Brevet FR2179541A1 — publié le 19731123

La présente invention concerne la fabrication des outils abrasif s, et notamment les liants céramiques pour outils abrasifs. L'invention peut entre appliquée avec un maximum d'efficacite dans la fabrication des outils abrasif s en divers genres de corindon artificiel, nitrure de bore à texture cubique et diamant. On connait suffisamment bien des liants céramiques pour outils abrasifs à base de verre ou bore, contenant divers minéralisateurs (Certificat d'Auteur de 1'U.R.S.S. nO 218.699 du 16.5.1968). Dans ces liants connus, on emploie du verre au bore avec des minéralisateurs tels que l' -spodumène et une argile réfractaire. Le verre au bore employé est d'abord réuni par fusion avec l'a-spodusène dans les proportions suivantes verre au bore 60 à 40 % en poids a-spodumène 40 à 60 % en poids Le produit d'aloyage, une fritte contenant le lithium, est granulé dans l'eau, séché, broyé, puis mélangé au taux de 25 % en poids et au-dessus avec une argile réfractaire prise en quantité allant jusqu'à 75 % en poids.Le mélange obtenu est soigneusement homogénéisé et employé en tant que liant céramique pour outils abrasifs, mais seulement pour ceux en nitrure de bore à texture cubique. Le principal inconvénient de ces liants est la nécessité du frittage à haute température (de l'ordre de 1400 à 1450"C) d'une certaine partie des constituants du mélange, le frittage étant une opération compliquée et onéreuse, nécessitant des locaux et équipements spéciaux (fours de cuisson, installations de mélange et de ventilation, granulateurs). La pratique a fait apparaitre que, pour l'utilisation industrielle des liants connus pour outils abrasifs, il s'avère indispensable de leur ajouter des fondants. En tant que fondant, on a choisi la cryolithe qui est ajoutée à raison de 5 7. en poids au-delà de 100 % en poids de liant. Se prestant mal à la fabrication, ayant un bas pouvoir mouillant (l'angle de contact avec le corindon artificiel est supérieur à 45 C) et une réfractarité accrue (plus de 9000C), et ceci avec de hautes teneurs en argile réfractaire, les liants céramiques connus ne peuvent etre universels dans la fabrication des outils abrasifs avec différents matériaux abrasifs, par exemple avec le corindon artificiel. Les outils abrasifs fabriqués avec du coridon artificiel et de tels liants ont une résistance à la traction n'allant que jusqu'à 160 kg/cm, ce qui ne répond pas aux exigences actuelles concernant les outils pour la rectification rapide. Le but de l'invention est de supprimer les inconvénients mentionnés. I1 s'agissait donc de créer un liant céramique pour outils abrasifs à base de verre au bore, contenant des fondants et des minéralisateurs, qui serait de fabrication plus simple, comparativement aux liants céramiques connus de même type, et qui permettrait d'obtenir des outils abrasifs à hautes caractéristiques physicomécaniques. La solution consiste en un liant céramique pour outils abrasifs à base de verre au bore, contenant des fondants et des minéralisateurs, lequel, conformément à l'invention, contient en poids 30 à 75 % de verre au bore, 5 à 15 % de cryolithe faisant office de fondant et, en tant que minéralisateurs, 10 à 60 % de -spodumène additionnné de 5 à 15 % de talc. I1 est universellement connu que le verre au bore contribue à l'accroissement des aptitudes réactionnelles et des propriétés adhésives des liants céramiques vis-à-vis des abrasifs, par exemple du corindon artificiel, ce qui, en définitif, augmente la solidité de la liaison abrasifs-liant et confère à l'outil abrasif de hautes caractéristiques d'utilisation. Ceci est aussi favorisé par les valeurs proches du coefficient de dilatation thermique du verre au bore et du corindon articiel. I1 est aussi universellement connu que, dans la fabrication des outils en diamant et en nitrure de bore à texture cubique, la charge employée est principalement le corindon artificiel. C'est pourquoi les caractéristiques physicomécaniques principales des outils abrasifs à liant céramique sont données pour le corindon artificiel. La présence de cryolithe K3AlF6 (produit technique) dans les liants provoque la formation d'une phase liquide aux basses températures et, par conséquent, abaisse la température de, réfractarité des liants en augmentant leur fluidité et leur réactivité. La présence, dans les liants, de p-spodumene, qui est un aluminosilicate de lithium et possède les propriétés d'un minéralisateur actif, renforce la phase vitreuse du liant, formée par le verre au bore et la cryolithe, et contribue à la création d'une structure céramique solide. L'addition de talc au liant céramique contribue encore davantage à la formation d'une structure céramique de grande résistance car, conjointement avec ses propriétés minéralisantes élevées, le talc est un catalyseur actif de la cristallisation des spinelles de magnésium renforçant les liants. La demanderesse a établi que les propriétés sus-indiquées des liants céramiques à base de verre au bore, de cryolithe, de ss-spodumène et de talc doivent se manifester le plus efficacement pour les pourcentages en poids de constituants suivants verre au bore 30 à 75 % cryolithe 5 à 15 % ss-spodumène 10 à 60 % talc 5 à 15 % Une teneur en cryolithe inférieure à 5 % en poids n'a pas d'influence notable sur les propriétés du liant, et une teneur en cryolithe supérieure à 15 % en poids serait inutile, car, au cours de la cuisson, lors de la fabrication des outils abrasifs, la plus grande partie de la cryolithe se décomposerait et se perdrait dans l'atmosphère, sans Gtre assimilée par les autres constituants du liant. Une teneur en p-spodumene inférieure à 10 % en poids est insignifiante pour l'amélioration des propriétés du liant céramique, et une teneur en ss-spodumène supérieure à 60 % en poids provoquerait l'altération des propriétés du liant, car elle augmenterait sa réfractarité et abaisserait la fluidité et le pouvoir mouillant. Une teneur en talc inférieure à 5 % en poids n'a pas d'influence notable sur le processus de minéralisation, et une teneur en talc supérieure à 15 % en poids provoquerait le grossissement des nouvelles formations, ce qui abaisserait dans une mesure notable la résistance des outils abrasifs. La teneur en verre au bore du liant est limitée en fonction des quantités de cryolithe, ss-spodumène et talc, utilisées pourla synthèse du liant. De la sorte, le liant céramique, ayant une composition conforme à l'invention, est doué d'une basse réfractarité, d'une fluidité accrue, d'une haute réactivité et d'un pouvoir mouillant élevé, et il permet d'obtenir des outils abrasifs ayant des caractéristiques mécaniques et d'utilisation élevées. Il est très avantageux d'utiliser dans le liant selon l'invention un verre au bore ayant la composition chimique suivante, en poids oxyde de silicium SiO2 6 ,5 à 70,5 % oxyde d'aluminium A1203 1,5 à 7,0 % oxyde de bore B203 13,0 à 21,0 % oxyde ferrique Fe203 1,0 % au maximum oxyde de magnésium MgO 0,5 à 2,0 % oxyde de calcium CaO 0,5 % au maximum oxyde de sodium Na20 4,0 à 8,1 % oxyde de potassium K20 1,0 à 3,2 % Ce verre au bore 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 bon pouvoir mouillant vis-à-vis de la surface des abrasifs, une grande résistance et un bas coefficient de retrait de la phase vitreuse du liant se formant au cours de la cuisson de l'outil abrasif. Comme on utilise dans le liant céramique selon l'invention un p-spodumène, dont la composition chimique peut notablement varier selon le caractère spécifique des gisements et les procédés d'enrichissement, il est avantageux, pour mener à bien le problème posé, que le liant céramique ait la composition chimique suivante, en poids oxyde de silicium Si02 55,4 à 63,9 % oxyde d'aluminium Al203 8,1 à 18,6 % oxyde de bore B203 5,4 à 13,5 % oxyde ferrique Fe203 0,2 à 0,4 % oxyde ferreux FeO 0,4 à 0,6 % oxyde de magnésium MgO 2,0 à 5,0 % oxyde de calcium CaO 0,1 à 0,3 % oxyde de sodium Na20 3,9 à 9,6 % oxyde de potassium K20 0,8 à 1,7 % oxyde de lithium Li20 0,7 à 4,3 % fluor F2 1,3 à 4,1 % Le critère essentiel dans le choix de la composition des liants céramiques était la création d'un outil abrasif qui serait de fabrication plus facile tout en ayant de hautes caractéristiques physicomécaniques et d'u tilisation. La demanderesse a établi que les outils abrasifs fabriqués avec le liant céramique selon l'invention, avec une teneur abaissée en verre au bore et en cryolithe et une teneur accrue en p-spodumène et talc, sont partculièrement indiqués pour la rectification d'ébauches avec forte passe et grande vitesse. Les outils abrasifs au liant céramique ayant une teneur en verre au bore, cryolithe, -spodumène et talc proche de la valeur optimale moyenne, peuvent etre employés avec un maximum d'efficacité pour la rectification de précision avec des vitesses de coupe supérieures à 60 m/s. Le liant céramique à teneur accrue en verre au bore et cryolithe et à teneur réduite en -spodumène et talc, possédant une faible réfractarité peut etre utilisé avec un maximum d'efficacité pour créer des outils en diamant et en nitrure de bore à texture cubique, avec, comme matière de charge, du corindon artificiel. Les liants selon l'invention présentent d'importants avantages par rapport aux liants connus de meme type, ce qui est confirmé expérimentalement. L'exemple suivant illustre l'invention sans toutefois en limiter la portée. EXEMPLE Pour fabriquer le liant céramique selon l'invention pour outils abrasifs, à base de verre au bore, de cryolithe, de talc et de spodumène, il faut convertir par un procédé thermique l'x-spodumène naturel en -spodumène doué d'une réactivité plus élevée. Cela s'effectue par un procédé connu, dans des fours à chambre ou rotatifs horizontaux, à une température de 950 à 1000 C, en 30 à 45 mm. La conversion polymorphique de la forme n en forme p s'accompagne d'une augmentation du volume de plus de 20 % et d'une réduction thermique importante du spodumène naturel jusqu'à l'état pulvérulent.Il en résulte une forte diminution des frais de broyage de ce produit et, par conséquent, un certain abaissement des frais entrainés par la conversion polymorphique de 1'o-spodumène en p-spodumene. En outre, le traitement thermique du spodumène (en l'occurrence, il est souhaitable d'employer du spodumène en morceaux) permet d'enrichir le minerai de spodumène en spodusène, car la plus grande partie de la gangue est ensuite éliminée par tamisage. Un liant céramique,constitué par 40 % en poids de verre au bore (ayant la composition chimique pndérale suivante . Si02 68,04 %, Al203 5,20 7, Fe203 0,69 %, MgO 1,34 %, Na20 4,16 %, K20 2,22 %, B203 17,99 %, 10 % en poids de cryolithe, 45 % en poids de -spodumène et 5 7 en poids de talc (ayant la composition chimique pondérale suivante e Si02 59,4 %, Au 203 16,4 7, B203 7,2 %, Fe2Qs0,3 %, FeO 0,4 %, MgO 2,1 % Na20 6,4 7 K20 1,0 %, Li20 3,2 7 et F2 2,7 %, est réduit en poudre, mélangé et passé à travers un tamis à mailles de 0,063 mm.La réfractarité du liant est de 800"C, l'angle de contact final avec le corindon artificiel à une température de 1250suc est compris entre 17 et 252 On mélange le liant obtenu avec de la dextrine, puis avec l'abrasif, par exemple du corindon artificiel blanc mouillé au préalable avec du verre soluble comprenant 29,7 % en poids de SiO2, 11,8 7 en poids de Na20 et 58,5 % en poids de H20. La masse abrasive pour la fabrication d'outils abrasifs oontient les produits suivants : 100,0 parties en poids d'abrasif, dont la taille des grains est d'environ 400 microns ; 9,4 parties en poids de liant céramique selon l'invention ; 4,1 parties en poids de verre soluble 2,0 parties en poids de dextrine. Le poids spécifique apparent de la masse abrasive est de 2,26 g/cm . La composition de la masse abrasive peut varier selon les caractéristiques requises pour Coutil abrasif. Au besoin, pour améliorer les propriétés de formage de la masse abrasive, on peut lui ajouter de l'argile plastique (jusqu'à 10 % du poids total du liant) On cuit l'outil abrasif dans un four à chambre suivant la méthode connue, à une température maximale de 12700C, le temps de séjour à cette température étant d'environ 2 h. La résistance mécanique des échantillons immédiatement après le formage est de 0,73 kg/cm (d la flexion), et celle des échantillons séchés à une température de 1200C pendant 2 h est de 19,2 kg/cm (à la flexion) 2 après cuisson,la résistance à la traction est de 230 kg/cm La tenue des meules réalisées avec le liant céramique selon l'invention, d'un retaillage à l'autre (en nombre de pièces usinées), est 4 fois plus grande que celle des meules réalisées avec des liants céramiques connus, le rendement de la rectification étant en meme temps augmenté de plus de 2 fois. La température de cuisson des produits peut etre abaissée jusqu'à 400"C, ce qui permet de fabriquer avec le liant selon l'invention des outils en diamant et en nitrure de bore à texture cubique. REVENDICATIONS 1. Liant céramique pour outils abrasifs à base de verre au bore, contenant des fondants et des minéralisateurs, caractérisé en ce qu'il contient 30 à 75 % en poids de verre au bore, 5 à 15 % en poids de cryolithe faisant office de fondant et comme minéralisateurs, 10 à 60 % en poids de p-spodumène additionné de 5 à 15 % en poids de talc. 2. Liant céramique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu?il contient un verre au bore dont la composition chimique pondérale est la suivante oxyde de silicium Si02 65,5 à 70,5 % oxyde d'aluminium A1203 1,5 à 7,0 % oxyde de bore B203 13,0 à 21,0 7. oxyde ferrique Fe203 1,0 % au maximum oxyde de magnésium MgO 0,5 à 2,0 % oxyde de calcium CaO 0,5 % au maximum oxyde de sodium Na20 4,0 à 8,1 % oxyde de potassium K20 1,0 à 3,2 7. 3. Liant céramique selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que sa composition chimique pondérale est la suivante oxyde de silicium SiO2 55,4 à 63,9 % oxyde d'aluminium A1203 8,1 à 18,6 % oxyde de bore B203 5,4 à 13,5 % oxyde ferrique Fe2O3 0,2 à 0,4 % oxyde ferreux FeO 0,4 à 0,6 % oxyde de magnésium MgO 2,0 à 5,0 % oxyde de calcium CaO 0,1 à 0,3 % oxyde de sodium Na2O 3,9 à 9,6 % oxyde de potassium K2O 0,8 à 1,7 % oxyde de lithium Li2O 0,7 à 4,3 % fluor F2 1,3 à 4,1 %