Brevet FR2836472A1 — publié le 20030829

Grains abrasifs à base d'oxynitrure d'aluminium Domaine technique de l'invention L'invention concerne le domaine des grains abrasifs, en particulier les grains agglomérés destinés aux meules de rectification, les grains appliqués sur des supports de type toiles et papiers, ainsi que les grains utilisés en projection ou en pâte de polissage. Etat de la technique Dans le domaine des abrasifs, les produits à base d'alumine occupent une place importante depuis très longtemps puisque l'usage de l'émeri était déjà connu du monde grec. Le produit le plus communément utilisé est aujourd'hui le corindon électro-fondu, qu'il s'agisse du corindon blanc constitué d'alumine à peu près pure ou du corindon brun, moins pur, obtenu par fusion réduction de bauxite. Un progrès important a été réalisé avec l'apparition de grains abrasifs obtenus par frittage d'alumines sol-gel. Le brevet EP 0273569 (3 M) décrit ainsi des particules abrasives constituées d'alumine, d'oxynitrure d'aluminium (Al ON) y et éventuellement d'un nitrure d'un métal du groupe IVb de la classification périodique, préparées par voie sol-gel et frittage réactif. Le coût élevé de ces produits a conduit à rechercher des grains abrasifs capables de mieux se positionner en rapport qualité-prix Le brevet EP 0494129 de la demanderesse décrit un procédé de nitruration directe, à l'aide d'azote, de métaux à bas point de fusion, notamment l'aluminium. Le brevet EP 0509940 de la demanderesse décrit une large gamme de produits abrasifs ou réfractaires à base oxynitrures obtenus par fusion au four électrique, parmi lesquels des produits à base d'oxynitrure d'aluminium. But de l'invention L'invention a pour but de fournir des grains abrasifs à base d'oxynitrure d'aluminium, destinés à être utilisés comme grains appliqués sur des supports de type toiles et papiers, ou comme grains agglomérés dans des meules de rectification des métaux et alliages métalliques, ou en projection ou en pâte de polissage, et capables de performance élevées. Obiet de l'invention L'invention a pour objet des grains abrasifs à base d'oxynitrure d'aluminium, avec une teneur équivalente en AIN, mesurée sur un diagramme pseudo-binaire A1203-AIN, comprise entre 4% et 9% en poids, et de préférence entre 5 et 8%, et une structure constituée majoritairement d'AION f. Ces grains ont le plus souvent une teneur en aluminium métal inférieure à 0,3% en poids, et de préférence à 0,1%, et une teneur en nitrure d'aluminium libre AIN inférieure à 0, 3%, et de préférence à 0, 1%. L'invention a également pour objet un procédé de préparation de tels grains abrasifs comportant la préparation d'une charge d'alumine, de nitrure d'aluminium AIN et/ou d'oxynitrure AlxOyNz, la fusion de cette charge et son refroidissement à moins de 1 C par minute. Elle a également pour objet un procédé de préparation de tels grains abrasifs comportant la préparation d'un mélange de poudres d'alumine, de nitrure d'aluminium AIN et/ou d'oxynitrure AlxOyNz, le frittage réactif de ce mélange à une température comprise entre 1950 et 2000 C, et le refroidissement des grains frittés à moins de 1 C par minute. Description de l'invention On définira ci-dessous la composition des produits en oxynitrure d'aluminium par leur teneur équivalente en AIN, en se plaçant dans un diagramme pseudo-binaire AIN-Al203 et non dans un diagramme ternaire AI-O-N, ce qui ne signifie nullement que ces phases AIN et Al203 soient réellement présentes dans le produit décrit. On fait donc la distinction entre les teneurs équivalentes en AIN, destinées uniquement à positionner le produit correspondant dans le diagramme pseudo-binaire, et les teneurs réelles en AIN, désignées sous le terme de teneurs en AIN libre. On connaît trois composés définis de type oxynitrure d'aluminium, qu'on peut décrire dans le diagramme pseudo-binaire AIN-Al203 : - le composé 2 A1203, AIN qui constitue une phase solide dénommée phase y , dont la teneur équivalente en AIN est de 16,7%, mais dont le domaine d'existence, qui dépend de la température, s'étend de 6, 6% à 18, 6% d'AIN. Cette phase qui n'est stable qu'entre 1640 C et 2085 C, se décompose lentement dans l'état solide en dessous de 1640 C. Cette matière est souvent dénommée AION y. - le composé 4 A1203, AIN qui constitue une phase solide dénommée phase - le composé 8 Al203, AIN qui constitue une phase solide dénommée phase dont la teneur équivalente en AIN est de 4,8%. Cette phase n'est stable qu'entre 1985 C et 2041 C. En dessous de 1985 C, cette phase se décompose en phase +'eut alumine a. Le diagramme de phases AlO-AIN a fait l'objet de plusieurs études, dont une thèse de Patrick Tabary à l'Université de Paris-Sud en 1997. On y apprend que les trois phases décrites ci-dessus présentent une dureté Vickers de 18,4 GPa contre 20 GPa pour le corindon et 22 GPa pour les alumines obtenues par voie sol-gel. Ces trois phases présentent une remarquable inertie chimique et sont inattaquables à l'eau dans large domaine de pH. Par contre le nitrure AIN se décompose rapidement au contact de l'eau en donnant du gaz ammoniac. La demanderesse a tenté de développer des grains abrasifs à base d'oxynitrure d'aluminium de type AION y, avec une teneur équivalente en AIN comprise entre 11 et 12,5%, préparés par nitruration directe et fusion selon les brevets EP 0 494 129 et EP 0 509 940, et obtenus par refroidissement rapide à partir du matériau fondu. L'expérience a montré que, malgré une trempe énergique, on ne pouvait éviter une certaine décomposition de l'AlON y en nitrure d'aluminium et alumine, ce qui a pour conséquence de laisser un produit qui, au contact de l'humidité, dégage de l'ammoniac. Par ailleurs malgré une dureté sensiblement inférieure à celle de l'alumine a, les propriétés abrasives de ce matériau se sont avérées certes supérieures à celles de l'alumine a, mais inférieures à celles de grains abrasifs préparés par la voie sol-gel. Lors d'une fabrication de matériau électro-fondu de type AION y destiné à être coulé et trempé, un incident sur le four a conduit à un arrêt prolongé ; la charge s'est finalement solidifiée dans le four sans pouvoir être coulée et l'absence de liquide a empêché le redémarrage en fusion. Le four a finalement été démonté et sa démolition s'est avérée particulièrement difficile. Les zones les plus dures à démolir ont fait l'objet d'analyses qui ont permis d'identifier des matériaux qui, en dépit de faibles teneurs équivalentes en AIN et d'une vitesse de refroidissement particulièrement lente, ont révélé des propriétés intéressantes. La demanderesse a ainsi isolé des matériaux qui, au terme d'un refroidissement très lent, se sont avérés constitués d'un mélange d'AlON +'eut d'AION y, et qui présentaient une dureté inhabituelle et inattendue. Ce type de matériau préparé en grains a montré des qualités abrasives exceptionnelles, très supérieures à celles du produit de l'art antérieur, positionné entre les teneurs équivalentes en AIN de 11 et 12,5%. Ce matériau a ensuite été fabriqué en remplaçant le four de fusion avec coulée par un four de type Higgins ; dans cette technique, le four, qui n'est pas coulé, se remplit progressivement ; le four plein est arrêté et abandonné en refroidissement naturel. Il est à noter que la vitesse de refroidissement du matériau ainsi élaboré dépend directement de la taille du four. Après plusieurs essais destinés à optimiser la composition du matériau, on a finalement identifié un domaine de composition optimal situé entre les teneurs équivalentes en AIN de 4% et 9%, et préférentiellement entre 5 et 8%. Malgré les vitesses de refroidissement constatées avec un four capable de préparer des masses de 16 tonnes, vitesses qui sont très inférieures à 1 C par minute, on a noté des teneurs réelles en AIN très basses, inférieures à 0, 3%, voire inférieures à 0, 1%. Par ailleurs le produit obtenu est mécaniquement stable au contact de l'eau. Ainsi, un lavage à l'eau du produit en grains permet d'éliminer les traces d'AIN résiduel sans altérer la qualité mécanique des grains ; on peut ainsi descendre la teneur réelle en AIN des grains à moins de 0,01%. L'intérêt d'un tel lavage à l'eau est essentiellement de fournir des grains qui ultérieurement ne dégageront aucune odeur au contact de l'humidité. On a également constaté que les procédés décrits dans EP 0494129 et EP 0509940 permettent d'obtenir des matériaux à faibles teneurs en aluminium métal. Ainsi les matériaux selon l'invention peuvent au moyen de ces procédés être préparés avec des teneurs en Al inférieures à 0,3%, voire 0, 1%. Si par ailleurs on prend le soin d'effectuer le lavage à l'eau destiné à détruire les traces d'AIN avec une eau acidifiée de pH compris entre 5 et 7, par exemple avec de l'acide sulfurique, on peut simultanément descendre la teneur en aluminium résiduaire à moins de 0, 01%. Dans le procédé décrit aux brevets EP 0494129 et EP 0509940, la fabrication des oxynitrures fondus et coulés nécessite de préparer un volume de bain liquide important et suffisamment surchauffé pour permettre la coulée. Cette étape semblait incontournable pour obtenir un produit stabilisé par trempe. Or, il est apparu de façon inattendue qu'avec des vitesses de refroidissement extrêmement lentes, très inférieures à 1 C par minute, comme celles que l'on obtient avec un four Higgins de taille industrielle de plusieurs tonnes, on pouvait obtenir des produits qui, d'une part ne contiennent que très peu de nitrure d'aluminium libre, et d'autre part conservent une structure constituée majoritairement d'AION f. Ces produits présentent des propriétés abrasives remarquables, notamment une dureté égale ou supérieure à 16 GPa, et une ténacité égale ou supérieure à 1,5 MPa/m. Or l'avantage d'une fusion en four industriel de type Higgins est de permettre de travailler avec un procédé beaucoup plus simple que celui décrit dans les brevets EP0494129 et EP 0509940. On notera qu'il est également envisageable dans la fabrication des produits de l'invention, de remplacer l'alumine Bayer par exemple par des fines de corindon brun. On peut également fabriquer les produits selon l'invention par frittage sous atmosphère inerte, azote ou argon, à partir des matériaux de base à des températures comprises entre 1950 C et 2000 C. Les propriétés abrasives des grains abrasifs ainsi obtenus se sont avérés voisines de celles du produit obtenu en passant par la phase liquide, sous réserve de ramener ce matériau à la température ambiante à des vitesses de refroidissement comparables. Exemples Méthodes d'analyses et de contrôle La teneur en AIN équivalent a été mesurée sur échantillons de 5 mg pesés à 0,1 mg près, par combustion dans un analyseur de gaz LECO TC 436, et analyse par conductivité thermique pour l'azote, et par spectrométrie d'absorption infrarouge pour l'oxygène. Sur chaque échantillon, le résultat indiqué est la moyenne de cinq mesures. La mesure de la teneur en AIN libre a été faite par attaque acide en milieu sulfurique et dosages des ions NH4+ obtenus. Exemple 1 On a mélangé 2500 kg d'alumine Bayer en poudre inférieure à 100 um, avec 1000 kg d'aluminium en poudre de granulométrie inférieure à 1,2 mm. Ce mélange a été placé dans un four étanche, dégazé sous vide, puis chauffé sous une pression d'azote de 1 at. La nitruration a démarré vers 700 C, et l'on a maintenu la pression d'azote pour favoriser la montée en température de la charge. La réaction exothermique a permis d'atteindre environ 1750 C en fin d'opération. Après refroidissement, on a récupéré au terme de l'opération une masse de 4010 kg, poreuse, homogène, mécaniquement peu solide, dont l'analyse a donné : Teneur en AIN équivalent : 35, 6% Teneur réelle en AIN présent sous la forme AIN : 5,3%. Teneur en Al métal : 0,05% Le produit obtenu a été broyé à une granulométrie inférieure à 10 mm. Exemple 2 On a préparé 16000 kg d'un mélange constitué de 3200 kg du produit obtenu à l'exemple N'l et 12800 kg d'alumine Bayer. Ce mélange a été fondu dans un four Higgins de 1,8 MW. En fin d'opération le four a été arrêté et laissé en refroidissement naturel. Au terme de cinq jours, la masse obtenue était suffisamment refroidie pour pouvoir être cassée. Le produit obtenu a fait l'objet d'un examen de structure, et on a observé : Phase majoritaire : Alon (j)' Phase minoritaire : Alon y Phases présentes en faibles proportions : AIN et alumine a. Le produit obtenu a été broyé et conditionné en grains L'analyse de ce produit a donné : Teneur en AIN équivalent : 7,9% Teneur réelle en AIN présent sous la forme AIN : 0,05%. Teneur en Al métal : 0,02% Le produit a été broyé, lavé à l'eau, séché, puis conditionné et classé en différents calibres dont des grains F30 et des grains F80 selon la norme FEPA. Ces grains ont été testés en atmosphère humide : aucun dégagement de gaz ammoniac n'a été décelé. Les propriétés mécaniques des grains F30 obtenus dans l'opération ont été mesurées par indentation avec une force de 2 N appliquée pendant 10 secondes et comparées aux résultats donnés par d'autres produits. Les résultats sont rassemblés dans le tableau 1 : Tableau 1 Dureté Knoop Dureté Vickers Ténacité Produit 18,1 GPa 17,7 GPa 1,65 MPa.m1/2 de l'exemple 2 Corindon blanc 20,3 GPa 20 GPa 2,0 MPa.m1/2 Oxynitrure d'Al 18,0 GPa 17,3 GPa 1,6 MPa.m1/2 de l'art antérieur Abrasif de type 21,5 GPa 21,2 GPa 3,7 MPa.m1/2 sol-gel Deux lots de grains abrasifs F80 ont été préparés pour des essais comparatifs de meules à liant vitrifié : - un lot de grains d'alumine sol-gel tels que ceux habituellement mis en oeuvre dans cette application, un lot de grains abrasifs issus de l'exemple précédent. Six lots de meules ont été fabriqués en utilisant chaque fois, un mélange de 70% de grains F80 de corindon blanc électro-fondu et 30% de grains à tester. Les dimensions de ces meules étaient les suivantes : Diamètre extérieur : 160 mm ; diamètre intérieur : 20 mm ; épaisseur : 20 mm. Deux lots de meules ont été fabriqués avec ces échantillons avec des taux de liants correspondant aux grade 1 ; deux autre lots ont été préparés avec des taux de liants correspondant au grade K, et enfin deux lots avec des taux correspondant au grade M. Des tests de meulage ont été effectués avec ces six lots de meules sur des barreaux d'acier 100C6, section 12x12 mm, avec une pression de 2 bars et une vitesse tangentielle en périphérie de meule de 50 m/s. La durée de chaque essai était de 2 minutes. Les résultats obtenus ont été exprimés à travers les trois paramètres habituels : enlèvement de matière, ratio G (enlèvement de matière/usure de meule), puissance absorbée, et rassemblés dans le tableau 2 : Tableau 2 Alumine sol-gel Produit de l'exemple ? 2 Grade 1 Grade K Grade M Grade 1 Grade K Grade M Enlèvement de 15,6 8,9 5,3 12,6 9,4 8,4 matière (g) Ratio G 50,6 38, 3 27,7 49,4 42,8 45,9 Puissance absorbé (W) 477 534 556 605 423 605 Energie/Enlèvement de matière 1, 02 2,0 3,5 1,6 1,5 2,4 (kWh/kg) On constate donc, par rapport au meilleur produit de l'art antérieur, un enlèvement de matière plus rapide, un meilleur ratio G, et une consommation d'énergie moindre qui se traduit par un moindre échauffement de la pièce usinée. Le même test de meulage a été effectué avec trois lots de meules de grade M fabriquées dans les mêmes conditions que les précédentes avec, soit le lot de grains préparés dans cet exemple, soit un lot de grains de type oxynitrure d'Al de l'art antérieur, soit un lot de grains d'alumine sol-gel tels que ceux habituellement mis en oeuvre dans cette application. Ce test a été complété par un essai de meule préparée avec des grains F80 de corindon blanc exclusivement. Les résultats obtenus ont été exprimés à travers les trois paramètres habituels : enlèvement de matière, ratio G (enlèvement de matière/usure de meule), puissance absorbée, et rassemblés dans le tableau 3 : Tableau 3 Enlèvement de Ratio G Puissance Energie/Enlève matière (g) absorbée ment de matière (W) ment de matlère (kWh/kg) Produit 8, 4 45, 9 605 2, 4 de l'exemple 2 Oxynitrure d'Al 5, 4 20, 6 615 3, 8 de l'art antérieur Abrasif de type 5, 3 27, 7 556 3, 5 sol-gel Corindon blanc 4,9 15,0 780 5,3 Exemple 3 On a préparé un mélange constitué de 20% du produit obtenu à l'exemple N'l et de 80% d'alumine Bayer. Ce mélange a été broyé à une granulométrie inférieure à 2 um. Une pâte a été préparée par malaxage avec ajout de 1% de carboxyméthylcellulose, puis pressée à 500 bars et extrudée en bâtonnets cylindriques de diamètre 1 mm. Ce matériau cru a été traité à 1950 C, puis refroidi jusqu'à l'ambiante à une vitesse de 10C par minute. Ce matériau a ensuite été broyé, lavé, séché, puis classé ; les grains F30 et F80 ont servi aux opérations suivantes : - sur les grains F30, ont été mesurées les caractéristiques mécaniques du matériau. - les grains F80 ont été utilisés pour fabriquer un lot de meules en Grade M dans des identiques à celles de l'exemple 2 ; ces meules ont été testées dans les mêmes conditions qu'à l'exemple précédent. Les résultats de ces essais sont indiqués au tableau 4 : Tableau 4 Dureté Knoop Dureté Vickers Ténacité Produit 17,9 GPa 17,5 GPa 1, 6MPam de l'exemple 3 Abrasif de type 21,5 GPa 21,2 GPa 3,7 MPa#m sol-gel Enlèvement Puissance Energie/ de matière Ratio G absorbée Enlèvement de matière (kWh/kg) Produit 7,9 43 615 2,6 de l'exemple 3 Abrasif de type 5,3 27,7 556 sol-gel Revendications 1) Grains abrasifs à base d'oxynitrure d'aluminium, caractérisés par une teneur équivalente en AIN, mesurée sur un diagramme pseudo-binaire Ah03-AIN, comprise entre 4% et 9% en poids, et une structure constituée majoritairement d'AlON '. 2) Grains abrasifs selon la revendication 1, caractérisés par une teneur équivalente en AIN comprise entre 5% et 8% en poids. 3) Grains abrasifs selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisés par une teneur en aluminium métal inférieure à 0,3% en poids, et une teneur en nitrure d'aluminium libre AIN inférieure à 0,3%. 4) Grains abrasifs selon la revendication 3, caractérisés par une teneur en aluminium métal inférieure à 0, 1%, et une teneur en nitrure d'aluminium libre AIN inférieure à 0, 1%. 5) Procédé de préparation de grains abrasifs selon l'une des revendications 1 à 4, comportant la préparation d'une charge d'alumine, de nitrure d'aluminium AIN et/ou d'oxynitrure AlxOyNz, la fusion de cette charge et son refroidissement à moins de 1 C par minute. 6) Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la fusion est effectuée dans un four Higgins sans coulée. 7) Procédé de préparation de grains abrasifs selon l'une des revendications 1 à 4, comportant la préparation d'un mélange de poudres d'alumine, de nitrure d'aluminium AIN et/ou d'oxynitrure AlxOyNz, le frittage réactif de ce mélange à une température comprise entre 1950 et 2000 C, et le refroidissement des grains frittés à moins de 1 C par minute. 8) Procédé selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte un lavage final des grains avec de l'eau acidifiée de pH compris entre 5 et 7. 9) Grains abrasifs préparés selon le procédé de la revendication 8, caractérisés par une teneur en aluminium métal inférieure à 0,01% et une teneur réelle en nitrure d'aluminium Al inférieure à 0,01%. 10) Grains abrasifs selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisés par une dureté égale ou supérieure à 16 GPa, et par une ténacité égale ou supérieure à 1,5 Maim. 11) Utilisation de grains abrasifs selon l'une des revendications 1 à 4 pour la fabrication de meules abrasives destinées à la rectification des métaux et alliages métalliques. 12) Utilisation de grains abrasifs selon l'une des revendications 1 à 4 pour la fabrication de toiles et papiers abrasifs destinés au polissage. 13) Utilisation de grains abrasifs selon l'une des revendications 1 à 4 pour le polissage par projection ou la fabrication de pâte à polir.