Brevet FR2645783A1 — publié le 19901019

La présente invention se rapporte à la fabrica- tion d'outils abrasifs et plus particulièrement aux sables de moulage qui servent à produire des meules en corindon artificiel avec liant céramique. Les outils abrasifs sont fabriqués par compres- sion du sable, en vue d'obtenir la configuration de l'ou- til à fabriquer, avec ensuite séchage du sable ainsi com- primé et cuisson ultérieure. Au cours de la cuisson de l'outil, qui a lieu à des températures élevées atteignant 1250 à 1300 C, le liant céramique entre en fusion en pas- sant, entièrement ou en partie, à l'état liquide et en enve- loppant les grains abrasifs de l'1électro-corindon, puis, lorsque la température diminue, le liant qui se refroidit et durcit assure l'adhérence de ces grains. Les régimes de compression, de séchage et de cuisson de tels sables de moulage sont bien connus des spécialistes. Les principales exigences auxquelles doit satis- faire un sable de moulage sont les suivantes: - résistance mécanique élevée de la meule produite à l'aide de ce sable - large gamme des degrésde dureté pour outils abrasifs pouvant être fabriqués avec un tel sable de mou- lage; - dégagement aussi faible que possible de cons- tituants nocifs dans le milieu ambiant pendant l'opération de cuisson faisant partie du processus de fabrication de l'outil d'abrasion; - coût modéré du sable de moulage et disponibilité sur le marché. On sait que la gamme des degrésde dureté des outils abrasifs dépend de la température de fusion du liant et donc de la composition de celui-ci. Pendant la cuisson de l'ébauche de l'outil, le liant fait dissoudre les grains du corindon ce qui assure un accroissement de la viscosité du liant. D'autre part, on sait que si l'on désire augmen- ter la dureté d'un outil, il faut disposer d'une plus grande quantité du liant. Cependant, un pourcentage élevé du liant dans le sable de moulage fait en sorte que, pendant la cuisson de l'ébauche, cette dernière se déforme avant que la viscosité du liant ne croisse à un point suffisant pour empêcher cette déformation. Les exigences imposées sur le sable de moulage, qui viennent d'être mentionnées, sont,dans une grande mesure, déterminées par la composition du liant céramique, or ce dernier contient en général un agent plastifiant destiné à éviter la déformation de la meule pendant sa calcination, des constituants servant à améliorer la résistance mécani- que du liant et un agent hautement réactif qui doit assurer une bonne adhérence des grains du corindon. On utilise généralement, en tant qu'agent hautement réactif, des frit- tes boriques, diverses dénominations de telles frittes reflétant la présence d'oxydes exerçant un effet décisif sur leurs propriétés. On connaît un sable de moulage pour outils abra- sifs (SU, A, 634923), qui contient du corindon artificiel et un liant. Ce dernier est constitué de kaolin comme agent plastifiant, de talc comme agent augmentant la résistance du liant et d'une fritte borosilicatée en tant qu'agent hautement réactif, au rapport suivant (pourcentage pondé- ral): kaolin 40-95 fritte borosilicatée 4-40 talc 1-20 La composition en poids de la fritte borosilicatée est la suivante: oxyde de silicium 67,870,0 oxyde d'aluminium 3,3-3,6 oxyde de magnésium 0,77-0,9 oxyde de calcium 0,53-0,6 oxyde ferrique 0,1 -0,23 oxyde de sodium 3,1 -3,6 oxyde de potassium 4,0 -4,8 oxyde de bore 15,6 -17,7 Malheureusement, les outils fabriqués avec un tel sable de moulage ne possèdent pas une résistance mécanique suffisante à cause du modeste pouvoir adhésif de la fritte borosilicatée ci-dessus vis-à-vis des grains de corindon, étant donné sa faible teneur en oxyde de bore. On connaît également un sable de moulage pour outils abrasifs (SU, A, 517203), comportant du corindon artificiel et un liant. Le liant contient de l'argile réfractaire en tant qu'agent plastifiant, du feldspath comme constituant servant à augmenter la résistance du liant, ainsi qu'une fritte lithium-borosilicatée et de la cryolithe comme agents hautement réactifs, les constituants mentionnés étant pris au rapport suivant (pourcentage pon- déral): fritte lithium-borosilicatée 15,0-60,0 argile réfractaire 0,1-40, 0 feldspath 15,0-60,0 cryolithe 5,0-15,0 La fritte lithium-borosilicatée a la composi- tion suivante, en poids: oxyde de silicium 64,0-75,0 oxyde de bore 10,018,0 oxyde d'aluminium 2,0-8,0 oxyde ferrique 0,1-0,5 oxyde de magnésium 1,0-2,0 oxyde de calcium 0,1-1,0 oxyde de sodium 3,5-6,4 oxyde de potassium 3,5-4,6 oxyde de lithium 4,0-6,0 Les outils fabriqués avec ce sable de moulage présentent une résistance mécanique légèrement plus grande en comparaison avec celle de l'exemple précédent grâce au pouvoir adhésif total accru de la fritte lithium-borosilica- tée et de la cryolithe envers les grains de corindon. Cependant, compte tenu de la plus faible tempéra- ture de fusion du liant (800 C environ),dans un tel sable de moulage, ce qui est dû à la présence, dans ce sable, de constituants facilement fusibles que sont le lithium et la cryolithe, on ne peut obtenir une gamme suffisamment large de degré de dureté des outils abrasifs fabriqués avec l'emploi d'un tel sable de moulage. Par ailleurs, la pré- sence, dans la cryolithe, de fluor à des proportions pou- vant atteindre 50% conduit à un dégagement relativement important de constituants nocifs dans le milieu ambiant au cours de la fa6rication des abrasifs. Il faut en outre noter une disponibilité difficile de tels sables de moulage, ainsi que leur coût relativement élevé en raison de l'emploi de la fritte lithium-borosilicatée qui est assez rare et par conséquent coûteuse. On connaît enfin un sable de moulage pour outils abrasifs (SU, A, 931446) ayant la composition pondérale suivante: électro-corindon chromotitané 6990 kaolin 1,4-5,0 feldspath 0,7-2,5 fritte lithium-borosilicatée 2,1-7,5 cryolithe 0,7-2,5 agent agglutinant et mouillant 3,0-6,0 (verre soluble) fritte baryum-silicatée 2,1-7,5 L'agent agglutinant et mouillant mentionné sert à conférer, au sable en question, une-meilleure aptitude au moulage. Ce rôle peut être joué par le verre soluble ou une émulsion paraffinique. Sous le terme "verre soluble",- on indique la solution aqueuse bien connue de silicate de sodium. Quant aux compositions d'émulsions paraffiniques utilisées pour les sables de moulage, elles sont également largement connues dans la technique. Grâce à l'addition de la fritte baryum-silicatée, on parvient à une augmentation de la température de fusion du sable de moulage et donc à l'obtention d'une gamme plus large de degrés de dureté des meules par rapport à l'exemple précédent, bien que la résistance mécanique des outils fabriqués en un tel matériau soit toujours insuffisante. De plus, le sable considéré de moulage, tout comme celui de l'exemple précédent, est difficilement disponible et relativement coûteux. Le processus de fabrication d'abra- sifsavec l'emploi de tels sables est toujours accompagné d'un dégagement relativement important de constituants nui- sibles dans le milieu ambiant. La présente invention vise donc à fournir un sable de moulage pour la fabrication d'outils abrasifs contenant un agent hautement réactif et présentant un rapport des constituants propre à assurer, tout en conservant une large gamme des degrés de dureté des outils abrasifs pouvant être fabriqués à partir de ce sable, un accroissement de la réactivité du liant faisant partie -de ce sable de moulage, vis-à-vis de grains de corindon et par là même, une amé- lioration de la résistance mécanique des outils ainsi que la réduction du coût du sable de moulage en vue d'accroître son accessibilité et la réduction, dans la mesure du possi- ble, des dégagements nocifs vers le milieu ambiant au cours du processus de fabrication des abrasifs. Le problème ainsi posé est résolu grâce au fait que, selon l'invention, le sable connu de moulage pour outils abrasifs, contenant du corindon artificiel, de la :kaolinite, du feldspath, un agent agglutinant et mouillant et un agent hautement réactif, emploie, comme agent haute- ment réactif mentionné, une fritte calcium-borosilicatée avec le rapport des constituants en pourcentage pondéral qui suit: corindon artificiel 76, 5-90,0 kaolinite 2,1-5,7 feldspath 2,8-7,6 agent agglutinant et mouillant 3,0-4,5 et avec la composition pondérale des constituants de cette fritte calcium-borosilicatée: oxyde de silicium 22,0-38,0 oxyde d'aluminium 14,515,5 oxyde de bore 25,0-35,0 oxyde de calcium 12,5-17,5 oxyde de sodium 4, 0-7,5 oxyde de potassium 2,0-3,5 le rapport entre les. oxydes de bore et de calcium étant compris entre 1,5 et 2,5. Par le terme "kaolinite", on indique de l'argile réfractaire ou du kaolin. Les expériences ont permis de constater que le pouvoir adhésif de la fritte calcium- borosilicatée avec la composition ci-dessus mentionnée, vis-à-vis des grains de corindon,était supérieur à celui des frittes connues. Cet accroissement du pouvoir adhésif a pour conséquence une augmentation de la résistance méca- nique des abrasifs produits à base du sable de moulage pro- posé. La présence, dans le sable, d'oxyde de calcium en une proportion de 12,5 à 17,5%D en poids assure l'obten- tion d'une température de fusion du liant de l'ordre de 1100 C, permettant de fabriquer, à partir de ce sable, des outils abrasifs présentant toute la gamme des duretés uti- lisables dans la technique. En outre, le sable de moulage selon l'invention ne comporte pas de constituants difficilement disponibles ou trop onéreux, ni ceux qui sont à l'origne du dégagement important de substances nocives dans le milieu ambiant au cours de la fabrication d'outils abrasifs. Les demandeurs ont trouvé qu'avec une teneur du sable de moulage en fritte calcium-borosilicatée infé- rieure à 2,1% en poids, ainsi qu'avec une teneur de cette fritte calciumborosilicatée en oxyde de bore inférieure à ,0% en poids ou en oxyde de calcium supérieure à 17,5%, en poids, il se produisait une brusque réduction du pouvoir adhésif de la fritte vis-à-vis des grains de corindon et, par suite,de la résistance mécanique de l'outil fabriqué en employant un tel sable de moulage. Une même brusque réduc- tion du pouvoir adhésif de la fritte calcium-borosilicatée vis-à-vis des grains de corindon est constatée dans le cas o les rapports entre les oxydes de bore et de calcium sont plus faibles que 1,5. Les demandeurs ont également trouvé qu'avec une teneur du sable de moulage en fritte de calcium-borosili- catée supérieure à 5,7% en poids ainsi qu'avec une teneur de cette fritte en oxyde de bore dépassant 35,0% en poids ou en oxyde de calcium inférieure à 12,5%, il y avait un abaissement notable de la température de fusion du liant avec un retrécissement respectif de la gamme de degrés de dureté des meules pouvant être fabriquées à partir du sable proposé. Par ailleurs, une telle réduction notable de la température de fusion du liant est également observée si les rapports entre les oxydes de bore et de calcium devien- nent supérieurs à 2,5. Quant au pourcentage des autres constituants du sable de moulage faisant l'objet de l'invention, leur choix a été effectué par l'expérience, en se basant sur les exigences à respecter lors de la préparation des sables de moulage. Il faut rappeler la technique d'obtention des sa- bles de moulage. On commence à préparer un mélange de kao- linite, de feldspath et de fritte calcium-borosilicatée. Ensuite, on prend du corindon artificiel, par exemple de l'électrocorindon blanc, de l'électro-corindon chromotitané ou analogue, on l'humecte au moyen du verre solube ou de l'émulsion paraffinique et on le combine au mélange prépa- ré auparavant, ceci au rapport des constituants conforme à la présente invention. Le sable de moulage une fois préparé, on en fabri- que l'outil abrasif nécessaire, le procédé de fabrication étant bien connu des hommes de l'art. Afin de déterminer la résistance mécanique et la gamme des degrés de dureté des meules moulables à partir du sable faisant l'objet de l'invention, on a pris les sables de moulage à différentes teneurs en divers consti- tuants, on en a formé des échantillons sous.forme de bar- reaux d'essai conformément au procédé de fabrication d'abrasifs et ona mesuré leur résistance mécanique en terme de la résistance à la flexion. En ce qui concerne le degré de dureté, il a été déterminé par le procédé couramment employé du traitement au jet de sable. De plus, on a obtenu et essayé des barreaux à divers degrés de dureté à partir du sable de moulage de la composition traditionnelle. Le tableau 1 qui suit rassemble les compositions des sables de moulage dont ont été formés les barreaux d'épreuve, la proportion des constituants étant en pour- centage pondérai. _ A L E AJ 1 Constituants du N dle la composiltion Lonmpnfi- sable de moulage tion connue 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1il 12 13 14 15 Corindon artificiel 90,0 83,2 76,5 90,0 03,2 76,5 90,0 76,5 83,2 76,5 n3, 2 76,5 83,2 76,5 69-40 kaolin 2,1 3,9 5,7 2,1 3,9 5,7 2,1 5,5 3,9 5,7 3,9 5,7 3,9 5,7 1,4-5,0 Feldspath 2,8 5,2 7,6 2,8 5,2 7,6 3,0 7,5 5,2 7,6 5,2 7,6 5,2 7,6 0,7-2,5 Verre soluble 3,0 3,8 4,5 3,1 4,5 3,8 4,5 3,8 4,5 3,8 4,5 3,0-6,0 Emuision paraffinique 3,0 3,8 4,5 Fritte lithium- borosilicatée 2,1-7,5 Cryolithe 0,7-2,5 Fritte baryum- silicatde 2,1-7,5 o Fritte calcium- 2,1 3,9 5,7 2,1 3,9 5,7 1,0 6,0 3,9 5, 7 3,9 5,7 3,9 5,7 borosilicatde Constituants de la fritte calcium- borosilicatée - oxyde de silicium 38,0 33,0 22,0 30,0 33,0) 22,0 35,0 35, 0 34,0 22,11 2(1,0 35,0 32,0 27,0 - oxyde d'aluminium 14,5 15,5 14,5 14,5 15,5 14,5 15,5 15,5 15,5 14,5 15,0 15,5 14,5 14,5 - oxyde de bore 25,0 31, 2 35,0 25,0 31,2 35,2 31,2 31,2 23,0 37,0 30,0 27,5 25,0 35,0 - oxyde de calcium 16,5 12,5 17,5 16,5 12,5 17,5 12,5 12,5 17,5 15,5 19,0 11,0 17,5 12,5 - oxyde de sodium 4,0 5,0 7,5 4,0 5,0 7,5 5,0 5,0 7,0 7,5 5,0 7,5 7, 5 7,5 - oxyde de potassium 2,0 2,8 3,5 2,0 2,0 3,5 2,8 2,8 3,0 3,5 3,0 3, 5 3,5 3,5 r, ut ta Les résultats des essais des échantillons sous la forme de barreaux, préparés à partir des sables de moulage du tableau 1, sont rapportés au tableau 2 qui suit. TABLEAU 2 NO de la com- Données des essais NO de la com- position Résistance à Degré de dureté la flexion,MPa de l'échantillon 1 4415 mou 2 4513 dureté moyenne 3 4905 très dur 4 4120 mou 4415 dureté moyenne 6 4709 très dur 7 3924 mou 8 déformation de l'échantillon 9 4218 dureté moyenne déformation de l'échantillon il 4120 dureté moyenne 12 déformation de l'échantillon 13 4022 dureté moyenne 14 déformation de l'échantillon li5a 3924 mou b 4218 dureté moyenne c 4513 très dur Comme il résulte des tableaux 1 et 2, le sable de moulage selon l'invention convient bien à la fabrica- tion d'outils abrasifs présentant toute la gamme de duretés utilisables dans le domaine intéressé (compositions 1, 2, 3, 4, 5, 6). La résistance mécanique des barreaux préparés à partir de ce sable (compositions 1, 2, 3, 4, 5, 6) s'est trouvée supérieure à celle du barreaux obtenu avec le sa- ble de composition conventionnelle (composition N 15). Dans le cas d'une teneur du sable de moulage en fritte calcium-borosilicatée inférieure à 2, 1% en poids (composition NO 7), ainsi que dans le cas d'une teneur de cette fritte calcium-borosilicatée en oxyde de bore infé- rieure à 25,0% en poids (composition N 9) ou en oxyde de calcium dépassant 17,5% en poids (composition N 11) et dans le cas de rapports entre les oxydes de bore et de calcium inférieurs à 1,5% (composition N 13), la résis- tance mécanique de l'échantillon devient nettement infé- rieure à celle de l'échantillon du matériau proposé ayant la même dureté. Si la teneur- du sable de moulage en fritte calcium- borosilicatée dépasse 5,7% en poids (composition No 8), et si la teneur de cette dernière en oxyde de bore est supé- rieure à 35% en poids (composition N 10) ou en oxyde de calcium est inférieure à 12,5% en poids (composition N 12) et que les rapports des oxydes de bore et de calcium dépas- sent 2,5 (composition N 14), les expériences montrent qu'il est impossible d'obtenir, avec un tel sable, des barreaux très durs, ce que l'on aurait pu espérer étant donné la quantité importante du liant, parce que le bar- reau se déforme pendant l'opération de cuisson. R E V E N D I C A T I O N Sable de moulage pour outils abrasifs du type contenant du corindon artificiel, de la kaolinite, du feldspath, un agent agglutinant et mouillant et un agent hautement réactifcaractérisé en ce quton utilise, pour le- dit agent hautement r6actif, une fritte calcium-borosilica- tée ayant le rapport pondéral des constituants qui suit: corindon artificiel 76,5-90,0 kaolinite 2,1-5,7 feldspath 2,8-7,6 agent agglutinant et mouillant 3,0-4, 5 fritte calcium-borosilicatée 2,1-5,7 ladite fritte calcium-borosilicatée ayant la com- position en poids suivante: oxyde de silicium 22,0-38,0 oxyde d'aluminium 14,5-15,5 oxyde de bore 25,0-35,0 oxyde de calcium 12,5-17,5 oxyde de sodium 4,0-7,5 oxyde de potassium 2,0-3,5 le rapport entre les oxydes de bore et de calcium étant compris entre 1,5 et 2,5.