Brevet FR2808521A1 — publié le 20011109

Grains abrasifs améliorés Arrière-Plan de l'Invention Cette invention concerné des grains abrasifs et, de façon spécifique, des grains abrasifs d'alumine qui ont été réalisés par utilisation d'un procédé sol-gel. Dans un tel procédé, un précurseur d'alumine alpha qui est habituellement de la boehmite est mis sous la forme d'un sol aqueux, éventuellement en présence d'un matériau d'ensemencement efficace pour réduire la température à laquelle l'alumine alpha est formée après chauffage ou d'agents modifiants. On fait ensuite gélifier le sol, habituellement par l'addition d'acide, après quoi on sèche le gel et on le calcine pour former l'alumine alpha. Avant calcination, on peut broyer le gel séché en particules de taille abrasive puisque ce procédé est moins laborieux qu'après que la conversion en alpha a été accomplie. Si on le souhaite, on peut incorporer des additifs modifiants tels que l'yttria et des oxydes de métaux des terres rares dans le sol ou dans le gel séché avant calcination. Ces procédés produisent des grains abrasifs ayant des structures cristallines très fines et ceci s'avère être un avantage distinct par rapport à des particules abrasives d'alumine produites par un procédé de fusion. II s'avère que, lors de l'utilisation, les particules abrasives se rompent en se divisant en cristaux fins, exposant ainsi une surface de coupe fraîche. Au contraire, les particules abrasives produites par un procédé de fusion sont constituées de cristaux bien plus gros et, quand de telles particules abrasives viennent au contact d'un outil, les bords de coupe sur les particules abrasives s'usent progressivement et leur efficacité de coupe diminue avec le processus de polissage. Cette coupe moins efficace s'accompagne d'une augmentation du frottement et de l'accumulation de chaleur qui peut finalement endommager la surface de l'outil. La durée de vie de ces particules abrasives particulières se termine quand la pression est si forte que les particules abrasives se déchirent toutes ensemble de la liaison. En permettant l'élimination de microcristaux d'alumine sur des particules abrasives, ce problème de polissage est bien réduit avec les particules abrasives d'alumine obtenues par un procédé sol-gel. Toutefois, ce procédé de renouvellement de microfractures est actif uniquement quand un outil abrasif comprenant les particules abrasives d'alumine obtenues par un procédé sol-gel est utilisé dans des conditions de meulage sous pression modérée à élevée. Quand on utilise des pressions plus basses, celles-ci peuvent ne pas être suffisantes pour induire une microfracture et on peut observer un certain polissage. On a par conséquent besoin de développer des particules abrasives qui soient capables d'un meulage efficace à des pressions modérées à basses sans perte excessive de particules abrasives dans le procédé. La présente invention met à disposition de telles particules abrasives qui s'avèrent être utiles à toutes les pressions de meulage à l'exception des plus élevées. Le procédé par lequel elles sont produites est simple, économique et extrêmement polyvalent puisqu'il peut être adapté à n'importe quel ensemble de conditions de meulage susceptible d'être rencontré. Description de l'Invention La présente invention met à disposition des particules abrasives d'alumine ayant une taille de cristal inférieure à 5 micromètres, dans lesquelles pratiquement toute l'alumine est sous la forme alumine alpha, et dans lesquelles la masse volumique est de 3,6 à 3,9 glcm3 et dans lesquelles les particules abrasives comprennent, dispersés de façon aléatoire, des vides pratiquement sphériques ayant des diamètres de 0,1 à 5 micromètres. Bien que pratiquement toute l'alumine soit sous la forme alumine alpha, ceci ne rejette pas l'alumine qui est présente aussi sous une forme telle qu'une spinelle ou une structure de magnétoplombite où elle est combinée avec d'autres éléments. Cette limitation est par conséquent destinée à communiquer l'idée qu'il n'y a pratiquement pas d'alumine en transition de phase présente dans les particules abrasives. Cette masse volumique comparativement faible est obtenue par l'incorporation, à l'intérieur des particules abrasives, d'une pluralité de microvides uniformément dispersés, par lesquels on entend des vides qui ont un diamètre de 0,1 à 5 et de préférence de 0,5 à 2 micromètres dispersés de façon aléatoire dans la totalité des particules abrasives. Ces microvides sont largement internes dans les grains (bien que bien entendu certains puissent apparaître à la surface), et par conséquent donnent une masse volumique apparente pour les particules abrasives qui est typiquement de seulement 85 à 95 % de la masse volumique théorique de l'alumine alpha (3,98 g/cm3). Ces microvides réalisent un trajet de fracture intégré qui permet aux particules abrasives de se fracturer sous des pressions appliquées plus faibles et donc de régénérer les surfaces de coupe plus facilement sans en même temps conduire à une perte inacceptable de particules abrasives durant le meulage. Les microvides sont dispersés de façon aléatoire dans la totalité des particules abrasives et, par cela, on entend qu'ils ne sont pas dispersés selon un quelconque motif régulier mais qu'on les trouve généralement en nombres relativement égaux dans toutes les parties des particules abrasives. Les microvides sont habituellement individuels, ont des formes pratiquement sphériques mais, occasionnellement, deux microvides ou plus sont suffisamment mutuellement proches pour devenir un microvide unique. La présence de ces structures multiples rentre dans le cadre de la compréhension de la définition de la présente invention. Les microvides peuvent être incorporés dans les particules abrasives par l'addition à un sol précurseur d'alumine d'un matériau qui va devenir uniformément dispersé à l'intérieur du gel séché formé à partir du sol mais qui va laisser un vide après calcination pour former des particules abrasives d'alumine alpha. Dans un procédé préféré pour la production de particules abrasives d'alumine alpha comprenant des microvides, on ajoute un latex polymère aqueux, comprenant des particules de diamètre qui ont un diamètre de 0,1 à 5 micromètres, à un sol de boehmite en une quantité de 0,03 à 0,3 % en poids par rapport au poids de l'alumine, mesuré en alumine alpha, présente dans le sol, et ensuite on traite le sol pour produire des particules abrasives d'alumine alpha. Comme indiqué ci-dessus, ce procédé comprend typiquement tout d'abord la gélification du sol de façon à fixer la distribution des divers composants qui y sont dispersés tels que des modifiants et des germes pour favoriser la conversion en la forme. Le gel est ensuite séché et éventuellement encore modifié par incorporation d'autres modifiants par imprégnation, puis calciné pour produire les particules abrasives d'alumine alpha. Le procédé de calcination provoque l'élimination par calcination des particules de latex, laissant dernière elles des microvides qui peuvent avoir une taille légèrement plus petite que celles des particules de latex originales en résultat d'un frittage durant la calcination qui a tendance à éliminer les vides interstitiels à l'intérieur de la structure cristalline. II est par conséquent important d'achever le frittage quand la masse volumique souhaitée a été atteinte. En principe, les microvides peuvent aussi être créés par l'incorporation de sphères creuses telles que des particules de cendres volantes ou même d'organismes naturels tels que la levure ou la poudre de lycopode. II est toutefois essentiel que ceux-ci soient situés à l'intérieur de la plage spécifiée ci-dessus et soient facilement dispersibles dans le sol sans s'agglomérer. On peut utiliser des particules creuses d'un minéral comme par exemple les cendres volantes, mais il est généralement difficile d'obtenir des particules ayant le diamètre fin approprié. La forme préférée de création des microvides, comme indiqué ci- dessus, réside dans l'incorporation d'un latex polymère. Le polymère peut être complètement polymérisé ou être un oligomère liquide du moment que cet oligomère ne perd pas son identité particulaire quand il est mélangé avec la dispersion du précurseur d'alumine alpha. Les polymères que l'on peut utiliser sont généralement thermoplastiques (bien que l'on puisse les remplacer par des résines thermodurcissables convenables), et comprennent par exemple le polystyrène, le polybutadiène, les polymères fluorés, le poly(chlorure de vinyle) et les polymères et copolymères acryliques. Il est aussi possible d'incorporer une poudre d'un matériau tel qu'un carbonate qui va se décomposer au chauffage pour donner un gaz qui va créer le microvide dans la structure. Un exemple d'un tel composé est le carbonate de magnésium qui se décompose pour engendrer du dioxyde de carbone à environ 350 C, ce qui est supérieur à la température à laquelle le gel est séché. II est aussi insoluble dans l'eau et se disperse facilement dans un milieu aqueux tel qu'un sol de boehmite. Après calcination, le MgO résiduel peut agir comme un agent de brochage ("pinning agent") par la formation d'une spinelle avec l'alumine, ce qui aide à maintenir les faibles dimensions du cristal. D'autres sels, qui ne sont pas nécessairement limités aux carbonates mais pourraient englober aussi des sels d'acides organiques et des sels décomposables insolubles dans l'eau, comprennent les nitrates et les acétates. La dispersion de précurseur d'alumine alpha peut aussi comprendre des particules d'un matériau efficace pour ensemencer la conversion de l'intermédiaire en la forme alpha d'alumine. Typiquement, ce germe va être constitué de particules d'alumine alpha ayant des granulométries de 0,01 à 1,0 micromètre. Toutefois, on peut utiliser d'autres matériaux cristallins qui sont isostructurels avec l'alumine alpha et ont des paramètres de réseau qui sont proches de ceux de l'alumine alpha (tels que l'oxyde ferrique alpha ou une substance qui forme ce composé par calcination). Ceux-ci ont pour effet de réduire la température de conversion en la forme alpha et de diminuer la taille des cristaux d'alumine formés. Le précurseur d'alumine alpha lui-même est de préférence la boehmite puisque celle-ci est bien connue pour former un sol stable qui peut facilement être gélifié, par exemple par addition d'un acide, de manière à ce qu'une dispersion de particules formant des vides dans le sol puisse être stabilisée après gélification pour préserver l'uniformité de la dispersion pendant tout le reste du procédé. La formation de particules abrasives à partir de la dispersion d'alumine peut suivre n'importe laquelle des techniques conventionnelles. Le gel séché peut par exemple être pulvérisé à la plage souhaitée de tailles de particules abrasives avant que le gel séché soit calciné. Cette technique est, de manière significative, plus facile que la technique de pulvérisation du matériau calciné après conversion en la forme alpha et après que le frittage a commencé, bien que l'on puisse utiliser ces deux options. II est aussi possible d'extruder ou mouler le gel sous des formes qui sont ensuite calcinées pour la conversion en la forme alpha. Le résultat est de produire des particules en forme de bâtonnets qui ont des avantages distincts pour plusieurs applications. Le gel partiellement séché peut aussi être soumis à des montées en température très rapides de manière à volatiliser l'eau à l'intérieur des particules abrasives, conduisant à une pulvérisation explosive. Ce mode opératoire conduit à des particules abrasives ayant des formes distinctement fuyantes (ou allongées) ayant des propriétés très avantageuses. Il est prévu que tous ces modes opératoires de formation de particules abrasives soient englobés par l'instruction de "formation" de particules abrasives. Description de Modes de Réalisation Préférés L'invention est maintenant davantage décrite par référence spécifique aux exemples illustratifs suivants qui ne doivent pas être compris comme impliquant une quelconque limitation nécessaire au cadre de l'invention. Ces exemples montrent l'effet avantageux sur la performance de meulage qui résulte de l'incorporation d'une quantité mineure d'un latex polymère dans un procédé sol-gel pour la production de particules abrasives d'alumine. Exemple 1 On prépare une production de gel mère en ajoutant 2400 g de boehmite, obtenue chez Condea sous la marque déposée Dispural , à 10 litres d'eau déminéralisée. On agite le mélange pendant 10 minutes en utilisant un mélangeur clarifiant de laboratoire, puis on ajoute 286,82 g de germes d'alumine alpha ayant subi un échange d'ions, après quoi on agite pendant encore 5 minutes. On gélifie le mélange par addition de 178,75 g d'acide nitrique à 70 % dilués dans 7142,57 g d'eau déminéralisée, et on agite pendant encore 10 minutes avant de laisser reposer pendant 24 heures. Puis on décante le gel et on le met de côté en tant que "stock de gel" pour l'utiliser dans toutes les expériences suivantes. On prépare une dispersion de latex en ajoutant 1,5 g de latex de polystyrène à 10 % d'extrait sec à 99 g d'eau déminéralisée. Le latex de polystyrène contient des particules de polystyrène de 0,6 micromètre, et est obtenu chez Sigma Chemicals sous la marque déposée "L13-6". On ajoute cette dispersion de latex à 420 g du stock de gel et on agite doucement avec un mélangeur clarifiant de laboratoire pour éviter un piégeage de bulles d'air. On agite dans le gel des billes échangeuses d'ions (40 g de HCR-W2 H+, 16-40 mesh, obtenues chez DOWEX) qui avaient été au préalable lavées deux fois à l'eau déminéralisée, pendant 5 minutes avant de les retirer au moyen d'un tamis de 80 mesh. On répète ce mode opératoire d'échange d'ions avant d'ajouter au gel 6 g d'acide nitrique à 70 % dilués avec 20 g d'eau déminéralisée et on mélange pendant cinq minutes. Puis on sèche le gel à 100 C dans un four de séchage, on le broie à moins de 18 mesh et on le calcine dans un four rotatif à 1250 C, avec 10 minutes de temps passé dans la zone chaude. Les particules abrasives ainsi produites ont une taille de cristal, telle que mesurée par le procédé d'interception sans correction, d'environ 0,1 micromètre. Les particules abrasives ont une masse volumique de 3,85 g/cm3 et une section polie examinée au microscope optique révèle des microvides à l'intérieur des particules abrasives. Des grains témoins, préparés exactement comme décrit ci-dessus mais sans l'addition de latex, ont une masse volumique de 3,88 g/cm3 et une taille de cristal d'environ 0,1 micromètre. Ils ne présentent pas de microvides. On sélectionne des grains abrasifs dans le témoin et le produit selon l'invention. Chaque grain abrasif présente une taille correspondant à une ouverture de maille de -30+35 mesh. On soumet chacun d'entre eux à un test de rayure par pointe unique. Dans ce test, on monte les grains sur un moyeu de roue en acier ayant un diamètre de 305 mm en utilisant une colle à base de résine phénolique. On met une éprouvette en acier 52100 en contact avec le roue alors qu'elle tourne à environ 1600 t/min. On règle à 10 micromètres l'avance des particules abrasives et on humidifie la surface avec un réfrigérant aqueux pour contrôler la température. Après chaque passe, on indexe l'outil latéralement de manière à ce qu'il vienne au contact d'une pièce fraîche de l'acier. On réalise un total de cinq passes pour chaque type de particules abrasives. Après le test, on observe l'outil sous un vérificateur de surface Zygo pour mesure l'aire en coupe transversale de chaque rainure. On prend les mesures au début du test à certains intervalles de meulage durant le test. On détermine le "taux d'usure" en divisant l'aire en coupe transversale de la rainure mesurée par l'aire en coupe transversale correspondante lors de la première passe. Les résultats sont présentés sur la Figure 1, qui démontre clairement que les particules abrasives selon l'invention présentent un taux d'usure notablement meilleur que celui des particules abrasives préparées sans modification par un latex. Exemple 2 On prépare un stock de gel en mélangeant 3200 g de boehmite Disperal disponible chez Condea dans 10 751,43 g d'eau déminéralisée tout en agitant pendant 10 minutes au moyen d'un mélangeur clarifiant de laboratoire. On combine ensuite le tout avec 228,57 g d'acide nitrique à 70 dilués dans 18 litres d'eau déminéralisée en mélangeant pendant encore 10 minutes. Puis on centrifuge ce gel à 3000 t/min pendant 1 heure et on combine le liquide surnageant avec 850 g d'une dispersion ayant subi un échange d'ions de germes d'alumine alpha ayant une teneur en extrait sec de 4 %, et on mélange le tout pendant encore cinq minutes. A 5 kg du mélange de gel ci-dessus, on ajoute 15 g de latex de polystyrène ayant une teneur en extrait sec de 10 %, dont la source et la proportion sont celles utilisées dans l'Exemple 1, sauf que les particules ont une granulométrie de 1,1 micromètres, on les dilue avec 200 g d'eau déminéralisée, et on soumet le latex à une sonication aux ultrasons pendant une minute. On soumet le mélange, qui contient 0,3 % des particules de polymère, à un mode opératoire d'échange d'ions double comme dans l'Exemple 1. Puis on traite ce mélange avec 28 g d'acide nitrique à 70 % dilués avec 250 g d'eau déminéralisée et on mélange pendant cinq minutes. On sèche ensuite ce gel à 110 C, on le broie dans un broyeur à cylindres Braun avec un espace de 1,067 mm (0,042 pouce), et on le calcine dans un four rotatif dont la région la plus chaude est à 1210 C, le temps passé par les particules abrasives dans la zone chaude étant de 10 minutes. Les particules abrasives obtenues ont une masse volumique de 3,85 g/cm3 et une taille de cristal d'environ 0,1 micromètre. Des particules abrasives produites exactement de la même manière mais sans l'addition de latex ont une taille de cristal similaire mais une masse volumique de 3,89 g/cm3. On soumet des particules abrasives selon l'invention et des particules abrasives conventionnelles, préparées de la même manière sans l'addition de latex, au même test que celui indiqué dans l'Exemple 1, sauf qu'on sélectionne 80 échantillons de particules abrasives pour le test et que l'outil est en acier M7. Les résultats obtenus montrent que, après achèvement du test, les particules abrasives selon l'invention ont un taux d'usure qui représente 162 % de celui des particules conventionnelles. REVENDICATIONS 1. Particules abrasives d'alumine alpha ayant une taille de cristal inférieure à 5 micromètres, dans lesquelles pratiquement toute l'alumine est sous la forme alpha, et dans lesquelles la masse volumique est de 3,6 à 3,9 glcm3 et dans lesquelles les particules abrasives comprennent, dispersés de façon aléatoire, des vides pratiquement sphériques ayant des diamètres de 0,1 à 5 micromètres. 2. Particules abrasives d'alumine alpha selon la revendication 1, dans lesquelles les microvides ont des diamètres de 0,5 à 2 micromètres. 3. Procédé pour la production de particules abrasives d'alumine alpha qui comprend a) la formation d'une dispersion aqueuse d'un précurseur d'alumine alpha; b) la dispersion uniforme de matériaux particulaires formant des vides à l'intérieur de la dispersion ; le séchage et la calcination de la dispersion uniforme pour éliminer par calcination tout matériau organique et convertir le précurseur d'alumine alpha en alumine alpha dans laquelle sont uniformément dispersés des microvides ayant des diamètres de 0,1 à 5 micromètres ; et c) la formation de particules abrasives dans la plage de tailles souhaitée. 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel la formation de particules abrasives est mise en couvre avant que le précurseur d'alumine alpha soit calciné pour former de l'alumine alpha. 5. Procédé selon la revendication 3, dans lequel les particules formant des vides sont des particules d'un latex polymère. 6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel le polymère est un polymère thermoplastique. 7. Procédé selon la revendication 4, dans lequel les particules formant des vides sont choisies dans le groupe formé par les particules creuses minérales et les poudres qui, lors d'un chauffage se décomposent pour engendrer un gaz. 8. Procédé selon la revendication 3, dans lequel le précurseur d'alumine alpha comprend en outre des particules germes efficaces pour favoriser la conversion en la forme alpha. 9. Procédé selon la revendication 3, dans lequel le précurseur d'alumine alpha est la boehmite.