1962), a dû être modifiée pour l'essai des grains abrasifs conformes à l'invention par le montage de trois barres de levage décalées de 12 0° sur toute la longueur du broyeur ù boulets, étant donné qu'en raison de la ténacité élevée inconnue jusqu'à présent des grains abrasifs obtenus, 10 les billes en acier au chrome utilisées dans le procédé normalisé ont été recouvertes d'une couche d'abrasif pulvérulent et que la dissociation de 1/3 des grains n'avait pas été atteinte encore au bout de 20.000 tours. Par le procédé modifié, on évite cet inconvénient et l'on obtient des valeurs comparables pour des 15 nombres de tours acceptables. Ces valeurs sont rassemblées dans le tableau 2. Tableau 2 Ténacité des grains abrasifs = nombre de tourspour une dissociation de 1/3 des grains. 20 Procédés connus Proeédé selon 1'invention Coulée en plaques Coulée sur de 3 cm saumons suivant DOS 1.918.759 - Coulée sur pièces de forme métalliques 25 Exemple A 4700 Exemple B 1700 Exemple C 5100 Exemple D 2 250 7950 21 00 8100 2800 8800 2400 9050 3100 72 11239 8 2133595 REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'un abrasif à base d'oxydes, à grosseur de cristaux définie, caractérisé en ce que l'abrasif en fusion est refroidi rapidement par des pièces de 5 forme métalliques. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'abrasif à base d'oxydes en fusion est déversé sur les pièces de forme métalliques. 3. Procédé suivant la revendication 1, caracté 10 risé en ce que les pièces de forme métalliques sont additionnées à la masse fondue, coulée mais encore liquide, de l'abrasif à base d'oxydes. 4. Procédé suivant la revendication 1, caracté risé en ce que des pièces de forme métalliques sont introduites 15 dans la poche de coulée sn même temps que la masse en fusion y est déversée. 5. Abrasif fondu suivant l'une quelconque des revendications 1, 2, 3 et 4, caractérisé en ce que la grosseur maximale des cristaux n'est pas supérieure à 20 fois leur gros- 20 seur minimale. 6. Abrasif à base d'oxydes fondu suivant l'une quelconque des revendications 1, 2, 3 et 4, caractérisé en ce que la grosseur maximale des cristaux n'est pas supérieure à 10 fois leur grosseur minimale. 25 7. Procédé suivant l'une quelconque des reven dications 1 à 4, caractérisé en ce que les pièces de forme métalliques utilisées sont des billes, des tronçons de barres rondes ou profilées ou des dés à arêtes arrondies. 8. Procédé suivant la revendication 7, caracté 30 risé en ce que les pièces de forme utilisées sont de même forme géométrique et de même grosseur. 9. Procédé suivant la revendication?, caracté risé en ce que les pièces de forme utilisées sont de même forme géométrique. 35 -10. Procédé suivant la revendication 7, caractérisé par l'utilisation de pièces de forme métalliques ferro-magnétiques. 11. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que l'abrasif est de 40 l'él rtro-corindon (A^Og). 72 11239 9 2133595 12. Procédé suivant l'une quelconque des reven dications 1 à 10, caractérisé en ce que l'abrasif est du corindon zirconium (oxyde d'aluminium - oxyde de zirconium). 13. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que l'abrasif utilisé est le système oxyde de magnésium - oxyde d'aluminium - oxyde de zirconium. 14. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'après fragmentation du bloc par chocs, les pièces de forme métalliques sont séparées de la masse fondue solidifiée par voie magnétique ou sur un caillebotis. 15. Procédé suivant l'une quelconque des reven dications 1 à 10 et 14, caractérisé en ce qu'après avoir été concassé l'abrasif séparé est amené à la grosseur de grains désirée par une fragmentation par chocs. 16. ileules formées d'un abrasif à base d'oxydes fondu, caractérisées en ce que le grain abrasif est fabriqué suivant les revendications 1,14 et 15.