Brevet FR2173659A1 — publié le 19731012

La présente invention concerne la fabrication d'outils-åbrasifs, et plus précisément des liants céramiques pour outils abrasifs. L'invention peut être appliquée avec le maximum d'efficacité à la fabrication d'outils abrasifs en corindon synthétique, nitrure de bore cubique et diamant. Les outils abrasifs fabriqués à base du liant céramique selon l'invention peuvent trouvet;de-larges applications dans les constructions mécaniques modernes pour l'usinage de pièces et organes vitaux affectés aux fins les plus variées: ailettes des moteurs à réaction, aubes des turbines hydrauliques, barres en rubis des lasers, vilebrequins et arbres de distribution des automobiles et des tracteurs, hélices de navires, éléments de paliers, roues dentées, axes et guides des machines-outils, jauges et étalons. Lesdits outilsabrasifs peuvent être utilisés dans toutes les opérations de meulage, de rectification et d'ajustage. On a déjà proposé des liants céramiques pour les outils abrasifs base de verre borosilicaté, comportant différents minéralisateurs. (voir le certificat d'auteur de 1'U.R.S.S. nO 218 699 du 16.5.1968). Dans les liants connus le verre borosilicaté est utilisé en association avec des minéralisateurs tels que l'a-spodumène et une argile réfractaire, le verre borosilicaté étant d'ailleurs mélangé préalablement par fusion avec l'a-spodumène dans les proportions suivantes, en % en poids : verre borosilicaté - 60 à 40, a-spodumène-40 à 60. Le produit résultant du mélange par fusion, c'est-à-dire une fritte contenant du lithium, est mis sous forme de granulés dans liteau, séché, broyé et, à raison de 25% en poids au-moins, est ajouté à une argile réfractaire utlAisée à raison de 75% en poids au plus. La charge ainsi obtenue est intimement mélangée pour être utilisée comme liant céramique dans la fabrication des outils abrasifs fabriqués à partir de nitrure de bore à texture cubique uniquement. Les inconvénients de ces liants résident dans la complexité de leur composition et dans la nécessité de recourir à un frittage à des températures élevées (de l'ordre de 1400 à 1450 C) d'une certaine partie des constituants de la charge, ce frittage étant une opération technologique complexe et coûteuse, nécessitant des locaux spéciaux et un matériel approprié (fours de cuisson, dispositifs de malaxage et de ventilatin,tgranulateurs). L'aptitude insuffisante des liants céramiques connus à se prêter à la fabrication, leur faible pouvoir mouillant et leur caractère réfractaire accru dû à la présence dans leur composition d'un argile réfractaire en proportions élevées, font que lesdits liants ne peuvent être considérés comme des liants polyvalents pour la fabrication d'outils abrasifs à partir de matériaux abrasifs différents. L'utilisation dans les liants céramiques du verre borosilicaté en association avec de différents fondants et mineralisateurs est connue. Voir par exemple : Lyubomudrov V.N., Vasilev N.N., Falkovski B.I. "Outils abrasifs et leur fabrication "Machguiz, Moscou 1953; Voronov S.G. "Accroissement de la vitesse de travail des meules", périodique "Abrasifs" NIIMACH, Moscou, n05, 1952, Ivachinnikov V.T. "Sélection des caractéristiques des meules pour diverses opérations de meulage", Yuzhno - Uralskoe knizhnoe izdatelstvo, Chelyabinsk, 1966. En tant que fondants on utilise le feldspath et comme minéralisateurs on emploie une argile réfractaire et un talc. Ainsi, par exemple, pour la fabrication d'outils abrasifs en corindon synthétique on utilise un liant constitué par les ingrédients suivants: verre borosilicaté.................. 40% en poids feldspath .......................... 20% en poids argile réfractaire 3070 en poids talc ........................... 107 -en poids La présence dans la composition du liant d'une quantité considérable de constituants réfractaires (argile réfractaire, talc) donne au liant un caractère réfractaire marqué (1140 à 11800C) et nécessite 1 frittage des outils abrasifs à une température non inférieure à 12700c. Au sein du produit fini,ce liant manque d'homogénéité et contient souvent des grains non fondus des constituants de départ, ce qui compromet considérablement la résistance mécanique des outils abrasifs. En outre, ledit liant présente un faible pouvoir mouillant par rapport à la surface du matériau abrasif: même à la température de 12500C l'angle-de mouillage du corindon synthétique reste supérieur à 55 . L'invention a pour but de supprimer les inconvénients précités. L'invention concerne donc un liant céramique pour outils abrasifs à base de verre borosilicaté contenant des fondants et des minéralisateurs, qui, tout en se prêtant bien à la fabrication, possède à la fois un caractère réfractaire peu marqué,une fluidité accrue, un haut pouvoir mouillant et une forte réactivité et qui permet d'obtenir des outils abrasifs offrant de bonnes propriétés mécaniques et caractéristiques d'utilisation. Le problème ainsi posé est résolu à l'aide d'un liant céramique pour outils abrasifs à base de verre borosilicaté, comportant des fondants et des minérisateurs, qui, selon l'invention, contient 40 à 75% en poids de verre borosilicaté, de la cryolithe en tant que fondant à raison de 5 à 15% en poids et, comme minéralisateurs, des minéraux contenant du lithium à raison de 20 à 55% en poids. On sait que le verre borosilicaté augmente la résistance mécanique des liants céramiques, améliore leur pouvoir mouillant et leurs aptitudes réactionnelles. La présence dans les liants de cryolithe, produit technique qui est une combinaison de sodium, d'aluminium et de fluor, diminue le caractère réfractaire des liants, provoque la formation d'une phase liquide à des températures peu élevées, augmente la fluidité et accrott la réactivité des liants. La présence dans les liants de minéraux contenant du lithium en association avec le verre borosilicaté, grace à l'affinité du lithium et du bore pour le matériau abrasif, augmente davantage la résistance mécanique des outils abrasifs. Par surcroit, les minéraux contenant du lithium, qui sont des minéralisateurs actifs, renforcent la phase vitreuse du liant au cours du frittage et donnent une structure céramique solide. La demanderesse a constaté que le liant céramique à base de verre borosilicaté, de cryolithe et de minéraux contenant le lithium doit contenir ces ingrédients dans les proportions suivantes, en % en poids; verre borosilicaté .................. 40 à 75 cryolithe ........................... 5 à 15 minéraux contenant du lithium . 20 à 55. Une teneur en cryolithe du liant inférieure à 5 % en poids n'exerce pas d'influence appréciable sur les propriétés du liant, alors qu'une teneur supérieure à 15% en poids se révèle inutile, étant donné qu'au cours du frittage pendant la fabrication des outils abrasifs la majeure partie de la cryolithe se décompose et s'échappe dans l'atmosphère sans entre assimilée par les autres éléments constitutifs du liant. Si la teneur du liant en minéraux contenant du lithium n'est pas supérieure à 20% en poids, on ne constate pas d'amélioration appréciable des caractéristiques du liant, alors que si cette teneur est supérieure à 55% en poids, on constate une détérioration des propriétés du liant, en raison de l'accroissement du caractère réfractaire et de la diminution de la fluidité et du pouvoir mouillant. La teneur en verre borosilicaté du liant en- question est limitée en fonction des proportions en ingrédients précités, engagés dans la synthèse. On peut dire en conclusion que le liant céramique ayant une composition selon l'invention, présente un caractère réfractaire peu marqué, une fluidité accrue, un haut pouvoir mouillant et une forte réactivité et permet d'obtenir des outils abrasifs offrant de bonnes propriétés mécaniques et caractéristiques d'utilisation. I1 y a intérêt à utiliser dans le liant objet de 11 invention un verre borosilicaté de composition donnée ci-après en 7. en poids oxyde de silicium SiO2 ............. 66,0 à 70,0 oxyde d'aluminium A1203 ............ 1,5 à 6,0 oxyde de bore B203 15,5 à 20,5 oxyde ferrique Fe203 1,0 au au plus oxyde de magnésium MgO.............. 0,5 à 2,0 oxyde de calcium CaO ............. 0,5 au plus oxyde de sodium Na2O............... 3,5 à 7,5 oxyde de potassium K20 ............. 1,0 à 3,2 Un verre borosilicaté de ce genre est caractérisé par une haute teneur en oxyde de bore et en oxydes de métaux alcalins, oxyde de sodium et oxyde de potassium) qui confèrent au liant un haut pouvoir mouillant par rapport à la surface des matériaux abrasifs, une résistance mécanique élevée et un faible coefficient de retrait de la phase vitreuse du liant, cette phase se formant au cours du frittage des outils abrasifs. Une solution intéressante du problème posé est obtenue dans le cas où le liant contient de la lépidolithe comme minéral contenant du lithium. La lépidolithe est un fluorosilicate mixte d'aluminium, de potassium et de lithium ayant pour formule KLi1,5 Al1,5 lAlSi3O10] (OH,F)2, avec une teneur théorique en oxyde de lithium atteignant 5,9% en poids. La présence de fluor et d'oxydes de métaux alcalins, surtout d'oxyde de lithium, assure au liant céramique un haut pouvoir mouillant et une réactivité élevée vis-h-vis des matériaux abrasifs. Pour atteindre les buts de l'invention, il est préférable d'incorporer dans le liant céramique proposé, en tant que minéral contenant du lithium, du ss-spodumène à raison de 35 à 55% en poids. On réserve l'appellation de spodumène à l'aluminosilicate de lithium LiAl [Si2O6] ayant une teneur théorique en oxyde de lithium égale à environ 8% en poids. Le spodumène est, de même que la lépidolithe, une matière première minérale assez répandue. Etant donné que dans le liant céramique selon l'invention on incorpore des minéraux contenant du lithium, dont la composition chimique peut varier de l'un à l'autre,tant en ce qui concerne le nombre des oxydes et composés présents dans la compositioA queleurs proportions respectives, il est avantageux, pour mener à bien le problème posé, que le liant céramique (contenant la lépidolithe en tant que minéralisateur) présente la composition chimique suivante, en en poids:: oxyde de silicium SiO2 47,3 à 64,5 oxyde d'aluminium Al2O3............. 8,4 à 15,4 oxyde de bore B203 ................ 7,2 à 14,4 oxyde ferrique Fe203 ................. 0,6 à 0,8 oxyde ferreux FeO ..................... 1,2 à 3,7 oxyde de magnésium MgO ................ 0,5 à 1,1 oxyde de calcium CaO................... 0,2 au plus oxyde de manganèse MnO ................ 0,5 à 0,7 oxyde de sodium Na2O .................. 2,1 à 10,9 oxyde de potassium K20 ................ 3,8 à 7,1 oxyde de lithium Li20 ................. 1,2 à 1,8 fluor F2 ................... 0,7 à 4,1 Dans le cas où le liant céramique contient en tant que minérisateur le -spodumène, il est préférable qu'il ait la composition chimique suivante, en en poids:: oxyde de silicium SiO2 ................ 51,9 à 60,0 oxyde d'aluminium A1203 ............ 15,2 à 24,7 oxyde de bore B203 0,9 à 9,2 oxyde ferrique Fe203 .................. 0,2 au plus oxyde ferreux FeO . 0,3 0 > 3 à 0,6 oxyde de magnésium MgO ................ 0,2 à 0,6 oxyde de calcium CaO .................. 0,1 au plus oxyde de sodium Na20 .................. 5,7 à 11,1 oxyde de potassium K20 . 0,3 à 1,4 oxyde de lithium Li20 ................. 2,8 à 5,4 fluor F2 .. --- 2,8 à 5,5 Le choix de la composition des liants céramiques.a été la plupart du temps motivé par le souci de fournir des outils abrasifs ayant une haute résistance à l'usure, une résistance mécanique accrue assurant un meulage rapide (à des vitesses dépassant 60 m/s), et différents degrés de dureté (allant des meules tendres aux meules extrêmement dures). La demanderesse a découvert que les outils de meulage fabriqués à partir d'un liant céramique selon l'invention ayant une teneur en verre borosilicaté plus faible et une teneur accrue en minéraux contenant du lithium, sont particulièrement indiqués pour le dégrossissage rapide. Les outils abrasifs à base de liants céramiques selon l'invention ayant des teneurs en verre borosilicaté et en minéraux contenant du lithium, voisines des teneurs moyennes, peuvent être utilisés avec le maximum d'efficacité pour le meulage fin et de précision, les vitesses de coupe s'élevant à 60 m/s et plus. Un liant céramique ayant une teneur accrue en verre borosilicaté et une teneur plus faible en minéraux contenant du lithium convient le mieux, en raison de son caractère réfractaire diminué, à la fabrication des outils abrasifs en diamant et en nitrure de bore à texture cubique. Les liants selon l'invention offrent des avantages considérables par rapport aux liants connus, ce qui est confirmé expérimentalement. + tSs exemples suivants illustrent l'invention, sans en limiter aucunement la portée. EXEMPLE 1 Afin de préparer le liant céramique selon l'invention pour outils abrasifs à base de verre borosilicaté, de cryolithe et de lépidolithe, il est nécessaire de déshydrater la lépidolithe par un procédé thermique connu, mis en oeuvre pendant 30 à 45 mn à une température de 850 à 9000 C. Pour réaliser la déshydratation de la lépidolithe, on peut utiliser des fours à chambre ou des fours horizontaux rotatifs, assurant au matériau la température et la durée de séjour nécessaires dans les zones du four. On réduit en poudre le matériau du liant, constitué par 55% en poids de verre borosilicaté, 5% en poids de cryolithe et 40% en poids de lépidolithe préalablement déshydratée, et on le fait passer à travers un tamis d'ouverture de mailles 0,063 mm. L'analyse chimique met en évidence la composition suivante du liant, en % en poids : 60,8 SiO2; 12,6 A1203; 10,2 B203; 0,7 Fe203; 1,8 FeO, 0,7 MgO; 0,6 NnO; 3,5 Na20; 4,9 K20; 1,4 Li2O; 2,8 F2. La résistance au feu du liant est de 820"C. L'angle de mouillage de la surface de corindon synthétique à 1250pu est de 13 à 17D et à 1000"C il est de 27 à 350. Le liant ainsi obtenu est mélangé avec une dextrine puis avec une matière abrasive, par exemple du corindon synthétique blanc, humidifié avec un verre soluble de composition suivante, en % en poids 29,7 SiO2; 11,8 Na20; 58,5 H20. Les produits constituant la charge pour la préparation de la masse abrasive, à partir de laquelle on obtient ultérieurement par moulage sous pression les outils abrasifs, sont utilisés dans les proportions suivantes, en partiesenpids: matière abrasive à grains d'une taille d'environ 400 /u 100,0 liant céramique selon l'invention 9,4 verre soluble 4,1 dextrine 2,0 le poids spécifique apparent de la masse abrasive est de 2,26 g/cm3. La composition de la masse abrasive peut varier suivant les caractéristiques requises des outils abrasifs. Pour améliorer l'aptitude au moulage de la masse abrasive, on peut éventuellement y incorporer une argile plastique (dans une proportion allant jusqu'à 20% en poids du poids total du liant). Les outils de meulage sont frittés dans un four à chambre selon le procédé connu, la température maximale étant de l2700C et la durée de maintien à cette température étant d'environ 2 h. La résistance mécanique des échantillons fratchement moulés est de 0,6 kg/cm2 (flexion), celle des échantillons séchés pendant 2 h à la température de 120"C est de 25,9 kg/cm (flexion) et celle des échantillons frittés est de 197,6 kg/cm (traction). La'résistance des meules entre les redressages (exprimée en nombre de pièces usinées) est de 3,6 fois supérieure pour les meules fabriquées à partir d'un liant céramique selon l'invention, en comparaison avec des meules à base de liants céramiques connus, le rendement du meulage ayant d'ailleurs doublé. EXEMPLE 2 Afin de préparer le liant céramique objet de l'invention pour outils abrasifs à base de verre borosilicaté, de cryolithe et de p-spodumène, il est nécessaire de convertir par un procédé thermique l'a-spodumène naturel en p-spodumène ayant une réactivité plus eletèv Cette opération est' réalisée par un procédé connu dans des fours à chambre, pendant 30 à 45 mn à une température de 950 à 1000 C. Le processus de conversion polymorphe du spodumène s'accompagne d'un accroissement de volume (de plus de 20%) et d'une fragmentation d'origine thermique considérable du spodumène naturel jusqu'à l'état pulvérulent.Ce dernier facteur réduit sensiblement les frais pour sa fragmentation et, en conséquence, réduit en partie les frais nécessaires à la réalisation du processus de conversion polymorphe de l'a-sEpodumène en 8-spodumène. En outre, le traitement thermique du spodumène (en l'occurrence il est souhaitable d'utiliser du spodumène en morceaux) permet d'enrichir en spodumène le minerai de spodumène, car la majeure partie de la gangue est par la suite éliminée par tamisage. Un liant céramique constitué par 35% en poids de verre borosilicaté, 15% en poids de cryolithe et 50% en poids de p-spodumène et dont la composition chimique est comme suit, en % en poids : 56,3 SiO2; 18,5 A1203, 6,4 B203; 0,1 fie203; 0,4 FeO; 0,5 MgO; 0,1 CaO; 8,7 Na2O; 1,0 K20; 3,6 Li20; 4,2 F2 est réduit en poudre, mélangé et tamisé à travers un tamis d'ouverture de mailles 0,063mm. La résistance au feu du liant est de 760"C, l'angle de mouillage de la surface du corindon synthétique à 1250"C est compris entre 10 et 14" et à 10000C il est compris entre 23 et 270. Le liant ainsi obtenu est mélangé avec une dextrine puis avec une matière abrasive, par exemple du corindon synthétique blanc, humidifié préalablement avec un verre soluble de composition suivante, en % en poids 29,7 SiO2; 11,8 Na2O; 58,5 H20. La masse abrasive pour la fabrication des outils abrasifs présente la composition suivante (de la charge), en parties en poids: matière abrasive à grains d'une taille d'à peu près 400/u 100,0 liant selon l'invention 9,4 verre soluble 4,1 dextrine 2,0 le poids spécifique apparent de la masse abrasive est de 2,26 g/cm . La composition de la charge pour la préparation de la masse abrasive peut parier suivant les caractéristiques requises des outils abrasifs à fabriquer. Les outils abrasifs sont frittés dans un four à chambre selon le procédé communément utilisé, la température maximale étant de 12700C et la durée de maintien à cette température étant d'environ 2h. La résistance mécanique des échantillons fratchement moulés est de 0,87 kg/cm (flexion); celle des échantillons séchés est de 22,2 kg/cm (flexion); 2 celle des échantillons frittés est de 216,9kg/cm2 (traction). La faible résistance au feu du liant (760* C) permet de ramener la température maximale de frittage des produits de 1270 à 10000C avec un abaissement peu important de la résistance des outils abrasifs ce qui représente un avantage économique pour une production en grande série d'outils abrasifs. La température indiquée du frittage des outils abrasifs permet d'employer le liant selon l'invention pour la fabrication d'outils en diamant et en nitrure de bore à texture cubique. Grace à la mise en oeuvre du liant céramique selon l'invention, la résistance mécanique des outils abrasifs, par rapport aux outils abrasifs connus, augmente de 1,4 fois, la résistance à l'usure augmente de 1,5 fois, la durée de service des outils de meulage augmente de presque 2 fois et la température de frittage baisse de plus de 2500C par rapport à celle des procédés en usage à l'heure actuelle pour fritter des outils de ce genre. La résistance des meules entre les redressages (exprimée par la quantité de pièces usinées) est de 4,0 fois supérieure pour les meules à base d'un liant selon l'invention, par comparaison avec des meules semblables à base de liants céramiques connus, le rendement du processus de meulage ayant d'ailleurs augmenté de plus de dieux fois. REVENDICATIONS 1. Liant céramique pour outils abrasifs à base de verre borosilicaté comportant des fondants et des minéralisateurs, caractérisé en ce qu'il contient 40 à 75% en poids de verre borosilicaté, de la cryolithe en tant que fondant à raison de 5 à 15% en poids, et en tant que minéralisateurs, des minéraux contenant du lithium à raison de 20 à 55% en poids. 2. Liant céramique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il contient un verre borosilicaté de composition chimique donnée ci-après, en an en poids oxyde de silicium SiO2 66,0 à 70,0 oxyde d'aluminium A1203 1,5 à 6,0 oxyde de bore B203 15,5 à 20,5 oxyde ferrique Fe203 1,0 au plus oxyde de magnésium MgO 0,5 à 2,0 oxyde de calcium CaO 0,5 au plus oxyde de sodium Na20 3,5 à 7,5 oxyde de potassium K20 ,0 à 3,2 3. Liant céramique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'en tant que minéral contenant du lithium.il contient de la lépidolithe. 4. Liant céramique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'en tant que minéral contenant du lithium,il contient du p-spodumène à raison de 35 à 55% en poids. 5. Liant céramique selon les revendications 2 et 3, caractérisé en ce qu'il présente la composition chimique suivante, en % en poids oxyde de silicium SiO2 47,3 à 64,5 oxyde d'aluminium A1203 8,4 à 15,4 oxyde de bore B2O3 7,2 à 14,4 oxyde ferrique Fe203 0,6 à 0,8 oxyde ferreux FeO 1,2 à 3,7 oxyde de magnésium MgO 0,5 à 1,1 oxyde de calcium CaO 0,2 au plus oxyde de manganèse bfti0 0,5 à 0,7 oxyde de sodium Na20 2,1 à 10,9 oxyde de potassium K20 3,8 à 7,1 oxyde de lithium Li2O 1,2 à 1,8 fluor F2 0,7 à 4,1 6. Liant céramique selon les revendications 2 et 4, caractérisé en ce qu'il présente la composition chimique suivante, en % en poids oxyde de silicium SiO2 51,9 à 60,0 oxyde d'aluminium A1203 15,2 à 24,7 oxyde de bore B203 0,9 à 9,2 oxyde ferrique Fe203 0,2 au plus oxyde ferreux FeO 0,3 à 0,6 oxyde de magnésium MgO 0,2 à 0,6 oxyde de calcium CaO 0,1 au plus oxyde de sodium Na20 5,7 à 11,1 oxyde de potassium K20 0,3 à 1,4 oxyde de lithium Li2O 2,8 à 5,4 fluor F2 2,8 à 5,5