Brevet FR2642694A1 — publié le 19900810

La présente invention se rapporte à la production de matières inorganiques à haute température de fusion et à haute durété, et plus particulièrement à des matières abrasives obtenues par traitement glectrothermique et con- -5 tenant, comme base, des cristaux de corindon (' -.A1203) de haute dureté et de haute résistance mécanique. La matière abrasive sert à obtenir des grains abrasifs par broyage. Les grains abrasifs sont couramment utilisés pour la fabrication d'outils d'abrasion, à base de liants céramiques et organi- ques, appliqués dans l'usinage des métaux. Les grains abrasifs, obtenus par broyage de la matière abrasive, peuvent être divisés en deux groupes. Le premier groupe comporte des grains monocristallins, composés d'un seul cristal de corindon. Le deuxième groupe comprend des grains complexes, constitués de quelques cris- taux de corindon aux joints desquels ou à l'intérieur desquels se trouvent des inclusions de minéraux d'accom- pagnement. Les indices principaux caractérisant une matière abrasive sont la résistance et le pouvoir abrasif des grains qui sont produits, ainsi que son coût et sa dispo- nibilité. La résistance des grains abrasifs monocristallins est déterminée par la résistance des cristaux de corindon. La résistance de ces grains est en règle générale plus importante que la résistance des grains complexes. La réistance des grains complexes dépend des dimensions des cristaux de corindon, composant ces grains, de la quantité et du type des minéraux d'accompagnement, par exemple des impuretés minérales ou des minéraux introduits spéciale- ment, qui se trouvent en inclusions aux joints des cris- taux de corindon,et de la taille de ces inclusions. En règle générale, la résistance des grains complexes est d'autant plus importante que les dimensions des cristaux de corindon, la quantité et les dimensions des inclusions des impuretés minéralessont petites et que la résistance de ces minéraux est plus élevée. Le pouvoir abrasif des grains est déterminé par la dureté des cristaux de corindon, des impuretés et des additifs et dépend également du pouvoir d'auto-affûtage des grains, c'est-à-dire de la capacité de former de nouvelles arêtes coupantes lors de la destruction des grains pendant l'usinage des métaux. Toutes les matières abrasives sont produites par fusion d'un matériau de départ suivie d'un refroidissement de la matière fondue au cours duquel celle-ci se cristal- lise. On obtient ainsi la structure nécessaire de la ma- tière abrasive (dimensions des grains de cristaux princi- paux, dimensions des impuretés etc...) grâce à un régime de refroidissement sélectionné de la matière fondue. On connaît des matières abrasives constituées de cristaux de corindon, par exemple électrocorindon blanc. Cet électrocorindon contient, sous forme d'inclusions,des minéraux étrangers tels que Na20.ttA1203 ayant des dimen- sions de 50 à 700 microns. (A.P. Garchine et al. "Abraziv- n'e materialy", 1983, mashinostroenie (Léningrad), pages 119 - 123;. Comme produit de départ pour la fabrication d'é]ectrocorindon blanc, on utilise de l'oxyde d'aluminium, pur du point de vue technologique, ou alumine. Lors de la transformation de l'électrocorindon blanc en grains abrasifs, une partie des impuretés, sur- tout des inclusions de 300 à 700 pm de grosseur, sont broyées en particules schlammeuses et éliminées. Il en résulte que les grains abrasifs obtenus sont quelque peu enrichis de cristaux de corindon en comparaison avec les matières abrasives de départ, c'est-à-dire qu'ils ne sont plus résistants. Une partie des grains abrasifs obtenus lo:s de la transformation de l'électrocorindon blanc est formée de grains monocristallins et l'autre partie,de grains complexes contenant des inclusions de Na20.11A1203 de 50 à 250 Pm. L'inconvénient de telles matières abrasives fabri- quées à partir d'alumine réside dans le fait qu'elles con- tiennent des inclusions d'aluminate de sodium riche en alumine Na20.11A1203, qui se forme au cours de la fabri- cation de la matière abrasive grâce à la présence, sous forme d'impurété, d'oxyde de sodium dans l'alumine, et cristallise aux joints des cristaux de corindon. Les inclu- sions d'aluminate de sodium riche en alumine se disposant aux joints des cristaux de corindon, jouent un rôle de concentrateurs des contraintes ce qui conduit à la diminu- tion de la résistance mécanique des grains complexes ainsi obtenus. De plus, comme la dureté de l'aluminate de so- dium riche en alumine est plus faible que celle du corin- don, la présence de ces inclusions réduit le pouvoir abra- sif des grains. On connait des matières abrasives obtenues par fu- sion de l'alumine avec addition, dans la matière fondue, d'oxyde de titane, de chrome, de vanadium ou d'un mélange de ceux-ci et par refroidissement ultérieur de la matière fondue ainsi fabriquée. (A.P. Garchine et al. "Abrazivnye materialy", 1983, Mashinostroenie (Léningrad), pages 123 à 126). Chacun de ces additifs forme, au cours de la fabri- cation de ces matières, des solutions solides de ces com- posés dans l'oxyde d'aluminium, grâce à quoi la résistance des cristaux de corindon augmente,c'est-à-dire que la résistance des grains abrasifs obtenus de cette manière augmente de même. Toutefois, le pouvoir abrasif des grains obtenus de cette manière, de même que dans le cas précédent, n'est pas suffisant du fait de la présence, dans ces grains, d'inclusions de Na20.11A1203 de 50 à 250 jm de grosseur. De plus, la présence de chacun de ces additifis dans la matière abrasive implique ses propres inconvénients. La matière abrasive, obtenue avec addition d'oxyde de tita- ne, contient des inclusions de nitrures ou de carbures de titane, ce qui a pour conséquence la réduction de la résis- tance des grains abrasifs lors de la fabrication d'outils d'abrasion. Cela est déterminé par le fait qu'au cours de la fabrication d'outils d'abrasion, pendant le traitement thermique des grains de cette matière à une température de l'ordre de 1100 C, les carbures et nitrures de titane faisant partie de la matière abrasive sont oxydés, avec changement de leur volume, ce qui a pour effet de réduire la résistance des grains abrasifs. La matière abrasive, préparée avec addition d'oxyde de chrome, contient des inclusions métalliques de chrome, qui contribuent à la détérioration des propriétés abrasives des outils qui en sont fabriqués, c'est-à-dire des que des cuisages sont possibles pendant l'usinage des métaux (rectification). La vanadium n'est pas appliqué comme additif parce qu'il est difficilement disponible et d'un coût élevé. On connaît une matière abrasive qui contient des cristaux de corindon et des baddeleyite (oxyde de zirco- nium). Cette matière est caractérisée en ce que les cris- taux de corindon ayant pour dimension 10 à 70 pm sont liés entre eux par un eutectique corindon-baddeleyitique à cristaux fins, les dimensions des cristaux étant de 1 à 5 Pm (A.P. Garchine et al. "Abrazivnye materialy", 1983, Mashinostrcenie (Léningrad), pages 126 - 131). La résistance des grains abrasifs obtenus avec cette matière abrasive est plus élevée que celle des anté- riorités précitées, ce qui est en premier lieu conditionné par l'eutectique corindon-baddeleyitique. Cependant, puisque la dureté de la baddeleyite est plus faible que celle du corindon, le pouvoir abrasif des grains abrasifs n'est pas suffisamment élevé. De plus, la présence des baddeleyite dans la matière abrasive ne permet l'application de cette matière qu'à la fabrication d'outils d'abrasion à base de liants organiques parce qu'à la température de 1100 C (température de traitement thermique lors de la fabrication de l'outil abrasif), l'oxyde de zirconium subit des modifications, accompagnéesd'unchangement important de volume, ce qui con- duit à une réduction notable de la résistance des grains jusqu'à leur destruction. Un autre inconvénient de cette matière est son insuffisante disponibilité et son prix élevé dû à la présence de l'oxyde de zirconium. L'invention vise à créer une matière abrasive à base de corindon qui contiendrait comme additif des miné- raux dont la disposition par rapport aux cristaux de corin- don et dont la taille ainsi que celle des cristaux de co- rindon assureraient une haute résistance mécanique et un pouvoir abrasif élevé des grains, la matière abrasive de base étant cependant facilement disponible et d'un coût abordable. Le problème ainsi posé est résolu par le fait qu'- une matière abrasive contenant des cristaux de corindon et un additif, selon l'invention, contient, comme additif, 1,5 à 7,5%o en poids d'un minéral choisi dans le groupe consistant en: spinelle, verre d'anorthite, verre de cor- diérite et mélange de spinelle et de l'un de ces verres, et les cristaux de corindon ont des dimensions comprises entre 5 et 350 Pm, l'additif étant disposé entre les cris- taux de corindon en couches intermédiaires d'une épaisseur inférieure à 20 Pm. Les inventeurs ont établi par expérience qu'une matière abrasive à base de corindon, contenant comme addi- tif du spinelle (MgO.A1203), du verre d'anorthite (2MgO.5SiO2.2A1203), du verre de cordiérite (CuO.A1203.2SiO) ou un mélange de ces minéraux, comporte dans sa microstruc- ture des dépôts des phases correspondantes du spinelle,du magnésium et/ou du verre de cordiérite ou d'anorthite qui sont disposés entre les cristaux de corindon en couches intermédiaires. En même temps, comme chaque matière d'addi- tion est thermorésistante à une température de 1000 à 13000C (température de cuisson lors de la fabrication d'outils abrasifs), la résistance des outils n'est pas diminuée au cours de leur fabrication. De plus, comme les minéraux utilisés comme additifs sont caractérisés par une haute microdureté, qui est plus proche, en comparaison de celle des autres additifs, de celle du corindon, la matière abrasive contenant cet additif a un haut pouvoir abrasif. Lors de la fabrication de la matière abrasive, au cours de la solidification de la matière fondue de corin- don contenant des oxydes de calcium, de magnésium et de silicium, les phases de ces minéraux, en se développantentre les cristaux de corindon, contribuent à la formation prépondérante de nouveaux centres de cristallisation par rapport à la croissance en cours des cristaux primaires de corindon. Grâce à ce fait, on obtient une structure isométrique finement cristalline de la matière abrasive, ce qui améliore les caractéristiques de résistance des grains abrasifs produits à partir de cette matière. Les dimensions des cristaux de corindon et l'épais- seur des couches intermédiaires dépendent du régime de refroidissement de la matière fondue lors de l'obtention de la matière abrasive. Les inventeurs ont constaté que lorsque les dimen- sions des cristaux de corindon sont inférieures à 5 Pm, le pouvoir abrasif des grains diminue en supplément, ce qui est conditionné par le changement du caractère de leur usure. Au lieu d'un cisaillement progressif des portions des cristaux de corindon, il y a formation de plateaux d'usure à relief relativement plat. Quand les dimensions transversales des cristaux de corindon excèdent 350 pm, la résistance des grains abrasifs diminue rapidement. Dans le cas o l'épaisseur des couches intermédiai- res est supérieure à 20 pm, la résistance des grains abra- sifs commence à diminuer très rapidement, car ces couches forment des concentrations de tension. Avec une teneur en additif plus faible que 1,5% en poids, on observe une baisse sensible de la résistance des grains abrasifs. Avec une teneur en additif de plus 7,5% en poids, le pouvoir abrasif des grains abrasifs diminue notablement, la teneur des grains en la phase la plus dure (corindon) étant en baisse. La matière abrasive est obtenue comme suit. On fait fondre l'oxyde d'aluminium avec les additifs contenant un ou plusieurs oxydes du groupe MgO, SiO, CaO, par exem- ple du silicate de magnésium, du silicate de calcium ou des oxydes purs, dans un four électrique à arc suivant un O10 régime connu (A.P. Garchine et al., "Abrazivnye materialy", 1983, Mashinostroenie, (Léningrad), pages 119-121, 126-131). Le pourcentage de l'additif introduit est déterminé par calcul en partant d'une composition souhaitée de la matiè- re abrasive à obtenir etd'une teneur en minéraux d'addition (poids) de cette matière. Ainsi, pour obtenir une matière contenant 5% en poids de couches intermédiaires de spinelle, on calcule la proportion stoechiométrique et l'on ajoute 1,4% d'oxyde de magnésium dans le mélange. L'épaisseur des couches des minéraux est réglée en modifiant le régime de refroidissement de la matière fondue. Ainsi, avec un refroi- dissement relativement rapide de la matière fondue dans de petits réservoirs, remplis de corps métalliques, par exem- ple de boules, ou dans des rouleaux-cristallisoirs, on ob- tient une matière abrasive comprenant des cristaux de co- rindon ayant pour dimensions 5 à 90 ym et contenant des couches intermédiaires de minéral d'une épaisseur de 0,3 à 5,0 pm. Quand le refroidissement de la matière fon- due s'effectue assez lentement, par exemple en lingots de 50 à 500 kg, on obtient une matière abrasive avec des cristaux de corindon de 280 à 350 pm et une épaisseur des couches intermédiaires de 10 à 20 ym. Après le refroidis- sement de la matière cristallisée, cette dernière estconcas- sée, broyée et fractionnée par criblage. La qualité de la matière obtenue est évaluée d'après la résistance et le pouvoir abrasif des grains abrasifs pro- duits à partir de cette matière. En particulier, la matière obtenue a été testée par l'écrasement de 100 grains ayant pour dimensions 1250 à 1600 pm entre des plaquettes en métal dur. Le pouvoir abrasif a été évalué en appliquant des méthodes connues consistant à user, par frottement, des rondelles de verre avec une charge des grains abrasifs de à 160 Pm. Les résultats des essais des matières abrasives avec différentes compositions et structures sont résumés aux tableaux 1 et 2. T A B L E A U 1 Relation entre les indices de qualité de grains abrasifs et la teneur en minéraux d'addition. Composition de Dimension Dimensions Teneur en Résistance Pouvoir la matière prédomi- des cris- minéraux d'un grain abrasif, abrasive nante des taux de d'addition, unitaire, g couches corindon, % en poids N intermé- diaires de m minéraux l d'addition, } r! 1. corindon + verre de cordiérite 10-20 280-350 1,5-2,0 290 0,063 2. 270-330 3-4 280 0,061 3- 250-300 7-7,5 260 0,059 4. 280-350 0,6-1,0 190 0,057 5. 250-300 8-10 200 0,048 --. 6. corindon + spinelle 10-20 280-350 1,5-2,0 200 0,061 7. 260-320 3-4 160 0,060 8. 250-300 7-7,5 150 0,058 9. 290-350 0,6-1,0 120 0,056 10. 240-300 8-10 130 0,050 11. corindon + spinelle + verre de cordiérite 4-7 35-80 1,5-2,5 290 0,070 12. 40-90 3-4,5 290 0,070 13. 40-80 7,7,5 270 0,067 14. 35-90 0,6-1,0 220 0,060 15. 25-70 8-10 240 0,048 T A B L E A U 2 Relation entre les indices de qualité de grains abrasifs et leurs composition et structure Composition Dimension Dimensions Résistance Pouvoir de la matière prédomi- des cristaux d'un grain abrasif, abrasive nante des de corindon, unitaire, g couches P N intermé- diaires de minéraux d'addition, Xm 1. corindon + spinelle 0,3-0,6 5-10 250 0,062 2. 3,0-5,0 40-90 180 0,067 3. 10,0-20,0 280-350 160 0,060 4. 10,0-20,0 400-600 60 0,049 5. 0,3-0,6 3-5 100 0,047 6. 25,0-40,0 280-350 100 0,050 7. corindon + verre de cordiérite 0,3-0,6 5-10 290 0,063 8. 3-5 40-90 270 0,073 9. 10-20 280-350 240 0,068 10. 25-40 400-600 70 0,048 11. 0,1-0,2 3-5 190 0,047 i 12. corindon + verre de cordiérite + spinelle 0,3-0,6 5-10 320 0,062 13. 4-7 35-80 290 0,070 14. 10-20 250-340 260 0,067 15. 25-40 450-700 80 0,051 16. 0,1-0,2 3-5 130 0,049 17.corindon + verre d'anor thite 0,3-0,7 5-10 280 0,064 18. 4-8 40-90 260 0,073 19, 12-24 270-350 210 0,067 , 26-40 450-650 70 0,052 21, 0,1-0,2 3-5 180 0,049 22 corindon + oxyde de zirconium (composi- tion connue)1 2,0-5,0 20-40 240 0.048 23. corindon + oxyde de titane + alumi- nate de sodium (composition con- nue) I 30-100 500-800 120 0,058 Comme le montre le tableau 1, lorsque la teneur en additif selon l'invention est inférieure à 1,5% en poids ( lignes 4,9 et 14),la résistance des grains abrasifs diminue rapidement et quand la teneur en additif est plus importante que 7,5% en poids (lignes 5, 10 et 15), le pouvoir abrasif des grains diminue notablement. Comme le montre le tableau 2, quand les dimensions de cristaux de corindon de la matière de l'invention sont inférieures à 5 pm (lignes 5, 11, 16 et 21), le pouvoir abrasif des grains baisseconsidérablement; les dimensions des cristaux de corindon étant de plus de 350 pm (lignes 4, 10, 15, 20) et/ou l'épaisseur des couches intermédiai- res des minéraux d'addition étant de plus de 20 pm (lignes 6, 10, 15, 20), le pouvoir abrasif des grains se réduit sensiblement. Des études de traitement thermique des grains abrasifs de la matière de l'invention a des températures 1100 à 13000C (température de cuisson lors de la fabrica- tion d'outils d'abrasion,, réalisées par les présents inventeurs,ont montré que la résistance des grains abrasifs ne diminue pas par suite de ce traitement. il R E V E N D I C A T I O N Matière abrasive,du type contenant des cristaux de corindon et un additif,caractérisée en ce qu'elle con- tient, comme additif, 1,5 à 7,5% en poids d'un minéral choisi dans le groupe consistant en spinelle, verre d'anor- thite, verre de cordiérite et mélange de spinelle et de l'un desdits verres, et en ce que les cristaux de corindon ont des dimensions comprises entre 5 et 350 pm et l'addi- tif est disposé entre les cristaux de corindon en couches intermédiaires d'une épaisseur inférieure à 20 ym.