Brevet FR2548173A1 — publié le 19850104

La présente invention concerne le domaine de la fabrication des outils abrasifs, et notamment les agglomérants céramiques pour outils abrasifs. Les outils abrasifs à agglomérant céramique sont utilisés à grande échelle dans les constructions mécaniques L'usinage par abrasion est appliqué à la production de pièces de destination très variée: ailettes des moteurs à réaction, aubes de turbines hydrauliques, barreaux de rubis pour lasers, vilebrequins et arbres à cames des automobiles et tracteurs, hélices de propulsion des navires, éléments de roulements, outils de coupe, etc Les outils abrasifs sont utilisés dans toutes les opérations de rectification, rodage et polissage. Selon le genre d'abrasif et les propriétés d'utilisa15 tion que doit avoir l'outil, on emploie des agglomérants céramiques de compositions très diversifiées Toutefois, les compositions connues d'agglomérants céramiques, quoique présentant des avantages déterminés, ont une série d'inconvénients Certains de ces agglomérants sont de réacti20 vité insuffisante et n'ont pas l'adhésivité nécessaire vis-à-vis des grains abrasifs, notamment dans le cas de fabrication d'outils en corindon électrofondu dopé, nitrure de bore cubique et diamants Les autres agglomérants ont dans leur composition des matériaux coûteux et d'ap25 provisionnement difficile, aussi leur emploi est-il limité. En outre, la majorité des agglomérants céramiques connus sont à constituants multiples, ce qui ne permet pas de leur conférer l'homogénéité nécessaire lors du traitement thermique des outils abrasifs. On connaît largement des agglomérants céramiques pour outils abrasifs à base de verre boré et d'additions minéralisantes (Voronov C G "Accroissement de la vitesse de travail des meules", revue "Abrazivy", NIIMASH, n 5, 2 2548173 1952; Liubomudrov V N, Vasiliev N N et Falkovsky B I. "Les outils abrasifs et leur fabrication", Mashgiz, Moscou, 1953; Ivashinnikov V T "Choix des caractéristiques des meules pour diverses opérations d'usinage par abrasion", Editions Juzhno-Uralskoe, Tchéliabinsk, 1966). Par exemple, pour la fabrication des outils abrasifs en corindon électrofondu on utilise un agglomérant au bore ayant la composition massique suivante: 40 % de verre boré et, en tant qu'addition minéralisante, 20 % de feldspath en 10 combinaison avec 30 % d'argile réfractaire et 10 % de talc. Parmi les principaux inconvénients de l'agglomérant connu, il convient de citer la présence dans sa composition d'une quantité importante de constituants réfractaires (feldspath, argile, talc), conditionnant sa haute résis15 tance pyroscopique, qui est de 1140 à 1180 C Dans le produit fini, cet agglomérant n'est pas homogène et contient fréqueument des grains de constituants initiaux non fondus, ce qui abaisse dans une mesure notable la résistance mécanique de l'outil abrasif En outre, l'agglomérant a un pouvoir mouillant bas vis-à-vis de la surface du corindon electrofondu; même à la température de 1250 C, l'angle de contact au mouillage du corindon électrofondu reste supérieur à 55 . La résistance mécanique relativement basse des outils 25 abrasifs réalisés avec cet agglomérant connu, environ égale a 12,5 M Pa limite leur application aux opérations de meulage rapide des pièces. On connaît aussi l'emploi d'un agglomérant céramique ayant la composition massique suivant: 69 % de silice, 13 % 30 d'oxyde de bore et 10 % d'oxydes de métaux alcalins, ces derniers contenant jusqu'à 3 % en masse d'oxyde de lithium (brevet des Etats-Unis d'Amérique 2 730 439, 1956) Avec cet agglomérant, on fabrique des outils en corindon électrofondu contenant au moins 50 % en masse de corindon élec- trofondu L'agglomérant est fabriqué avec les constituants suivants (parties en masse): bioxyde de silicium 750, feldspath 10, alumine 6, acide borique 262, cryolithe 98, nitrate de potassium 45, spath fluor 3, talc 28, carbonate de lithium 90. Pour élever les propriétés réactionnelles de l'agglomérant de composition indiquée, il est nécessaire de le fritter complètement, ce qui élève dans une grande mesure 15 le prix de l'agglomérant Les outils abrasifs, réalisés avec cet agglomérant,ont une basse résistance mécanique. Pour élever la résistance mécanique, on incorpore une armature métallique dans la céramique, ce qui complique notablement la méthode de fabrication des outils abrasifs. 20 D'autre part, on connaît un agglomérant céramique pour les meules en carbure de silicium, contenant du feldspath, du bioxyde de silicium, de la wollastonite, de l'argile réfractaire, du kaolin, du manganate de lithium, une fritte lithium-borosilicate et du molybdène (brevet 25 des Etats-Unis d'Amérique n 2977 206) Pour obtenir les propriétés nécessaires de l'agglomérant, on prépare la fritte en prenant 45 % en masse de bioxyde de silicium, % en masse d'acide borique et 15 % en masse de carbonate de lithium Cet agglomérant céramique est de composition très compliquée quant à son constituant et ses applications sont limitées aux meules en carbure de silicium, dont la fabrication requiert une haute température 1260 C et une longue tenue en séjour 24 heures Les outils abrasifs de grandes dimensions, fabriqués avec cet agglomérant, néces35 sitent une durée de séjour encore plus longue à la température indiquée. On connaît un agglomérant céramique, inventé par les Japonais Terada Sedzi et Iamara Khirosi (la méthode de fabrication de cet agglomérant a été publiée dans "Nagoia Koge gidzutsu Sikense Khokoku", t 12, N 7, p 348 à 358, 1964) Les auteurs ont étudié la possibilité d'obtenir des meules à agglomérants du système spodumène fedspath tosseki Ils ont choisi la composition optimale d'agglomérant pour des grains de carbure de silicium: 30 % en masse de spodumène, 40 à 50 % en masse de feldspath et 10 à 20 % de tosseki En cuisant le produit à une température allant 10 jusqu'à 1350 C, les auteurs japonais ont obtenu un agglomérant vitrifié qui réagit dans une mesure notable avec les grains abrasifs et, par suite du changement de sa composition chimique, conditionne un abaissement des propriétés d'utilisation des produits abrasifs En outre, les outils abrasifs réalisés avec cet agglomérant ont une basse thermostabilité, car, après un seul cycle d'échauffement des produits jusqu'à une température de 300 C pendant 15 min et de refroidissement dans l'eau jusqu'à une température de O C, la résistance à la traction des produits s'abaisse 20 de presque 2 fois, ce qui est un facteur indésirable dans l'utilisation des produits abrasifs. On connait un agglomérant céramique (certificat d'auteur d'invention d'URSS n 218 699, Int CL B 24 d 3/14 pour un Procédé de fabrication d'outils abrasifs"), comprenant: 25 la fritte au lithium-bore ou son mélange avec l'argile réfractaire, à teneur en celleci allant jusqu'à 75 % du poids total. La fritte au lithium-bore contient 40 à 60 % de concentré de spodumène et 60 à 40 % de verre boré. Un inconvénient de l'agglomérant indiqué est sa réactivité insuffisante vis-à-vis des abrasifs (corindon électrofondu, nitrure de bore cubique), par suite de laquelle la résistance mécanique des outils abrasifs réalisés avec cet agglomérant ne permet pas son emploi efficace dans la rectification rapide et sous forte charge. L'emploi, dans l'industrie de l'usinage des métaux, de machines à rectifier prévues pour opérer sous forte charge ou à grande vitesse avec des avances de travail de 60 à 80 m/s, exige la mise au point d'un agglomérant qui augmenterait la résistance mécanique des produits en vue de leur utilisation à ces vitesses. Le but de l'invention était de créer un agglomérant céramique pour outils abrasifs qui conviendrait à l'agglo10 mération de divers genres d'abrasifs et permettrait d'élever les caractéristiques de résistance des outils abrasifs, ainsi que d'augmenter leur durée de service dans la rectification sous forte charge et grande vitesse. Il s'agissait donc de mettre au point un agglomérant céramique de composition telle, qu'elle améliorerait la résistance mécanique des outils abrasifs et diminuerait leur usure dans la rectification sous forte charge et grande vitesse. La solution consiste en un agglomérant céramique pour 20 la fabrication d'outils abrasifs ayant, d'après l'invention, la composition massique suivante: fritte lithium- borosilicate 15,0 à 60,0 %, argile réfractaire 0,1 à 40,0 %, produit feldspathique 15,0 à 60,0 %, cryolithe 5,0 à 15,0 %. La fritte lithium-borosilicate a la composition chimique suivante (en masse); bioxyde de silicium 64,0 à 75,0 %, oxyde de bore 10,0 à 18,0 %, oxyde d'aluminium 2,0 à 8,0 %, oxyde de magnésium 1,0 à 2,0 %, oxyde de sodium 3,5 à 6,4 %, oxyde de potassium 3,5 à 4,6 %, oxyde de lithium 4,6 à 6,0 %, impuretés (oxyde S de fer et de calcium) 1,5 %. La composition chimique de la fritte lithium-borosilicate, qui est le constituant vitrifiant essentiel de l'agglomérant, lui confère des propriétés physico-chimiques importantes, telles que la réactivité, le pouvoir mouillant, la ténacité, la température initiale de formation de la phase liquide, et influe sur le coefficient de dilatation linéaire de l'agglomérant. Le taux de fritte lithium-borosilicate ( 15 à 60 % en masse) dépend principalement du genre d'abrasif utilisé. 10 La limite supérieure est utilisée pour la fabrication des outils en nitrure de bore cubique, afin de conférer à l'agglomérant une réactivité et un pouvoir mouillant plus forts vis-à-vis de l'abrasif, et d'abaisser la température de cuisson des produits jusqu'à 1100 C La limite inférieure 15 du taux de fritte lithium-borosilicate est principalement utilisée pour l'agglomération des corindons électrofondus, car dans ce cas les produitssont cuits à une température de 1250 "C, aussi les propriétés physico-chimiques susindiquées de la fritte lithium-borosilicate sont-elles 20 moins nécessaires Un taux massique de fritte lithium borosilicate supérieur à 60 % et inférieur à 15 % est peu efficace, car, dans les deux cas, la résistance mécanique des produits abrasifs s'abaisse. L'addition d'argile réfractaire ( 0,1 à 40 % en masse) 25 à l'agglomérant céramique, conforme à l'invention, vise principalement l'amélioration de la plasticité et de la moulabilité de la pâte abrasive La limite supérieure du taux d'argile réfractaire dans l'agglomérant est principalement utilisée pour la fabrication des outils en corin30 dons électrofondus et quand la température de cuisson des produits est de 1250 C La limite inférieure du taux d'ar.gile réfractaire, dans l'agglomération faisant l'objet de l'invention, est utilisée pour la fabrication des outils abrasifs en nitrure de bore cubique, en raison des tempéra35 tures de cuisson abaissées exigées par la méthode Dans ce 7 2548173 cas, la plasticité de la pâte abrasive est obtenue en lui ajoutant non pas un constituant argileux, mais de la bakélite liquide. L'addition à l'agglomérant céramique, faisant l'objet de l'invention, de plus de 40 % en masse d'argile réfractaire rend sa cuisson difficile à une température de 1250 C, ce qui entraîne un fort abaissement de la résistance mécanique des produits abrasifs L'addition à l'agglomérant, faisant l'objet de l'invention, de moins de 0,1 % en masse 10 d'argile réfractaire est peu efficace. Le produit feldspathique utilisé dans l'agglomérant céramique ( 15 à 60 % en masse) a deux fonctions: primo, il participe à la vitrification de l'agglomérant pendant la cuisson du produit; secundo, étant un constituant miné15 ralisant, il assure la formation d'une matrice structurale dans l'agglomérant vitrifié, accroît sa micro-dureté et sa résistance mécanique L'utilisation d'un taux plus élevé (plus de 60 % en masse) de produit feldspathique entraîne l'accroissement de sa résistance pyroscopique et l'abaisse20 ment de la résistance mécanique des produits abrasifs. L'emploi de moins de 15 % de produit feldspathique entraîne la formation d'un agglomérant à micro-dureté abaissée et l'abaissement de la résistance mécanique des produits abrasifs. L'addition de cryolithe ( 5 à 15 % en masse) à l'agglomérant céramique, faisant l'objet de l'invention, est conditionnée par son effet d'abaissement de la température de formation de la phase liquide dans l'agglomérant, ainsi que d'augmentation de sa réactivité et de son pouvoir mouillant. 30 Un taux de cryolithe inférieur à 5 % en masse dans l'agglomérant est irrationnel, car il n'a pas d'influence sensible sur ses propriétés, et un taux de cryolithe supérieur à 15 % en masse dans l'agglomérant céramique conforme à l'invention s'avère inutile, car au cours de la cuisson de l'outil abrasif, la plus grande partie de la cryolithe se décompose en formant des composés fluorés qui se dissipent dans l'atmosphère et ne sont pas assimilés par l'agglomérant céramique et les grains abrasifs, polluent l'atmosphère et détruisent le garnissage des fours de cuisson. L'agglomérant céramique conforme à l'invention a selon sa composition, un point de fusion se situant entre 750 et 1000 C et un angle de contact au mouillage de la surface du corindon électrofondu d'une valeur de 10 à 35 10 à 12500 C et de 20 à 40 à 1000 C. L'agglomérant céramique conforme à l'invention a une faible viscosité, une bonne homogénéité, un pouvoir mouillant accru et l'activité chimique nécessaire vis-à-vis des grains abrasifs lors de la cuisson Un avantage impor15 tant de l'agglomérant céramique faisant l'objet de l'invention est son pouvoir de lier divers genres de corindons électrofondus et le nitrure de bore cubique. L'agglomérant céramique conforme à l'invention confère aux outils abrasifs les avantages suivants La résistance 20 mécanique des outils est portée à 24,5 M Pa La durée de service des outils est de 3 à 4 fois plus grande que celle des outils fabriqués avec l'agglomérant céramique connu à base de verre boré L'agglomérant permet d'obtenir des outils de bonne auto-affutabilité En outre, l'agglomérant céramique conforme à l'invention donne aux outils une teinte rose clair les rendant esthétiques Les outils abrasifs fabriqués avec l'agglomérant conforme à l'invention peuvent opérer avec une vitesse de meulage allant jusqu'à 80 m/s, alors que les outils abrasifs fabriqués avec l'agglomérant 30 boré connu opérent avec une vitesse de meulage n'allant que jusqu'à 60 m/s. Les avantages indiqués des outils abrasifs les rendent commercialement supérieurs à tous les autres outils abrasifs connus. 9 2548173 L'agglomérant céramique conforme à l'invention est réalisé avec des constituants accessibles La méthode de fabrication est simple et facile à industrialiser L'un des constituants de l'agglomérant céramique faisant l'ob5 jet de l'invention-la fritte lithium-borosilicate est préparé en fondant une charge de produits de départ à une température de 1370 à 1410 C. La fritte lithium-borosilicate préparée a la composition massique suivante: bioxyde de silicium 64,0 à 75,0 %, oxyde de bore 10,0 à 18,0 %, oxyde d'aluminium 2,0 à 8,0 %, oxyde de magnésium 1,0 à 2,0 %, oxyde de sodium 3,5 à 6,4 %, oxyde de potassium 3,5 à 4,6 %, oxyse de lithium 4,6 à 6,0 %, impuretés (oxydes de fer et de calcium) 1,5 %, La fritte est finement broyée et passée au tamis à maille de 0,06 à 0,10 mm Les autres constituants de l'agglomérant, à savoir, l'argile réfractaire, le produit feldspathique, par exemple feldspath, perlite, néphéline;et la cryolithe sont finement broyés séparément et passés au tamis à maille sus-indiquée Ceci fait, les constituants 25 indiqués sont mélangés mécaniquement dans la proportion massique: fritte lithium-borosilicate 15,0 à 60,0 %, argile réfractaire 0,1 à 40,0 %, produit feldspathique 15,0 à 60 %, cryolithe 5 à 15 %. L'agglomérant céramique ainsi préparé est prêt à l'utilisation pour la fabrication d'outils abrasifs Pour cela on prépare d'abord la pâte abrasive On mélange 8 à % en masse de l'agglomérant céramique avec de la dextrine 35 et on mouille 100 % en masse de grains abrasifs avec 3 à 6 % en masse de verre ou de bakelite liquide Ceci fait, on mélange 2548173 ' intimement les deux mélanges réunis La pâte abrasive obtenue est forméeen outil abrasif par compression, séchée et cuite à une température choisie dans la plage de 1000 à 1300 C, selon la composition choisie pour l'agglomérant et le genre d'abrasif. 5 Pour une meilleure compréhension de l'invention on donne des exemples de réalisation concrets. Pour fabriquer un agglomérant céramique conforme à l'invention, on utilise une fritte lithium-borosilicate, de l'ar10 gile réfractaire, de la perlite et de la cryolithe. La fritte lithium-borosilicate est fabriquée en faisant fondre a 1390 'C une charge de composition massique suivante: sable de quartz 65,00 %, alumine 4,00 %, carbonate de magnésium 2,09 %, soude 5,10 %, carbonate de potassium 5,90 %, carbonate de lithium 12,30 %, acide borique 31,00 %, La fritte lithium-borosilicate, l'argile réfractaire, la perlite et la cryolithe sont finement broyées séparément et passées au tamis à maille de 0,08 mm Les constituants broyés de l'agglomérant sont pris dans la proportion massique suivante: fritte lithium-borosilicate 30 %, argile réfractaire 20 %, perlite 40 %, cryolithe 10 %, et soigneusement mélangés Un tel agglomérant céramique est 30 prit & la préparation de la pâte abrasive Son point de fusion est de 920 C et son angle de contact au mouillage de la surface du corindon électrofondu est de 25 à 1250 OC. L'agglomérant céramique obtenu est mélangé avec de la dextrine, puis avec le corindon électrofondu mouillé au préalable avec du verre soluble, la composition en parties massiques étant la suivante: corindon électrofondu 100,0 agglomérant céramique 9,4 verre soluble 4,1 dextrine 1,0. Pour déterminer la résistance à la traction on confectionne des éprouvettes avec l'agglomérant conforme à l'invention, 10 et, pour la comparaison, avec un agglomérant au bore connu. On utilise un corindon électrofondu de grain n 40 de types suivants: 1) corindon normal; 2) corindon blanc; 3) corindon dopé au chrome; 4) corindon dopé au titane; 5) monocorindon. Les éprouvettes obtenues après la cuisson avaient un deîé,dedureté CM 15 une structure n 6 et une teinte rose clair agréable Les résultats des essais de traction des éprouvettes cuites sont donnés dans le tableau 1. Tableau 1 25 Agglomérant Résistance à la traction des éprouvettes, M Pa 1 2 3 4 5 Selon l'invention 16,0 21,0 21,0 18,5 17,5 Connu, au bore 12,5 15,0 13,0 13,5 13,5 Avec les mêmes constituants broyés qu'à l'exemple 1 fritte lithium-borosilicate, argile réfractaire, perlite, et cryolithe on prépare par mélange mécanique intime un 30 agglomérant céramique de composition massique suivante: fritte lithium-borosilicate 60 %, argile réfractaire 20 %, perlite 15 %, cryolithe 5 % L'agglomérant obtenu a un point de fusion de 790 C et un angle de contact au mouillage de la surface du corindon électrofondu de 32 o à 1000 C. On confectionne des éprouvettes d'outil abrasif avec l'agglomérant conforme a l'invention, et, pour la comparaison, avec un agglomérant au bore connu On utilise un corindon électrofondu blanc de grain n 16, 12 et 8 Les éprouvettes cuites avait un degré de dureté C 2 et une structure n 8 Ces caractéristiques-techniques de l'outil 10 correspondent à celles d'un outil abrasif en corindon électrofondu combiné à du nitrure de bore cubique Les résultats des essais de traction des éprouvettes sont donnés dans le tableau 2. Tableau 2 Agglomérant Résistance à la traction des éprouvettes, M Pa grain 16 12 8 Selon l'invention 23,0 24,0 24,5 Connu, au bore 15,0 17,0 18,0 L'agglomérant céramique est préparé comme indiqué à l'exemple 1, sa composition massique étant la suivante: 25 fritte lithium-borosilicate 15 %, argile réfractaire 20 %, perlite 50 %, cryolithe 15 %. La résistance mécanique des éprouvettes d'abrasif confectionnées avec cet agglomérant est analogue à celle de l'exemple 1. 2548173 ' Exemple 4 L'agglomérant céramique est préparé comme indiqué à l'exemple 1, sa composition massique étant la suivante: fritte lithium-borosilicate 60 %, argile réfractaire 15 %, perlite 15 %, cryolithe 10 %. Cet agglomérant céramique est utilisé pour lier le corindon électrofondu en combinaison avec du nitrure de 10 bore cubique. La résistance mécanique des éprouvettes d'abrasif confectionnées avec cet agglomérant est analogue à celle de l'exemple 2. Exemple 5 L'agglomérant céramique est préparé comme indiqué à l'exemple 1, sa composition massique étant la suivante: fritte lithium-borosilicate 60 %, argile réfractaire 0,1 %, matière feldspathique 29,9 %, cryolithe 10 % L'agglomérant obtenu a un point de fusion de 750 C. La pâte abrasive pour le moulage par compression d'éprouvettes sous la forme de bâtons et de meules a la composition massique suivante: corindon électrofondu blanc 43,3 %, nitrure de bore cubique 38,9 %, agglomérant céramique 13,2 %, bakélite liquide 4,6 %. Les résultats des essais de résistance à la flexion de bâtons de 5 x 5,5 x 50 mm et de tenue jusqu'à l'usure totale de meules de 12 x 16 x 4 mm à la rectification de douilles en acier au chrome sont donnés dans le tableau 3. 2548173 I Tableau 3 Agglomérant Degré de Résistance à Tenue jusqu'à dureté la flexion l'usure totale des des bâtons, meules (en nombre M Pa de douilles usinées) Selon l'invention CT 1 56 250 Connu (selon le certif. d'auteur d'inv. d'Ui SS no 218 699) CT 2 43 220 2548173 ' R E V E N D I C A T I O N S 1 Agglomérant céramique pour la fabrication d'outils abrasifs, comprenant une fritte lithium-borosilicate, un produit feldspathique et de l'argile réfractaire, caractérisé en ce que, outre les constituants indiqués, il contient de la cryolithe, les constituants ayant les pourcentages massiques suivants: fritte lithium-borosilicate 15,0-60,0 argile réfractaire 0,1-40,0 produit feldspathique 15,0-60,0 cryolithe 5,0-15,0 2 Agglomérant céramique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fritte lithium-borosilicate a la composition massique suivante: bioxyde de silicium 64,0 à 75,0 %, oxyde de bore 10,0 à 18,0 %, oxyde d'aluminium 2,0 à 8,0 %, oxyde de magnésium 1,0 à 2,0 %, oxyde de sodium 3,5 à 6,4 %, oxyde de potassium 3,5 à 4,6 %, oxyde de lithium 4,6 à 6,0 %, impuretés (oxydes de fer et de calcium) j 1,5 %