Brevet FR2789688A1 — publié le 20000818

Grains abrasifs constitués d'alumine polycristalline. Domaine technique de l'invention L'invention concerne des grains abrasifs à base d'alumine constitués de cristaux dont la dimension est de l'ordre de quelques dizaines de microns et obtenus par solidification rapide d'alumine en fusion. Etat de la technique L'utilisation d'abrasifs à base d'alumine est très ancienne et remonte à l'usage de l'émeri déjà connu du monde grec. Depuis le milieu du 20ème siècle, la synthèse du corindon obtenu par fusion et solidification de l'alumine a fourni des grains abrasifs constitués de cristaux d'alumine ct de structure hexagonale compacte, dont les dimensions étaient de plusieurs millimètres. Par abus de langage, ce type de matériau a été désigné corindon électrofondu. Il s'agit bien sûr d'un matériau solide dont la dénomination fait allusion au procédé de préparation.. Les grains abrasifs obtenus par broyage du corindon électrofondu sont ainsi, pour la plupart, constitués de monocristaux hexagonaux et leurs propriétés mécaniques qui, au mieux, sont celles du cristal d'alumine ne peuvent être améliorées. Pour obtenir des meilleurs propriétés mécaniques et abrasives, on a cherché depuis longtemps à fabriquer un matériau constitué de cristaux de dimensions aussi faibles que possible, chaque grain abrasif étant constitué d'un assemblage de cristaux, de sorte que ses propriétés mécaniques résultent non seulement de la nature des cristaux dont il était constitué mais aussi et surtout de l'existence de nombreux joints de grains, permettant une consolidation du grain. Ainsi, le brevet US 1192709 (Carborundum), déposé en 1914, décrit de l'alumine électrofondue avec des cristaux de taille comprise entre 10 et 300 jrm (en moyenne [im) coulée en plaques minces, dans une lingotière étroite d'épaisseur inférieure à mm. Cette voie de solidification rapide a été également explorée en 1932 par Alcoa (brevet US 1871793) qui proposait l'atomisation de l'alumine électrofondue pour la transformer en sphères creuses de diamètre inférieur à 5 mm et constituées de cristaux inférieurs à 250 prm. Le brevet FR 1319102 (Norton), déposé en 1961, décrit un procédé et un dispositif de coulée à refroidissement rapide pour abrasifs alumineux, consistant à couler une bande mince sur un cylindre rotatif On obtient des cristaux de taille comprise entre 1 et 30 ptm. Le brevet FR 2242462 (Norton), déposé en 1977, concerne un procédé et un appareil de coulée d'abrasifs entre deux bandes métalliques pour former une lame mince. Il ne semble pas que ces procédés de coulée io en plaques minces aient donné lieu à des réalisations industrielles. On a vu apparaître en 1979 les alumines issues d'un procédé sol-gel, obtenues par calcination puis frittage d'un hydrate d'alumine, le plus souvent la boehmite. Obtenue elle-même par précipitation à partir d'une solution de sel ou d'alkoxyde d'aluminium. Ce type de matériau permet de préparer des grains abrasifs constitués d'un assemblage de cristaux de la taille du micron, ce qui leur donne d'excellentes propriétés mécaniques. Ce matériau est aujourd'hui couramment utilisé pour la fabrication de meules de rectification dans lesquelles il entre pour environ 20% en poids de la composition, le solde étant constitué de corindon électrofondu classique. Le coût très élevé des alumines sol-gel est l'explication communément avancée pour justifier cette proportion de 20%. Le but de la présente invention est de fournir une alumine electrofondue conservant la morphologie propre aux alumines electrofondues mais présentant une cristallisation contrôlée beaucoup plus fine que celle du corindon de l'art antérieur et des propriétés abrasives nettement améliorées. Objet de l'invention L'objet de la présente invention est un grain abrasif à base d'alumine électrofondue caractérisé en ce qu'il est constitué à la fois de cristaux de structure cristallographique cubique et hexagonale, de dimension comprise entre 10 1pm et 100,rm. Le pourcentage de cristaux de structure cubique est généralement supérieur à 5%, et de préférence compris entre 20 et 40%. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication de grains abrasifs à base d'alumine de structure cubique et hexagonale, comportant la fusion de l'alumine et son refroidissement à une vitesse supérieure à 200 C/s par dispersion de l'alumine fondue en fines gouttelettes pour donner des particules de taille inférieure à lImm. Cette dispersion peut se faire notamment par atomisation dans un jet de gaz ou par granulation dans un liquide de refroidissement, par exemple l'eau, avec, de préférence, utilisation d'une dispersion complémentaire par ultrasons. Description des figures Les figures 1, 2 et 3 sont des vues, au microscope électronique à balayage, de cristaux de grains abrasifs selon l'art antérieur (figure 1) et selon l'invention (figures 2 et 3). Les grossissements respectifs sont 1200, 600 et 2000. La figures I montre le produit de l'art antérieur obtenu dans l'exemple 3. Les figures 2 et 3 montrent à des grossissements différents le produit selon l'invention obtenu à l'exemple 4. Description l'invention Analysant les propriétés des alumines sol-gel et les résultats obtenus avec les meules fabriquées en utilisant ce type de matériau, la demanderesse est arrivée aux conclusions suivantes. - la dureté des alumines sol-gel est très élevée (dureté Knoop HK de 2100 à 2200) notoirement supérieure à celle des corindons électrofondus de l'art antérieur. - les particules d'alumine sol-gel et les particules de corindon électrofondu présentent des morphologies différentes -alors que les particules de corindon électrofondu sont anguleuses et présentent des arrêtes vives, les particules d'alumines sol-gel sont beaucoup plus massives et présentent des formes arrondies. - la microstructure de l'alumine sol-gel est très fine et constituée de cristaux hexagonaux d'alumine oa de dimensions submicroniques, alors que les alumines électrofondues sont essentiellement monocristallines. - des meules constituées de différentes proportions d'alumine sol-gel et de corindon, ont montré qu'une meule préparée avec 100 % d'alumine solgel donne des résultats médiocres et que l'association du corindon et de l'alumine sol-gel est indispensable pour obtenir le niveau de résultats revendiqué par les fabricants d'alumine sol-gel. Attribuant ces bons résultats à l'association d'un produit coupant, le corindon, et d'un matériau de renforcement très dur, l'alumine sol-gel, ce qui va à l'encontre de tout ce qui a été dit et écrit sur le sujet, la demanderesse a donc recherché à rassembler dans un matériau unique la morphologie des grains du corindon électrofondu et la dureté de l'alumine sol-gel. La voie explorée a été celle de la solidification rapide pour précisément chercher à obtenir une cristallisation aussi fine que possible. Compte tenu des propriétés physiques du corindon (chaleur de solidification et conduction thermique à l'état solide), les techniques classiques utilisées pour obtenir une solidification rapide s'avèrent très insuffisantes pour obtenir une réduction suffisante de la taille des cristaux. Ainsi l'expérience montre que pour obtenir des cristaux d'environ 200 [Im il faut couler en 5 mm d'épaisseur, ce qui est à la fois très contraignant et peu performant au vu de la taille des cristaux obtenus. L'atomisation a été proposée dans le brevet US 1871793 déjà mentionné, permettant d'obtenir des sphères creuses de diamètre inférieur à 5 mm et constituées de cristaux inférieurs à 250 lm. D'autres procédés de solidification rapide ont été proposés par la suite, tels que ceux décrits dans les brevets Norton FR 1319102 et FR 2422462 ne présentent donc que peu d'intérêt pratique. On notera cependant que l'obtention d'une cristallisation plus fine est intéressante, car elle modifie le comportement du matériau au broyage et permet d'obtenir une répartition granulométrique présentant un maximum vers la maille correspondant à la taille des cristaux. Désireuse d'explorer des moyens capables d'améliorer encore les performances des grains abrasifs à base d'alumine électrofondue obtenus par solidification rapide, la demanderesse a trouvé qu'on pouvait augmenter la dispersion du corindon à l'état liquide avant de le solidifier. L'atomisation dans l'air ou la granulation à l'eau s'avèrent des moyens insuffisants pour obtenir une dispersion adéquate du corindon liquide, et il est nécessaire de leur adjoindre des moyens supplémentaires permettant d'obtenir des particules de taille n'excédant pas 1 mm, et de l'ordre de quelques dixièmes de mm. A de telles dimensions, le matériau se présente sous la forme de billes à peu près sphériques, pleines ou creuses selon les cas, et constituées majoritairement de cristaux de taille variant entre 20 et 30 j.m environ pour les billes de diamètre proche de I mm jusqu'à Itm et en dessous pour les billes de diamètre 0, 2 mm. De manière inattendue, la cristallisation de ce matériau n'est plus seulement hexagonale, mais aussi largement cubique. Un pourcentage de 20 à 40% de cristaux cubiques s'est révélé favorable pour les propriétés abrasives. Un moyen particulièrement efficace pour obtenir cette dispersion est l'atomisation assistée par ultrasons de fréquence comprise entre 10 et 50 kHz. Sous cette forme cubique, le corindon électrofondu conserve sa qualité première qui I0 est celle de donner des grains dont la morphologie présente des arêtes vives il présente par ailleurs une densité et une dureté supérieures à celles du corindon électrofondu de l'art antérieur; on peut suivant cette technique atteindre une densité de 3,95 et une dureté Knoop de 2050. Le matériau ainsi obtenu dont la dureté n'égale pas celle de l'alumine sol-gel, présente cependant un meilleur compromis en termes de forme des grains, de dureté et de cot. Exemples Exemple 1 Dans un four à arc de fusion classique on fond de l'alumine à 99,5 % d'AO203 en la portant à environ 2200 C. Le contenu du four est coulé de façon discontinue. Avec des lingotières prévues pour recevoir une masse d'environ dix tonnes de corindon fondu, on obtient par solidification lente des lingots constitués d'un matériau de structure grossière perturbée par de nombreuses porosités: à la périphérie des lingots la taille des cristaux est de quelques mm, alors qu'au coeur la taille de ces cristaux atteint plusieurs cm. Apres broyage à 1 mm, le matériau obtenu est constitué majoritairement de grains monocristallins de structure hexagonale, dont le densité est d'environ 3,7 et la dureté 3o de 1900 Knoop. La proportion de grains de granulométrie P80O (selon la nomenclature de la FEPA: Fédération Européenne des Producteurs d'Abrasifs), c'est-à-dire de grains dont la moitié sont plus gros que 185 pm, est de 18 % environ. Exemple 2 Avec les mêmes moyens de fusion que ceux de l'exemple 1, on coule le corindon liquide sur une plaque de cuivre refroidie intérieurement par circulation d'eau. La plaque de cuivre est inclinée à 30 pour limiter l'épaisseur de la plaque de corindon se solidifiant sur le cuivre. On a ainsi obtenu des plaques d'environ 5 mm d'épaisseur qui ont ensuite été broyées à I rmm. La proportion de grains P80 est de 38 %, notoirement plus élevée que dans le cas précédent. L'examen des grains ainsi obtenus fait apparaître que le matériau préparé de cette manière est constitué majoritairement de cristaux hexagonaux dont la taille s'étend de 150 à 250 gm. La densité est de 3,8 et la dureté Knoop de 1925. Exemple 3 Avec les mêmes moyens de fusion que ceux de l'exemple 1, on coule le corindon liquide sur un chenal à la sortie duquel il est atomisé au moyen d'un jet d'air. La taille des billes obtenues est inférieure à 5 mm environ. Ces billes sont constituées de cristaux de structure hexagonale dont la taille se situe entre 100 et 250 I.m, comme on peut le mesurer sur la figure 1. La densité est de 3,85 et la dureté Knoop de 1950. Exemple 4 Sur un four à arc de fusion de 1 MW, on adapte en fond de cuve une busette de coulée continue dont le diamètre du canal de coulée est de 10 mm; la busette est chauffée par induction au moyen d'un générateur de 10 kHz; la puissance disponible sur le générateur est de 50 kW. On alimente le four avec la même matière première que dans les trois exemples précédents. Le débit de corindon liquide obtenu au travers de la busette est de 2,5 kg/mn. Ce jet de corindon liquide est dirigé sur une sonotrode constituée par une lame de titane inclinée à 45 et mise en vibration par une source d'ultrasons. On disperse ainsi le jet de corindon fondu en particules de 0,1 mm environ et l'on constate que le jet de matériau en fusion n'entre pas en contact de la sonotrode, laissant un espace d'environ 1 mm entre la sonotrode et le jet de liquide. L'examen du matériau obtenu montre qu'il est constitué majoritairement de cristaux cubiques dont le côté est inférieur à 10 pm (comme on peut le mesurer sur les figures 2 et 3), de densité 3,95 et de dureté Knoop 2050. Exemple 5 Après broyage, les produits issus des quatre exemples précédents, sont utilisés pour réalisation de meules dans des conditions identiques. Les meules sont ensuite testées par essai de meulage sur acier 100C6. Ont également été testées dans les mêmes conditions, une meule préparée à partir d'un mélange de 70 % (en poids) de produit de l'exemple 2 et 30 % d'alumine sol-gel et une meule préparée entièrement à partir d'alumine sol-gel. On examine les rapports entre masse de métal enlevé et masse de meule perdue, ce qui donne: Pour le produit de l'exemple 1: 71 Pour le produit de l'exemple 2 86 Pour le produit de l'exemple 3: 92 Pour le produit de l'exemple 4 106 Pour le mélange 70 % de produit de l'exemple 2 et 30 % de sol-gel: 111 Pour l'alumine sol-gel pure: 57 Revendications 1) Grain abrasif à base d'alumine électrofondue caractérisé en ce qu'il est constitué de cristaux de structure cubique et de structure hexagonale, de dimension comprise entre Dam et 100 gim. 2) Grain abrasif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la proportion de cristaux de structure cubique est supérieure à 5% 3) Grain abrasif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la proportion de cristaux de structure cubique est comprise entre 20 et 40% 4) Procédé de fabrication de grains abrasifs à base d'alumine constitué de cristaux de structure cubique et de structure hexagonale, comportant la fusion de l'alumine et son refroidissement à une vitesse supérieure à 200 C/s par dispersion de l'alumine fondue en fines gouttelettes pour donner des particules de taille inférieure à 1 mm. ) Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la dispersion de l'alumine fondue est obtenue par atomisation dans un jet de gaz. 6) Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la dispersion de l'alumine fondue est obtenue par atomisation assistée au moyen d'ultrasons. 7) Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la dispersion est obtenue par granulation dans un liquide. 8) Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la granulation est faite dans l'eau.