Brevet FR2853898A1 — publié le 20041022

L'invention se rapporte à des grains céramiques à base d'alumine et obtenus par fusion. Les grains céramiques alumineux sont, entre autres applications, utiles pour la fabrication d'outils abrasifs. On classe généralement les outils abrasifs selon le 5 mode de mise en forme des grains céramiques qui les constituent: abrasifs libres (utilisation des grains en projection ou en suspension, sans support), abrasifs appliqués (grains appliqués sur un support de type toiles ou papiers, les grains étant classiquement disposés sur plusieurs couches) et abrasifs agglomérés (grains agglomérés sous forme de meules circulaires, de bâtons, etc.). Dans la cas des outils abrasifs agglomérés, les grains abrasifs sont pressés avec un liant organique ou vitreux. Les liants vitreux sont généralement constitués d'oxydes, essentiellement silicatés. Les grains agglomérés doivent présenter euxmêmes de bonnes propriétés mécaniques à l'abrasion, en particulier présenter une bonne ténacité. Ils doivent en outre pouvoir être fixés solidement au liant (solidité de 15 l'interface). On trouve aujourd'hui différentes familles de grains céramiques permettant de couvrir toutes ces applications avec des performances variées. On distingue en particulier deux grandes familles selon que les grains sont obtenus par voie sol-gel ou par fusion. Le procédé par voie sol-gel, tel que décrit par exemple dans EP 1 228 018 (USP 6,287,353) permet de fabriquer des grains à structure cristalline très fine, classiquement submicronique, qui leur confère une excellente efficacité de coupe et une longue durée de vie. La productivité du procédé sol-gel est cependant faible et entraîne des coûts de fabrication élevés. Les grains fondus obtenus par fusion des matières premières ou " grains fondus " ont classiquement des structures cristallines beaucoup plus grossières et offrent une efficacité de coupe et une durée de vie moindres. Des grains fondus contenant principalement de l'alumine sont par exemple décrits dans US 4,157,898. L'avantage principal de ces grains est leur faible coût de fabrication. La composition des grains est importante, mais le procédé de fabrication est également déterminant sur les performances. Ainsi, pour une composition donnée, une microstructure obtenue par voie sol-gel et offrant des propriétés intéressantes ne peut pas facilement être obtenue par fusion. Le tableau I suivant fournit, à titre de comparaison, les résultats à un test de résistance à la fracturation (test A), décrit plus en détail dans la suite de la description, pour deux grains abrasifs à forte teneur en alumine de l'art antérieur. Ces deux grains sont fabriqués et commercialisés par Saint-Gobain Industrial Ceramics. 5 Le grain de corindon blanc est obtenu par fusion et le Cerpass par voie sol-gel. Comme le montre le tableau 1, les compositions chimiques sont très proches (le complément est l'alumine). Mais, le corindon blanc donne un résultat de 119% au test A alors que le Cerpass donne 375%. Tableau 1 SiO2 TiO2 Na2O MgO CaO Fe203 Cr203 Test A Corindon Il existe donc un besoin pour des grains alumineux fondus offrant des performances en termes de durée de vie et d'efficacité de coupe meilleures que 15 celles des grains alumineux fondus actuels, mais pouvant être fabriqués à un coût significativement inférieur à celui des grains alumineux obtenus par voie sol-gel. La présente invention vise à satisfaire ce besoin. Selon l'invention, on atteint ce but au moyen de grains fondus ayant la composition chimique pondérale moyenne, en pourcentage en poids sur la base des 20 oxydes, suivante: A1203: 93 % à 98,5 % MgO: 1,5à6,5%, SiO2 Comme nous le verrons plus loin, de tels grains, fabriqués par fusion, sont peu coûteux et présentent néanmoins une longue durée de vie et une excellente efficacité de coupe. Sauf mention contraire, les pourcentages utilisés dans la présente demande se réfèrent toujours à des pourcentages en poids sur la base des oxydes. Selon d'autres caractéristiques préférées de l'invention: - la teneur minimale en magnésie (MgO), en pourcentage en poids sur la base des 5 oxydes, est de 2 %, de préférence de 2,45 % et la teneur maximale en MgO, en pourcentage en poids sur la base des oxydes, est de 4 %, de préférence de 2,5 % ; - la teneur maximale en carbone est de 250 ppm, de préférence de 200 ppm; - la teneur maximale en Na2O, en pourcentage en poids sur la base des oxydes, est 10 de 0,1 %, de préférence de 0,05 %; L'invention concerne également un procédé de fabrication de grains céramiques comportant les étapes successives suivantes: a) préparation d'un mélange de matières premières ayant la composition chimique pondérale moyenne, en pourcentage en poids sur la base des oxydes, suivante: A1203:93%à97,5% MgO: 1,5à6,5%, SiO2 Selon d'autres caractéristiques préférées du procédé selon l'invention, ledit mélange de matières premières comporte en outre entre 0,8 et 5,5%, de préférence 2,5 %, en masse de carbone et/ou entre 0,8 et 5,5%, de préférence 30 2,5 %, en masse de copeaux d'aluminium métallique; - le procédé comporte, après l'étape d), une étape de calcination sous atmosphère oxydante à une température supérieure à 1250'C, de préférence supérieure à 1350'C, de préférence encore supérieure à 1400'C, la température de calcination étant de préférence maintenue pendant une durée d'au moins 30 minutes; - le procédé comporte une dernière étape de tamisage des grains broyés et de sélection des grains tamisés, les grains sélectionnés ayant de préférence un grit inférieur ou égal à F50, selon la norme Standard FEPA 42-GB-1 984. L'invention concerne enfin l'utilisation des grains selon l'invention et/ou des 5 grains obtenus au moyen du procédé selon l'invention dans des produits abrasifs, de préférence dans des produits agglomérés ou dans des produits appliqués. Les exemples non limitatifs suivants sont donnés dans le but d'illustrer l'invention. Les produits donnés en exemples ont été préparés à partir d'un mélange de 10 départ contenant les matières premières suivantes: - Alumine de type AR75 commercialisée par la société Pechiney et contenant en moyenne 99 % d'Al203. - Magnésie NedMag contenant environ 98 % de MgO. La silice ainsi que l'oxyde de sodium sont connus pour être néfastes et leurs 15 teneurs respectives doivent être limitées à des traces ( La teneur des autres impuretés telles CaO, TiO2, Fe2O3 ou Cr2O3 ne doit pas dépasser 0,3%. Le mélange de départ a été fondu selon un procédé classique de fusion en four à arc en milieu réducteur, avec ajout de 2,5 % en masse de carbone, par 25 exemple de coke de pétrole, de brai ou de charbon, et de 2,5 % en masse de copeaux d'aluminium métallique. L'arc électrique était court et l'énergie avant coulée comprise entre 2000 et 2500 kWh par tonne de mélange de matières premières de départ. La tension nécessaire pour l'obtention d'un arc court dépend de nombreux paramètres, bien maîtrisés par l'homme du métier, tels que la taille du four, le 30 nombre et la taille des électrodes. Le bain des matières premières fondues a ensuite été refroidi rapidement pour favoriser l'obtention de structures fines et orientées, au moyen de dispositifs de coulée entre plaques minces métalliques tels que celui présenté dans le brevet US-A3,993,119. Le matériau fondu et refroidi, ou " crude ", a ensuite été broyé, par exemple sur broyeurs à rouleaux, puis tamisé et classifié en séries de distributions 5 granulométriques (" numéro " ou " grits ") selon la norme de la Fédération Européenne des Fabricants de Produits Abrasifs, norme FEPA Standard 42-GB1984. Selon l'invention, pour améliorer la résistance à l'impact et la performance abrasive des grains obtenus, les grains ont ensuite subi une étape de traitement 10 thermique. De préférence, le traitement thermique comprend une calcination sous atmosphère oxydante, de préférence sous air, à une température supérieure à 1250'C, de préférence supérieure à 13500C, de préférence encore supérieure à 1400'C, pendant une durée d'au moins 2 minutes, de préférence d'au moins 5 minutes, de préférence encore d'au moins 30 minutes. Pour les exemples, les grains ont été calcinés sous air à diverses températures pendant des durées variables. Ces paramètres opératoires figurent dans le tableau 2 ci-dessous. L'analyse chimique des produits obtenus est donnée dans le tableau 2. Il s'agit d'une analyse chimique moyenne, donnée en pourcentage en poids. L'analyse chimique, hors teneur en carbone, est obtenue par fluorescence des rayons X. Le taux de carbone, qui reflète l'état d'oxydo-réduction, est mesuré par absorption infrarouge. Pour ce faire, on broie l'échantillon après séparation magnétique, dans un bol de broyage exempt de carbone (par exemple en alumine25 zircone-silice fondue), jusqu'à l'obtention d'une poudre passant au tamis 160 pm. L'échantillon ainsi préparé est analysé avec un appareil LECO 0, modèle CS300. Le grain de référence est un grain alumineux fondu, élaboré dans des conditions réductrices, et commercialisé sous l'appellation 32AIl par la société SaintGobain Industrial Ceramics. Son analyse chimique typique révèle 99,4 % d'AI203, 30 0,4 % de TiO2, moins de 0,1 % de Na2O et moins de 0,02 % de SiO2. Pour caractériser leurs propriétés mécaniques, les grains ont été soumis à un test de résistance à la fracturation (test A). Ce test vise à déterminer la fraction de grains survivants d'une tranche granulométrique donnée après une sollicitation dans un bol de broyage en acier. On utilise un broyeur tournant AUREC type T100 qui met en mouvement un bol cylindrique creux contenant les grains ainsi qu'un anneau et un palet. Le bol est 5 en acier nuance Z200C12 et a un diamètre intérieur de 140 mm et une hauteur de 18 mm. Le palet est cylindrique et creux (diamètre 75 mm, hauteur 46 mm et épaisseur de paroi de 10 mm). L'anneau a un diamètre intérieur de 95 mm et extérieur de 120 mm. Le palet et l'anneau sont en acier de la même nuance que le bol. Les grains sont tout d'abord tamisés et classés selon les fractions suivantes à tester: 7101850 iim pour représenter le grain de numéro F24, 500/600 pm pour représenter le grain de numéro F36, 300/355 pm pour représenter le grain de numéro F54, 15 250/300 pm pour représenter le grain de numéro F60 180/212 pm pour représenter le grain de numéro F80, 106/125 pm pour représenter le grain de numéro F120, Les grains sont ensuite déferrés par séparation magnétique. Le bol est nettoyé à l'air comprimé avant que l'on y introduise un échantillon de 25 grammes de 20 grains. Le broyeur est mis en route à sa vitesse nominale (1400 tours/min) pendant 5 secondes. L'échantillon est ensuite extrait à l'aide d'un pinceau (N050). On analyse alors sa répartition granulométrique en l'introduisant sur une série de tamis à l'aide d'une tamiseuse ROTAP, pendant 5 minutes. Puis on mesure la masse de grains ne passant pas le tamis d'ouverture 425 pm. Cette masse, donnée en pourcentage par 25 rapport à la masse restante dans les mêmes conditions pour l'échantillon de référence, correspond au résultat du test A. On considère que la valeur obtenue lors du test A doit être supérieure à 190, (c'est-à-dire que la masse de grains ne passant pas le tamis d'ouverture 425 pm est au moins 1,9 fois supérieure à celle de la référence), de préférence doit être 30 supérieure à 300, (c'est-à-dire que la masse de grains ne passant pas le tamis d'ouverture 425 pum est au moins 3 fois supérieure à celle de la référence), pour que l'effet soit suffisamment marqué pour que ces grains puisse être utilisés dans des produits abrasifs. Pour évaluer l'efficacité de coupe des grains obtenus, nous avons mis en oeuvre le test B suivant. Dans ce test, la préparation des échantillons est identique à celle du test A. On utilise le même appareillage et le même mode opératoire. Après tamisage de 5 l'échantillon testé, on réintroduit l'ensemble de l'échantillon pendant 145 secondes dans le broyeur. L'échantillon est ensuite extrait à l'aide d'un pinceau dur et on mesure le taux de fer par diffraction des rayons X. Cette valeur, donnée en pourcentage par rapport à la valeur obtenue dans le même test pour l'échantillon de référence, est le résultat du test B. On considère que la valeur obtenue lors du test B doit être supérieure ou égale à 70 % pour que l'efficacité de coupe soit satisfaisante. Tableau 2 Traitement thermique Ircalcinationnl Composition en % en poids Etat redox Taille Grains (Griti Ex. Temp. Durée % % % % Autres C Test Test ( C) (minutes) A1203 MgO SiO2 Na2O impur. (ppm) A B 1 1400 35 > 98,68 0,87 98,2 1,35 98 1,55 97,94 1,61 97,78 1,75 97,08 2,47 97, 08 2,47 97,08 2,47 97,08 2,47 97,08 2,47 97, 08 2,47 96,85 2,68 96,26 3,39 96,26 3,39 96,26 3,39 96,03 3,6 95,89 3,76 95,89 3,76 95,67 3,88 95, 67 3,88 95,67 3,88 95, 67 3,88 95,77 3,88 95,77 3,88 95,69 3,95 95,69 3,95 95,69 3,95 95,69 3,95 95,69 3,95 95,11 4,54 94,41 5,24 93,53 6,12 93,06 6,59 92,54 7,01 De préférence, la teneur minimale en MgO est de 2 %, de préférence encore de 2,45 %. De préférence, la teneur maximale en MgO est de 4 %, de préférence encore de 2,5 %. Des analyses complémentaires (Microscope Electronique à Balayage) pour étudier les phases cristallines révèlent que les produits de l'invention sont constitués de cristaux de corindon 1 (alumine alpha) entourés d'une phase spinelle MgO-AI203 non stoechiométrique 2 (voir photo 3 annexée). La taille moyenne des cristaux de corindon est de 18 à 20 pm. Typiquement, 90 % des cristaux ont une taille supérieure 10 à 9 Hum et 90 % ont une taille inférieure à 27 pm. 100 % des cristaux ont une taille supérieure à 5 pm. La comparaison des exemples 13 et 14, ou des exemples 23 et 24, ou des exemples 26, 27 et 28, illustre l'influence de la taille des grains. Les grains résistent d'autant mieux à la fracturation et présente une capacité de coupe d'autant meilleure 15 qu'ils sont gros, c'est-à-dire plus leur " grit " est petit. Pour les applications très exigeantes, par exemple pour une utilisation dans un outil de meulage à forte pression, on sélectionne de préférence les grains les plus gros, de préférence les grains grossiers ayant un grit inférieur ou égal au grit F60, de préférence inférieur au grit F50, de préférence encore inférieur au grit F36. L'étape de fusion dans des conditions réductrices du procédé selon l'invention génère des produits ayant une teneur en carbone faible. De préférence, le procédé est conduit, selon des techniques classiques pour l'homme du métier, de manière que le teneur en carbone soit inférieure à 250 ppm, de préférence inférieure à 200 ppm, de préférence encore inférieure à 180 ppm. Avantageusement, la faible teneur en carbone des grains selon l'invention les rend particulièrement adaptés pour une utilisation dans des abrasifs agglomérés. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés ci-dessus, fournis à titre illustratif et non limitatif. REVENDICATIONS 1. Grains céramiques fondus ayant la composition chimique pondérale moyenne, en pourcentage en poids sur la base des oxydes, suivante: A1203: 93 % à 98,5 % MgO: 1,5à6,5%, SiO2: 3. Grains selon la revendication 1, caractérisés en ce que la teneur minimale en MgO, en pourcentage en poids sur la base des oxydes, est de 2, 45 %. 4. Grains selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisés en ce que la teneur maximale en MgO, en pourcentage en poids sur la base des oxydes, est de 4 %. 5. Grains selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisés en ce que la teneur maximale en MgO, en pourcentage en poids sur la base des oxydes, est de 2,5 %. 6. Grains selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisés en ce que la teneur maximale en carbone est de 250 ppm. 7. Grains selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisés en ce que la teneur maximale en carbone est de 200 ppm. 8. Grains selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisés en ce que la teneur maximale en Na2O en pourcentage en poids sur la base des oxydes, est de 0,1 %, de préférence de 0,05 %. 9. Grains selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisés en ce qu'ils sont constitués de cristaux de corindon entourés d'une phase spinelle MgOA1203 non stoechiométrique. 1O.Grains selon la revendication 9, caractérisés en ce que la taille moyenne desdits cristaux de corindon est comprise entre 18 et 20 pm. i.Grains selon l'une quelconque des revendications 9 et 10, caractérisés en ce que % desdits cristaux de corindon ont une taille supérieure à 9 prm et/ou 90 % ont une taille inférieure à 27 pm. 12.Grains selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisés en ce que % desdits cristaux de corindon ont une taille supérieure à 5 pm. 13.Procédé de fabrication de grains céramiques comportant les étapes successives suivantes: a) préparation d'un mélange de matières premières ayant la composition chimique pondérale moyenne, en pourcentage en poids sur la base des oxydes, suivante: A1203: 93 % à 97,5 % MgO: 1,5à6,5%, SiO2: 14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que ledit mélange de 25 matières premières comporte en outre entre 0,8 et 5,5 % en masse de carbone et/ou entre 0,8 et 5,5 % en masse de copeaux d'aluminium métallique. 15. Procédé selon l'une quelconque des revendications 13 et 14, caractérisé en ce qu'il comporte, après l'étape d), une étape de calcination sous atmosphère oxydante à une température supérieure à 12500C. 16. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que la température de calcination est supérieure à 1350 C. 17. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que la température de calcination est supérieure à 14000C. 18. Procédé selon l'une quelconque des revendications 15 à 17, caractérisé en ce que la température de calcination est maintenue pendant une durée d'au moins 5 minutes. 19. Procédé selon l'une quelconque des revendications 13 à 18, caractérisé en ce qu'il comporte une dernière étape de tamisage des grains broyés et de 10 sélection des grains tamisés. 20. Procédé selon la revendication 19, caractérisé en ce que lesdits grains sélectionnés ont un grit inférieur ou égal à F50 selon la norme Standard FEPA 42-GB-1984. 21. Utilisation des grains selon l'une quelconque des revendications 1 à 12 et/ou 15 des grains obtenus au moyen du procédé selon l'une quelconque des revendications 13 à 20, dans des produits abrasifs. 22. Utilisation des grains selon la revendication 21, caractérisé en ce que lesdits produits abrasifs sont des produits agglomérés ou des produits appliqués