Brevet FR2184379A1 — publié le 19731228

La présente invention concerne la fabrication d'outils abrasifs, et vise de façon plus précise les agglomérants céramiques pour outils abrasifs. L'invention peut être appliquée avec le maximum d'efficacité à la fabrication d'outils abrasifs à particules coupantes de différents genres de corindon artificiel et de nitrure de bore à texture cubique. tes outils abrasifs utilisant l'agglomérant céramique faisant l'objet de l'invention peuvent trouver de largos applications dans les constructions mécaniques modernes pour la rectification, le polissage et l'ajustage de pièces en métaux et alliages très durs et difficilement usinables. On a déjà proposé des agglomérants céramiques pour les particules coupantes des outils abrasifs, agglomérants qui sont à base de minéraux contenant du lithium et qui contiennent comme agent de vitrification, du verre au bore. Dans lesdits agglomérants connus, l'O- spodumène utilisé en tant que minéral contenant du lithium est mis en oeuvre en assoornation avec du verre au bore, lr spodumène étant préalablement réuni, par fusion, au verre au bore à raison de 40 à 60 % en masse d? Oc - spodumène pour 60 à 40 % en masse de verre au bore. te produit résultant de la fusion (fritte contenant du lithium) est mis sous forme de granules dans de liteau, séchée, réduite et mélangée à raison d'au moins 25 % en masse avec une argile réfractaire engagée en proportions allant jusqu'à 75 % en masse. te mélange ainsi obtenu est soigneusement malaxé pour être ultérieurement utilisé comme agglomérant céramique dans la fabrication des outils abrasifs. Un inconvénient des agglomérants en question réside dans la nécessité de recourir au frittage, à des températures élevées (de l'ordre de 1400 à 14500C), drune certaine partie des constituants du mélange, ce frittage étant une opération technologique complexe et coûteuse, exigeant des locaux et des appareils spéciaux (fous de cuisson, dispositifs de malaxage et de ventilation, granulateurs, séchoirs). les difficultés auxquelles on se heurte pendant la fabrication des agglomérants céramiques connus, leur faible pouvoir mouillant (l'angle de contact avec la surface du corindon artificiel est supérieur à 450) et leur pouvoir réfractaire élevé (supérieur à 9000C)dû aux teneurs élevées des agglomérants en argile réfractaire, compromettent la polyvalence desdits agglomérants dans la fabrication d'outils constitués de particules de divers matériaux abrasifs, par exemple de corindon artificiel et de nitrure de bore à texture cubique. tes outils abrasifs fabriqués au corindon artificiel et utilisant ces agglomérants n'ont qu'une résistance à la traction limitée jusqu'à 160 kg/cm2, ce qui ne satisfait pas auxexigences imposées aux outils destinés à la rectification rapide et à l'usinage de métaux et alliages très durs et difficilement usinables. a présente invention permet de supprimer les inconvénients précités. A cet effet,riiientionv2se.unaLomancéramique à base de minéraux contenant du lithium en association avec des ingrédients permettant de faciliter sa fabrication, de réduire son pouvoir réfractaire, d'augmenter son pouvoir mouillant et son aptitude aux réactions, et d'assurer l'obtention d'outils abrasifs présentant de hautes caractéristiques mécaniques et d'utilisation. Ce problème est résolu du fait que dans un agglomérant céramique pour outils abrasifs, du type à base de minéraux à lithium et comprenant des agents de vitrification, selon l'invention le minéral contenant du lithium est le ss -spodumène introduit à raison de 28 à 59 % en masse, l'agent de vitrification est le verre borosilicaté à raison de 20 à 45 % en masse, ledit agglomérant contenant en outre de la cryolithe servant de fondant et introduite à raison de 21 à 27 % en masse. La présence, dans l'agglomérant, du- spodumène qui est un aluminosilicate de lithium et un minéralisateur actif, contribue à la création d'une structure céramique solide au cours de la cuisson des outils abrasifs. D'autre part, le spodumène est caractérisé par une température suffisamment élevée de formation de phase liquide (au dessus de 13000C) et, par conséquent, sa présence dans les agglomérants leur confére un haut pouvoir réfractaire. La présence de verre borosilicaté dans les agglomérants contribue à l'accroissement de la résistance mécanique des agglomérants céramiques, à l'amélioration de leur pouvoir mouillant et de leur aptitude à la réaction avec les matériaux abrasifs au cours de la cuisson des outils. Afin de réduire sensiblement le pouvoir réfractaire des agglomérants, et que ceux-ci forment avec le spodumène des eutectiques à basses températures (au-dessous de 9000C), on fait entrer dans la composition des agglomérants de la cryolithe en tant que fondant. La présence de cryolithe dans les agglomérants, outre le fait qu'elle en réduit le pouvoir réfractaire, contribue à l'augmentation de la coulabilité des agglomérants et à l'accroissement de leur réactivité vis-à-vis des particules coupantes de matériau abrasif. Les auteurs de l'invention ont établi que les propriétés les plus favorables des agglomérants céramiques à base deA - spodumène en association avec du verre borosilicaté et de la cryolithe sont obtenues lorsque les constituants sont engagés dans les proportions suivantes (en masse). j - spodumène 28 à 59 do verre borosilicaté 20 à 45 %0 cryolithe 21 à 27 % Si la teneur de l'agglomérant en A - spodumène est inférieure à 28 % en masse, ce dernier n'influe pas de façon appréciable sur les propriétés de l'agglomérant, alors qu'un taux de A - spodumène supérieur à 59 % en masse confère à l'agglomérant un pouvoir réfractaire et une viscosité élevés eut un pouvoir mouillant diminué visà-vis des matériaux abrasifs, ce qui contribue en dernière analyse à l'obtention d'outils abrasifs à résistance mécanique réduite. Si la teneur de l'agglomérant en cryolithe est inférieure à 21 % en masse, cette dernière ne diminue pas de façon appréciable le pouvoir réfractaire de l'agglomérant surtout quand la teneur de l'agglomérant en ss - spodumène est élevée, une teneur de l'agglomérant en cryolithe supérieure à 27 % en masse contribue à l'obtention d'un agglomérant à viscosité diminuée, ce qui entrain, pendant la cuisson de l'outil abrasif, l'afflux de l'agglomérant vers la partie inférieure de cet outil. L'irrégularité de distribution de l'agglomérant dans la masse de l'outil abrasif compromet les caractéristiques d'utilisation de celui-ci. La teneur de l'agglomérant en verre borosilicaté est limitée suivant les quantifiés de constituants précités engagés dans la synthèse. Toutefois, il y a lieu de noter que pour l'agglomération de particules coupantes de nitrure de bore à texture cubique et de diamant, il est utile d'augmenter la teneur de l'agglomérant en verre borosilicaté, car dans ce cas on obtient un accroissement du pouvoir mouillant et de la réactivité de l'agglomérant et une réduction de son pouvoir réfractaire et sa viscosité, ce qui permet de réaliser la cuisson à une basse température. Il découle de ce qui vient d'etre exposé que l'agglomérant céramique ayant la composition conforme à l'invention se distingue par son bas pouvoir réfractaire, sa meilleure coulabilité, sa grande aptitude réactionnelle et son pouvoir d'adhésion élevé, assurant l'obtention d'outils abrasifs qui possèdent de hautes caractéristiques d'utilisation et se prêtent bien à la fabrication. Il y a intérêt à incorporer dans l'agglomérant proposé unA - spodumène de composition chimique suivante en en masse) oxyde de silicium Si02 63,0 à 66,0 oxyde d'aluminium A1203 25,5 à 27,5 oxyde ferreux FeO 1,0 au maximum oxyde de magnésium MgO 0,5 au maximum oxyde de sodium Na20 0,5 à 1,0 Oxyde de potassium K20 0,2 à 0,5 Oxyde de lithium Li20 6,5 à 7,1 Un tel ss - spodumène, obtenu par enrichissement du minerai de spodumène par un procédé thermique, est caractérisé par une haute teneur en oxyde de lithium et un faible taux d'impuretés,(oxydes de fer et de magnésium). Il est avantageux de faire entrer dans l'agglomérant proposé un verre borosilicaté de composition chimique suivante né enmasse) oxyde de silicium Si02 66,0 à 70,0 oxyde d'aluminium A1203 1,5 à 6,0 oxyde de bore B2O3 15,5 à 20,5 oxyde ferreux FeO- 1,0 au maximum oxyde de magnésium MgO 0,5 à 2,0 oxyde de calcium CaO 0,5 au maximum oxyde de sodium Na2O 3,5 à 7,5 oxyde de potassium K20 1,0 à 3,2 Un tel verre borosilicaté est caractérisé par une haute teneur en oxyde de bore, oxyde de sodium et oxyde de potassium, qui confèrent à l'agglomérant un bon pouvoir mouillant vis-à-vis de la surface des matériaux abrasifs, une haute résistance mécanique et un faible coefficient de retrait de la phase vitreuse de l'agglomérant, laquelle prend naissance au cours de la cuisson de l'outil abrasif. Le meilleur agglomérant obtenu conformément à l'invention est celui ayant la composition suivante en en masse) oxyde de silicium SiO2 48,7 à 52,6 oxyde d'aluminium A1203 16,2 à 21,5 oxyde de bore B203 3,6 à 8,1 oxyde ferreux FeO 0,6 au maximum oxyde de magnésium MgO 0,4 à 0s7 oxyde de calcium CaO 0,5 au maximum oxyde de sodium Na20 10,6 à 14,0 oxyde de potassium K20 0,6 à 1,1 oxyde de lithium Lui20 2,0 à 4,2 fluor B 11,4 à 14,7 te choix de la composition de l'aggloméran t céramique est déterminé essentiellement par le souci d'obtenir les outils abrasifs dans des conditions de cuisson à basse température, ces outils devant présenter de hautes caractéristiques physico-mécaniques et d'utilisation et se prêter facilement à la fabrication. tes auteurs de l'invention ont établi que les outils abrasifs fabriqués avec utilisation de l'agglomérant faisant l'objet de l'invention et présentant une teneur élevée en j - spodumène et une teneur réduite en verre borosilicaté et en cryolithe, peuvent être utilisés avec le maximum d'efficacité pour la rectification d'ébauches avec forte passe et à grande vitesse. tes outils abrasifs comportant un agglomérant céramique dont la teneur enB - spodumène, verre borosilicaté et cryolithe est voisine de la teneur moyenne, optimale, sont particulièrement indiqués pour la rectification de précision à des vitesses de coupe de 60 m/sec et plus. t'agglomérant céramique dont la teneur en spodumène est réduite et la teneur en verre borosilicaté et cryolithe est augmentée, et qui présente un pouvoir réfractaire diminué de pair avec une réactivité et un pouvoir d'adhésion augmentés vis-à-vis des matériaux abrasifs, peut être utilisé avec le maximum d'efficacité pour la création d'outils à particules coupantes de nitrure de bore à texture cubique. Les agglomérants de composition proposée offrent des avantages non négligeables en comparaison des agglomérants connus du même genre, ce qui est confirmé expérimentalement. Pour une meilleure compréhension de l'invention un exemple concret mais non limitatif réalisé est décrit ci-après. Exemple Pour préparer l'agglomérant céramique proposé, à base de ss - spodumène, verre borosilicaté et;cryolithe, il est nécessaire de convertir par un procédé thermique 1' - spodumène natif en A - spodumène dont la réactivité est plus forte. Cette opération, qui dure 30 à 45 mn, est effectuée, selon un procédé connu, dans des fours à chambre à une température de 950 à 10000C. te processus de conversion polymorphique d'une forme de spodumène en une autre s'accompagne d'une augmentation de volume (de plus de 20 ) et d'une fragmentation thermique considérable du spodumène natif jusqu'à l'état pulvérulent. Ce dernier facteur réduit sensiblement les frais nécessaires à sa fragmentation et, en conséquence, permet d'éviter en partie les dépenses requises pour la réalisation de la conversion polymorphique de l'O En outre, le traitement thermique du spodumène (dans le cas considéré il est souhaitable d'utiliser du spodumène en morceaux) permet d'enrichir le minerai de spodumène en spodumène proprement dit, étant donné que la majeure partie de la gangue est, par la suite, éliminée par tamisage. Un agglomérant céramique contenant 40 % en masse d'un ss - spodumène présentant la composition chimique suivante (% en masse) 64,69 SiO2 ; 26,08 Al203 ; 0,81 FeO ; 0,20 MgO 0,78 Na20 ; 0,32 K20 ; 7,11 ti2O 35 % en masse d'un verre borosilicaté présentant la composition chimique suivante (% en masse) 68,04 SiO2 ; 5,20 A1203 ; 17,99 B 203 ; 0,61 lPeO 1,34 MgO ; 4,16 Na20 ; 2,22 K20 et 25 % en masse de cryolithe, ledit agglomérant ayant la composition chimique suivante, (% en masse) 49,69 SiO2 ; 18,32 Al2O3 ; 6,30 B203 ; 0,56 FeO 0,55 MgO ; 12,84 Na20 ; 0,91 K20 ; 2,84 ti2O 13,57 F a été réduit à l'état pulvérulent, mélangé et passé sur un tamis à mailles de 0,063 mm. te pouvoir réfractaire de l'agglomérant correspond à 7400C, l'angle de contact avec la surface de corindon artificiel à la température de 12500C est de 100. L'agglomérant ainsi obtenu a été mélangé avec la dextrine puis avec les particules coupantes d'un matériau abrasif, par exemple celle d'un corindon artificiel blanc, humidifié au préalable avec du verre soluble de composition suivante (% en masse) ; 29,7 Si02 ; 11,8 Na20 58,5 H20 La masse abrasive utilisée pour la fabrication d'outils abrasifs présente la composition suivante (parties en masse) ; particules coupantes d'un matériau abrasif dont la taille des grains est d'environ 400 microns 100,0 ; agglomérant céramique conforme à 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 masse abrasive peut varier suivant les caractéristiques requises des outils abrasifs. Si besoin est, on peut incorporer dans la masse abrasive en vue d'en améliorer l'aptitude au formage, une argile plastique (en proportion allant jusqu'à 20 % en masse par rapport à la masse totale de l'agglomérant céramique). tes outils abrasifs ont été cuits dans un four à chambre, selon une technique connue, à la température de 12700C, la durée de séjour à cette température étant d'environ 2 heures. La résistance mécanique des échantillons immédiatement 2 après le formage a été de 0,62 kg/cm (flexion), celle des échantillons séchés pendant 2 heures à la température de 12O0C a été de 13,1 kg/cm, celle des échantillons cuits 2 a été de 231 kg/cm (traction). La température de cuisson des produits peut être abaissée jusqu'à 9390 C, ce qui permet de fabriquer au moyen de l'agglomérant faisant l'objet de l'invention, non seulement des outils abrasifs à particules coupantes de nitrure de bore à texture cubique, mais aussi des outils à particules coupantes de diamant. ta consommation spécifique du nitrure de bore à texture cubique (exprimée en quantité de métal enlevé) pour les meules fabriquées au moyen de l'agglomérant céramique conforme à l'invention est 1,5 à 2,0 fois inférieure à celle des agglomérants céramiques connus du même genre. B ien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnée qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituants des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées selon l'esprit de l'invention et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. REVENDICTT0NS 1). Un agglomérant céramique pour les particules coupantes d'un outil abrasif, du type à base de minéraux contenant du lithium, et comprenant des agents de vitrification, ledit agglomérant étant caractérisé en ce qu'en tant que minéraux contenant du lithium il renferme du ss - spodumène à raison de 28 à 59 % en masse, en tant qu'agent de vitrification un verre borosilicaté à raison de 20 ew 45 fo en masse, et, en outre, de la cryolithe, à raison de 21 à 27 % en masse, cette dernière servant de fondant. 2). Un agglomérant céramique selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'il contient un ss - spodumène de composition chimique suivante ( % en masse) oxyde de silicium Si02 63,0 à 66,0 oxyde d'aluminium A1203 25,5 à 27,5 oxyde ferreux FeO 1,0 au maximum oxyde de magnésium MgO 0,5 au maximum oxyde de sodium Na2o 0,5 à 1,0 oxyde de potassium K20 0,2 à 0,5 oxyde de lithium Li20 6,5 à 7,1 3).Un agglomérant céramique selon l'une des revendications 1 et 2 , caractérisé en ce qu'-il contient un verre borosilicaté de composition chimique suivante, ( % en masse) oxyde de silicium Si02 66,0 à 70,0 oxyde d'aluminium Al2O3 1,5 à 6,0 oxyde de bore B203 15,5 à 20,5 oxyde ferreux FeO 1,0 au maximum oxyde de magnésium MgO 0,5 à 2,0 oxyde de calcium CaO 0,5 au maximum oxyde de sodium Nua20 3,5 à 7,5 oxyde de potassium K20 1,0 à 3,2 4). Un agglomérant céramique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il a la composition chimique suivante ( % en masse) oxyde de silicium Si02 48,7 à 52,6 oxyde d'aluminium Al203 16,2 à 21,5 oxyde de bore B203 3,6 à 8,1 oxyde ferreux FeO 0,6 au maximum oxyde de magnésium MgO 0,4 à 0,7 oxyde de calcium CaO 0,5 au maximum oxyde de sodium Na20 10,6 à 14,0 oxyde de potassium K20 0,6 à 1,1 oxyde de lithium Li2o 2,0 à 4,2 fluor F 11,4 à 14,7