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PERFECTIONNEMENTS AUX OBJETS EN MATIERE ABRASIVE ET LEUR PROCEDE DE FABRICATION.
L'invention est relative aux produits abrasifs et plus particulièrement à une meule fabriquée aveo des grains abrasifs agglomérés à l'aide d'une matière céramique.
Une meule de ce genre est, en général, constituée par des grains abrasifs, par exemple d'alumine cristalline ou de carbure de silicium, liés par un agglomérant en matière céramique chauffé à une haute température pour former une mas- se vitreuse ou vitrifiée. Cet agglomérant asti en général, oonstitué par un mélange d'une ou plusieurs argiles, par exem- ple d'argile dite " ball-olay" et d'argile dite "slip-clay", avec du feldspath, du kaolin, du silex, etc., ledit agglomé- rant étant analogue à de la porcelaine ou à du verre lorsqu' il est mûr ou transformé. Il existe un grand nombre de oomposi- tions agglomérantes utilisées dans ce but,
ces compositions dépendant du degré de dureté que doit avoir la meule et de la
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nature et des dicicnaions des gnains abrasifs utilisés, ainsi que d'autres csiaotéristiques déterminées de la meule. Le choix de l'agglomérant a dépendu en grande partie, jusqu'ici de procédés plus ou moins scientifiques, et en dépit de nom- brauses années d'essais pratiques dans le choix de ces compo-
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sitions agglom6untes, les meules présentent souvent des caractéristiques inattendues ou impropres, et deux meules fabriquées avec la marna composition et,on le supposer par le morne procédépeuvent ne pas être du tout ressemblantes dans leurs propriétés de meulage.
Le degré de dureté d'une meule ou son degré apparent dans des conditions de meulage, est grandement mesuré par la force avec laquelle l'agglomérant maintient en position les grains abrasifs sous les efforts do moulage ou d'essais de la meule. Une moule de degré de du- @
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raté plus faible ayant une faible force d'agglOM62rationj st use en général plus vite en Cours. de meulage que ne le fait une meule dure.
En dépit des efforts réalisés par les fabri- aants do meules pour sortir des produits uniformes, on s'est
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npergu3 parfois, qu*un3 meule que l'on supposait dure s'usait plus vite qu'une meule que l'on supposait douce, Par ailleurs)' le modula d'élasticité'do certaines moules diminue à la lon- gLZe probablement, à cause de la production graduelle de cer- tains efforts int'9:rnes.
La. stabilité des propriétés d'une meu- 1G est une oar atéristiqne importante et recherchée.,
Une étude do ces problèmes montre que divers fao- tours négligés jusqu'ici doivent être considérés., Avec des abrasifs dioxyde d'aluminium cristallin, par exemple, la- con-
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taminaiion; d'ull agglomérant, de composition supposée unifor- mule par les impuretés et l'alumine provenant de l'abrasif doit $fre oon8id6é8.
Ceci est dû au fait que le procédé de vitrification nG03ssit, en général, une température de 1200o ou plus, et on a trouve qu'à une telle température les scories et les impuretés de verre.présentes dans l'abrasif peuvent ressortir à la surface du grain et.se mélanger avec la com-
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position agglomérante. En plus de l'exsudation de la scorie, la composition de l'agglomérant peut être quelque peu modi- fiée de façon préjudiciable par l'attaque chimique actuelle) de l'agglomérant fondu sur la surface du grain abrasif.
Il peut y avoir trente-deux fois plus d'abrasif qu'il n'y a d' agglomérant dans un mélange donné pour la fabrication d'une meule, de sorte que la présence même d'uns petite quantité de scorie dans l'abrasif, peut matériellement affecter la composition de l'agglomérant, et l'effet varie suivant les quantités d'ingrédients utilisées,.
La quantité de scorie et d'alumine fournie par l'abrasif à l'agglomérant dépend également de la température et des conditions de chauffage ainsi que de l'abrasif et de 1'agglomérant particuliers uti- lisés, On a oonstaté que très peu de scorie sort de l'abra- sif alumineux cristallin à et au-dessous da 11000 et il est, par suite, important de chauffer les meules à des températu- res nettement au-dessous de 1200 C. afin d contrôler ou éliminer cette sortie de scorie* Il est nécessaire, touts- fois qu'on utilise avec tout agglomérant donné une tempéra- ture de chauffe suffisante pour donner à l'agglomérant une fluidité suffisante de façon qu'il vienne parfaitement en oontaot avec les surfaces du grain.
On remarquera également, que la décomposition du carbure de silicium présente ds dif- fioultés analogues du fuit les ingrédients qui le compo- sent pénètrent et modifient la composition de l'agglomérant.
Une autre difficulté réside dans le fait qu'un grand nombre d'agglomérants vitrifiables, utilisés ordinai- rement pour la fabrication des meules, passent par une éta- pe de gonflement pendant l'opération de vitrification) et il est néoessaire que la meule soit suffisamment poreuse pour que l'agglomérant puisse se gonfler dans les espaoes po- reux compris entre les grains abrasifs. Ceci rend difficile la fabrication de meules contenant des quantités d'agglomé- rant relativement grandes.
Dana le cas d'abrasif alumineux,
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cette condition est probablement due au fait que les agglo- mérants contiennent, en général, un composé de fer qui est habituellement présent sous la forme d'oxyde ferrique, Ce composé et d'autres ingrédients agissant à un degré moindre, ss dissocient ou passent par d'autres transformations chi- miques à la température de transformation à laquelle les agglo mérants sont soumise il en résulte une évolution de gaz et un gonflement consécutif de l'agglomérant- Ceci peut prendre naissance rapidement si la température de transformation est supérieure à 120CO C.
et de tels agglomérants doivent être chauffés dans des conditions telles qu'ils passent entièrement par l'étage de gonflement et restent finalement à l'état de verre, Toutefois, le gonflement peut occasionner des distur- bations dans la disposition des grains abrasifs et modifier autrement et de-façon préjudiciable les caractéristiques de la meule, Qu#ique les opérations de meulage modernes néoessi- tent des meules usant vite, et durant longtemps, qui peuvent être entrainées en rotation à de très grandes vitesses, las problèmes mentionnés ci-dessus ont rendu difficile la fabri- cation de meules répondant à ces conditions et, en particu- lier, de celles établies aveo des grains qui sont trop gros pour passer à travers un écran de 16 maillas, par 2 cm.
4,
Au cours de recherches sur ces meules on a obser- vé qu'il existait une tension au point de liaison entre l' ag- glomérant en verre et les grains de l'abrasif, et, dans de nombreux cas, le développement de petites fissures dans l'ag- glomérant est aisément visible.
Ces fissures peuvent se pro- duire soit pendant la fabrication soit à la longue, que les meules soient utilisées ou non. les coefficients de dilata- tion des abrasifs alumineux et de divers agglomérants ont été étudiés, et on a trouvé que les agglomérants ordinaire- ment utilisés n'avalent pas les mêmes coefficients de dila- tation que les grains' abrasifs et que, par suite, les opéra-
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tions Usuelles de fabrication des meules avaient pour effet de déterminer des états de tension entre ces corps* Une dif- férenoe dans la liaison ("fit"), entre l'agglomérant et l'a- brasif peut tendre l'agglomérant jusqu'à un point où il se fissure, et dans cet état on dit que l'agglomérant est 8affai- bli",
La résistance d'un agglomérant affaibli est bien infé- rieure à celle de ce même agglomérant non affaibli. Ceci occa- sionna une usure exagérée dé la meule pendant le meulage, et peut même se traduire par une rupture de la meule sous l'ac- tion de la force centrifuge. Ces résultats sont particulière- ment notables lorsque la meule est fabriquée avec des grains de très grandes dimensions,
On a trouvé également que, dans d'autres cas, des petites fissures ou des tensions internes pouvaient être dues à la présence de cristaux dans l'agglomérant, même.
Il est probable que ces effets se développent à cause de la différen- ce des coefficients de dilatation des cristaux et du verre les entourant@ ou à cause des modifications de la composition du verre dues à la séparation de ce verre des cristaux d'une com- position différente de celle du verre initial. On a désigné par le terme "décrépitement", cet état de l'agglomérant lorsque les cristaux sont en jeu. Il est évident que des cristaux de divers types peuvent agir d'une façon complètement différente à oe point de vue, ce qui dépend de leur composition chimique, de leurs dimensions, de leur dilatation et d'autres facteurs.
A titre d'exempl d'un agglomérant brut d'utilisa- tion courante pour la fabrication des meules dans lesquelles l'abrasif est constitué par de l'alumine cristalline, la com- position suivante peut être indiquée :
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<tb> bioxyde <SEP> de <SEP> silicium <SEP> ........... <SEP> 58,0
<tb>
<tb> Oxyde <SEP> d'aluminium <SEP> ......... <SEP> 15,9
<tb>
<tb> Oxyde <SEP> ferrique <SEP> ................ <SEP> 48
<tb>
<tb> Oxyde <SEP> de <SEP> magnésium <SEP> ............ <SEP> 2,4
<tb>
<tb> Oxyde <SEP> de <SEP> calcium <SEP> ................. <SEP> 4,5
<tb>
<tb> Oxyde <SEP> de <SEP> sidium <SEP> ................ <SEP> 1,4
<tb>
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Oxyde d3 po-bspsiun 1! 1 e a a 2,5 Oxyde due U 1 !1 t.'..2J 'i. p s 4 .a ! 1 1 9' a ,1 Humidité a s w w a s e k i! ! A IG 1 p R 1,1 Perte. au feu ................
8,3
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<tb> Total <SEP> 100,0
<tb>
Cstte composition se transforme en un verre à une
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température d'environ 12zoo Fla à 13Oo Os Une quantité appré- aimable dioxyde de fsr est"présente et ceci occasionna le gon- flement de l'agglomérant lorsqu'il est chauffée par formation d'oxygène qui résulte de la dissociation thermique aux envi-
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rons de 1175 à l2S5 fla Un tel agglomérant se conètracte et g'amaIgSBie en premier lieu. sous forme d'un corps dense;
il COIDm0nCe ensuite à se ramollir et se gonfle lorsqu'il est suf- fisamment fluide, car du gas est dégagea et subsiste enfin
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sous forme de verre'noir dense, >rsqu'oÉ s'en sert pour les meulas aTi<ic un abrasif constitué par de l'alumine cristalline de la qualité ordinaire qui peut contenir environ 5j d' a.u mine et diverses impuretés telles que de l'oxyde ferrique, de
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la silice cl du titsine, on obtient une meule présentant de nombreuses'caractéristiques impropres.
Cette moule est dans
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une certaine mesuyo instable, du fait'que ses propriétés phy-"
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siques pau'vent varier à la longue La meule peut avoir un degré de dureté bas et être faible comparée à la résistance qu'elle devrait *voir, On a souvent trouvé dans cet agglomérant en
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;erre un i::vs7.op:ï û'--:nt considérable de cristaux plagioclases eef feldspath ot de cristaux de mullite.
Do même on a trouvé que dans une telle moule l'agglomérant est fréquemment dans un état de tension d'où. il résulte des fissures et un affaiblis- sament. Cet agglomérant a un coefficient de dilatation d'en-
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viron 45 ruz IC- 7 tandis que les grains d'alumine cristalline ont un coefficient de dilatation d'environ 72 x 10-7.Un agglomérant de cette nature peut contenir certaines matières
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non dissoutes du mélange-brut 1qµij±,
insé que des cristaux qui ont été formés à partir des lieues matières de l'agglo-
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mérant ou avec les substances fournies par l'abrasif. On pen- se que les cristaux de feldspath sont particulièrement préju- ddiciables dans leur tendance à provoquer les fissures, Les tensions dans un tel agglomérant peuvent s'élargir et occa- sionner un affaiblissement et des fissures à tout moment, à partir du chauffage de la meule jusqu'à plusieurs années a- près;
cette formation de fissures peut être accélérée par la présence d'humidité, ou peut être commencés, peut âtre, par des ohoos ou des changements thermiques ainsi que par d'au- tres conditions qui sont incidentes à l'emmagasinage, au vieil lisaement et à l'usage- de la meule,
Les buts prinoipaux de l'invention sont de remédier ces inoonvénients et elle a, en partioulier, pour objet un procédé de fabrication d'un produit abrasif contenant une matière abrasive en grains agglomérée, qui ne se gonfle pas de façon nuisible au cours de l'opération de fabrication ou qui ne s'affaiblit pas ou ne se fissure pas à la longue,ou en cours d'usage.
D'autres buts de l'invention sont d'offrir des in- grédients d'agglomération tels et de conduira de façon telle la fabrication qu'on obtienne une matière cosmique granulai- re agglomérée qui supprime les caractéristiques impropres indiquées précédemment; l'invention a, en particulier, pour but, d'offrir des meulas ou autres corps céramiques de ce- genre qui sont stables et non gonflés, fissurés ou affai- blis à un point préjudiciable et qui peuvent âtre établis avec des degrés de dureté très grands et trèspetits sur une grande échelle de dimensions de grains et de degrés de poro- sité.
Suivant les découvertes de la demanderesse et comme résultats de ses expérienoes, on a trouvé qu'une moule doit être faite avec des matières telles que les grains abrasifs et l'agglomérant aient sensiblement les mêmes coefficients de dilatation sur une grande échelle de températures et, en
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particulier, au-dessous des températures dag douoissement ou de recuisson de l'agglomérant transformé;
il reste entendu
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qu'aux hautes t>aipéi;atures l'agglomérant est susceptible de se déforni-3 de fecon permanente sous l'action ,des efforts qui prennent naissance lorsque la corps se refroidit, Si les
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grains abrasifs et l'agglomérant sa dilatent et sa oontrao- tent également, il en résulte que la formation ds tensions intsrnes à la surface des grains est, de ce fait, diminuée,, Il est important que la formation de fissures ainsi que l'af- faiblissement soient réduits et ceci est réalisé en utilisant des compositions d'agglomérant et en conduisant Itopération de vitrification de façon à réduira, pour autant que cela est possible,
la formation dans l'agglomérant d'une quantité appréciable de cristaux de dimensions et de types qui ont
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été jugés comme étant p2éjudiciables, Il est préférable que , l'agglomérant soit refroidi rapidement dans la zone dans la- quelle les cristaux peuvent se former et,si on le désire, 1' agglomérant peut être refroidi lentement au-dessous de cette sono pendant la période de reouisson. On préfère, aussi, utiliser comme agglomérant pour les meules, un agglomérant qui- est pratiquement insoluble dans les conditions d'emploi habituelles, dans les liquides utilisés pour refroidir ou lubrifier la meule et le travail.
On a trouvé que l'agglomé-
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tent doit s"tre constitué de façon telle qu'il ne se gonfle pas de façon préjudiciable pendant la période de chauffage et qu'il se transforme à une température suffisamment basse de façon à ne pas tre trop contaminé par les ingrédients
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abrasif a< La i;'3t1lpératura à laquelle l* agglomèrent se trans- forme, si on utilise comme abrasif de l'alumine oristalline, doit être inféTisure- à 1200 0, et, de préf6rence inférieure .au degré Seger 6;
il resta entendu que la scorie et les au-
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tres impuretés do 1'abrasif tendent à stéQOu.er1 mais faiblement, $de, températures inférieures à 1]foo Ce Une ,0ÔÉlp0sition diagglomérant, pour chaque abra- sif, qui présente oçp ,"oaract6ristiqu-,es appropriées peut être
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aisément déterminée par tout homme du métier en tenant compte de ce qui précède.
A titre d'exemple d'agglomérant qui est d' usage approprié avec un abrasif constitué en ma,jeure partie, par de l'alumine cristalline, on peut citer le suivant :
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<tb> Bioxyde <SEP> de <SEP> silicium <SEP> ........... <SEP> 55,0
<tb>
<tb> Oxyde <SEP> d'aluminium <SEP> .....,...... <SEP> Il,4
<tb>
<tb> Oxyde <SEP> ferrique <SEP> ............... <SEP> 4,3
<tb>
<tb> Oxyde <SEP> de <SEP> magnésium <SEP> ........... <SEP> 2,8
<tb>
<tb> Oxyde <SEP> de <SEP> calcium <SEP> ........... <SEP> de, <SEP> 5,9
<tb>
<tb> Oxyde <SEP> de <SEP> sodium <SEP> .............. <SEP> 6,0
<tb>
<tb> Oxyde <SEP> de <SEP> potassium <SEP> ........... <SEP> 2,6
<tb>
<tb> Oxyde <SEP> de <SEP> titane <SEP> .............. <SEP> Ci?
<tb>
<tb> Oxyde <SEP> de <SEP> bore <SEP> ...............
<SEP> Il,3
<tb>
<tb> Total <SEP> ..............100,0
<tb> @
<tb>
On a trouvé qu'un verre établi avec cette composi- tion a un coefficient linéaire de dilatation d'environ 72 x 10- et ce coefficient de dilatation reste, au-dessous d'environ 5500 C.,sensiblement le même que le coefficient moyen des grains abrasifs d'alumine cristalline. A des tampé- ratures supérieures à environ 6500 C. l'agglomérant est suf- fisamment mou, de sorte qu'il peut se déformer de façon per- manente et supporter toutes tensions qui peuvent tendre à se produire..
Un refroidissement lent dansla période de recuisson, c'est à dire entre 6500 C. et 550 C., enlève les tensions des résidus de verre quoiqu'il existe une tendance qui est très faible, sinon nulle, à la déformation dans cette zône.
L'agglomérant ne se cristallise pas si on le refroidit avec une rapidité suffisante dans la zone de formation des cristaux, ou jusqu'à ce que l'agglomérant commence à se prendre, et, par suite, il ne se fissure pas ni ne s'affaiblit à la ligne de jonction avec les grains d'alumine et, de cette manière, la formation de tensions internes et de fissures est soit sup- primée, soit réduite dans de grandes proportions, L'agglomé-
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rant se transforme en un verre relativement stable à des tem- pératures inférieures à 1175 C., et ne sc gonfle pas de fa- çon préjudiciable pendant ce chauffage.
Des meules fabriquées avec cet agglomérant on.? une périphérie qui est constamment fine et propre. On. peut admettre que la valeur d'une meule peut être estimée dans une certaine mesure par le son musi- cal qu'elle donne lorsqu'on la frappe avec un marteau et que la clarté du son indique l'absence de fissures ou de fêlures néfastes, dans la meule..
A titre d'exemple) d'une meule fabriquée aveo l'ag- glomérant indiquée on peut utiliser des grains d'alumine cris- talline en dimensions de 24 à 36 qui donnent à l'analyse chi- mique 95,24 d'alumine, 0,74 d'oxyde ferrique} 0,93*de silice et 5)09 de titane; Une meule dure peut être fabriquée en uti- lisant 28 gr. 349 de cet agglomérant pour 453 gr. 593 dtabra- sif, et le mélange peut être humidifié de façon appropriée avec de l'eau ou avec une solution d'une matière liante, tem- porairement :
on donne ensuite par des moyens appropriés la forme d'une roue à la masse qui peut être ensuite chauffée, Un céramiste comprendra comment doit être conduit le procédé de fabrication de façon à réaliser les résultats voulus, les différentes étapes consistant en général, en premier lieur à chauffer de façon à vitrifier ou à transformer l'agglomé- rant, puis à refroidir rapidement pendant la zone de forma- tion des cristaux, et lentement pour effectuer la recuisson convenable, puis enfin à refroidir au-dessous du point de solidification do l'agglomérant pour fixer,de façon permanen- te, les ingrédients de la meule.
Unemeule de la composition indiquée ci-dessus peut être ohauffée au degré Seger 4, ou à t une température d'environ 11250 C. La meule est de préféren- ce, refroidie rapidement jusqu'à environ 8000 C. puis lente- ment jusqu'à environ 6000, température à laquelle l'agglomé- rant est solideAu-dessous de cette température l'agglomé- rant et les grains d'abrasif ont la même vitesse de retrait
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au fur et à mesure que la meule se refroidit,
La meule établie avec un agglomérant ayant la for- mule indiquée plus haut, est très stable et est insoluble,
Un examen microscopique montre que l'agglomérant est relati- vement exempt de cristaux délétères et se transforme à une température inférieure au point de dissociation de l'oxyde ferrique, et inférieure à la température à laquelle une quan- tité appréciable de scories passe des xxx grains abrasifs dans l'agglomérant, Cet agglomérant a une très faible tendan- ce à se gonfler pendant la période de chauffage et est sus- ceptible d'agglomérer des grains abrasifs très gros, du ? 8 ou plus et de produire une meule de degré de dureté élevé qui a une grande force d'agglomérant.
Bien que l'exemple donné ci-dessus montre l'applica- tion de ce nouveau type d'agglomérant aux meules à grande du- reté et à gros grains, il est évident que des meules douces et que les meules établies avec des grains plus fins, peuvent aussi être fabriquées; il est seulementnécessaire de modifier les proportions relatives des ingrédients de la meule comme cela est bien connu dans le métier.
Il va de soi que le procé- dé et que la composition agglomérante pourront être modifiés suivant la nature de l'abrasif employé, la dimension des grains, la dimension et la forme de l'objet, le type de four employé et de divers autres facteurs, et que le prooédé doit être conduit de façon à obtenir la structure de meule voulue Il est évident, également, que divers autres produits, en ou- tre des meules, peuvent être établis suivant l'inven-cion qui couvre tous les produits céramiques comportant une matière abrasive en grains agglomérée par des matières vitrifies ou vitreuses quel que soit l'usage des grains abrasifs.
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IMPROVEMENTS IN ABRASIVE MATERIALS AND THEIR MANUFACTURING PROCESS.
The invention relates to abrasive products and more particularly to a grinding wheel manufactured with abrasive grains agglomerated using a ceramic material.
A grinding wheel of this type is, in general, constituted by abrasive grains, for example of crystalline alumina or of silicon carbide, bonded by a binder of ceramic material heated to a high temperature to form a vitreous or vitrified mass. This agglomerating agent in general, oonstitué by a mixture of one or more clays, for example clay called "ball-olay" and clay called "slip-clay", with feldspar, kaolin, flint etc., said binder being porcelain-like or glass-like when cured or processed. There are a large number of agglomerating compositions used for this purpose,
these compositions depending on the degree of hardness that the wheel must have and on the
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nature and dicnaions of abrasive pads used, as well as other determined characteristics of the wheel. The choice of the binder has hitherto largely depended on more or less scientific processes, and despite many years of practical trials in the choice of these compounds.
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In clumped conditions, the grinding wheels often exhibit unexpected or improper characteristics, and two grinding wheels made with marna composition and, presumably by the dismal process, may not be at all alike in their grinding properties.
The degree of hardness of a wheel, or its apparent degree under grinding conditions, is largely measured by the force with which the binder holds the abrasive grains in position under the casting or testing efforts of the wheel. A degree mold of du- @
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lower misfire with lower agglomerating force usually wears out faster in progress. grinding than a hard grinding wheel does.
Despite the efforts made by grinding wheel manufacturers to produce uniform products,
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npergu3 sometimes, that a3 grinding wheel that was assumed to be hard wore out faster than a grinding wheel that was assumed to be soft, Moreover) 'the modula of elasticity' of certain molds decreases over time probably, because of the gradual production of certain internal efforts.
The stability of the properties of a 1G mill is an important and sought after feature.
A study of these problems shows that various fao- turns heretofore neglected must be considered., With abrasive crystalline aluminum dioxide, for example, la- con-
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taminaiion; of an agglomerating agent, of composition assumed to be uniform in terms of the impurities and the alumina coming from the abrasive must $ fre oon8id6é8.
This is due to the fact that the nG03 vitrification process generally has a temperature of 1200o or more, and it has been found that at such a temperature the slag and glass impurities present in the abrasive can come out to the surface. grain and mix with the
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agglomerating position. In addition to the slag exudation, the composition of the binder may be adversely altered somewhat by the current chemical attack of the molten binder on the surface of the abrasive grain.
There may be thirty-two times as much abrasive as there is bond in a given mixture for the manufacture of a grinding wheel, so that even a small amount of slag in the abrasive , can materially affect the composition of the binder, and the effect varies according to the quantities of ingredients used.
The amount of slag and alumina supplied by the abrasive to the binder also depends on the temperature and heating conditions as well as the particular abrasive and binder used. Very little has been found to be slag emerges from the crystalline aluminous abrasive at and below 11000 and it is therefore important to heat the grinding wheels to temperatures well below 1200 C. in order to control or eliminate this output. Slag * It is necessary, however, that any given binder is used with a sufficient heating temperature to give the binder sufficient fluidity so that it comes together perfectly with the grain surfaces.
It will also be noted that the decomposition of silicon carbide presents similar dif- ferences from the ingredients which compose it penetrate and modify the composition of the binder.
Another difficulty lies in the fact that a large number of vitrifiable bonding agents, commonly used for the manufacture of grinding wheels, go through a swelling stage during the vitrification operation) and it is necessary that the grinding wheel be sufficiently porous so that the binder can swell in the porous spaces between the abrasive grains. This makes it difficult to manufacture wheels containing relatively large amounts of binder.
In the case of aluminous abrasive,
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this condition is probably due to the fact that the binders contain, in general, an iron compound which is usually present in the form of ferric oxide, This compound and other ingredients acting to a lesser extent, dissociate or pass by other chemical transformations at the transformation temperature to which the agglomerating agglomerates are subjected there results a gas evolution and a consequent swelling of the binder - This can take place quickly if the transformation temperature is higher than 120CO vs.
and such binder must be heated under conditions such that they pass entirely through the swelling stage and ultimately remain in the glass state. However, swelling can distort the arrangement of the abrasive grains and modify otherwise and detrimentally to the characteristics of the grinding wheel, although modern grinding operations necessitate long and fast wearing grinding wheels which can be rotated at very high speeds, the problems mentioned above have made it difficult to manufacture grinding wheels meeting these conditions and, in particular, those established with grains which are too large to pass through a screen of 16 mesh, by 2 cm.
4,
In research on these grinding wheels it has been observed that there is tension at the bonding point between the glass binder and the grains of the abrasive, and in many cases the development of small cracks. in the agglomerant is easily visible.
These cracks can occur either during fabrication or over time, whether or not the grinding wheels are used. the coefficients of expansion of aluminous abrasives and various bonding agents have been investigated, and it has been found that the bonding agents commonly used do not have the same coefficients of expansion as abrasive grains and that, therefore, the opera-
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Usual methods of manufacturing grinding wheels had the effect of determining states of tension between these bodies * A difference in the connection ("fit") between the bonding agent and the brazing agent can stretch the bonding agent up to a point where it cracks, and in this state we say that the binder is 8weakened ",
The strength of a weakened binder is much lower than that of the same non-weakened binder. This will cause excessive wear of the grinding wheel during grinding, and may even result in the grinding wheel breaking under the action of centrifugal force. These results are particularly noticeable when the grinding wheel is made with very large grains,
It was also found that, in other cases, small cracks or internal stresses could be due to the presence of crystals in the binder itself.
It is probable that these effects develop because of the difference in the coefficients of expansion of the crystals and the glass surrounding them or because of the changes in the composition of the glass due to the separation of this glass from the crystals of a com - position different from that of the initial lens. The term "decrepit" has been used to denote that state of the agglomerate when crystals are involved. It is obvious that crystals of various types can act in a completely different way from a point of view, which depends on their chemical composition, dimensions, expansion and other factors.
As an example of a crude binder in current use for the manufacture of grinding wheels in which the abrasive consists of crystalline alumina, the following composition may be indicated:
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<tb> <SEP> silicon dioxide <SEP> <SEP> ........... <SEP> 58.0
<tb>
<tb> <SEP> aluminum oxide <SEP> ......... <SEP> 15.9
<tb>
<tb> Ferric oxide <SEP> <SEP> ................ <SEP> 48
<tb>
<tb> Magnesium <SEP> <SEP> <SEP> ............ <SEP> 2.4
<tb>
<tb> Oxide <SEP> of <SEP> calcium <SEP> ................. <SEP> 4.5
<tb>
<tb> Oxide <SEP> of <SEP> sidium <SEP> ................ <SEP> 1.4
<tb>
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Oxide d3 po-bspsiun 1! 1 e a a 2.5 Oxide due U 1! 1 t. '.. 2J' i. p s 4 .a! 1 1 9 'a, 1 Humidity a s w w a s e k i! ! A IG 1 p R 1.1 Loss. fire ................
8.3
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<tb> Total <SEP> 100.0
<tb>
This composition is transformed into a single glass
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temperature of about 12,000 Fla to 130o Os An appreciable amount of fsr dioxide is present and this causes swelling of the binder when heated by the formation of oxygen which results from thermal dissociation to approx.
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rons from 1175 to l2S5 fla Such an agglomerator is conètracte and g'amaIgSBie in the first place. in the form of a dense body;
it then coasts to soften and swell when it is sufficiently fluid, because gas is released and finally remains
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in the form of dense black glass,> rsqu'oÉ uses it for grinding aTi <ic an abrasive consisting of crystalline alumina of ordinary quality which can contain about 5 days of lead and various impurities such as ferric oxide,
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The silica cl of titsine, we obtain a grinding wheel having many unsuitable characteristics.
This mold is in
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a certain unstable mesuyo, owing to its physical properties "
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sics may vary over time The wheel may have a low degree of hardness and be weak compared to the strength it should see. It has often been found in this binder by
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; wanders a i :: vs7.op: ï û '-: nt considerable plagioclase crystals eef feldspar ot mullite crystals.
Likewise, it has been found that in such a mold the agglomerating agent is frequently in a state of tension hence. it results in cracks and weakening. This binder has a coefficient of expansion of
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approximately 45 ruz IC-7 while crystalline alumina grains have a coefficient of expansion of approximately 72 x 10-7. A binder of this nature may contain certain materials.
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undissolved of the raw mixture 1qµij ±,
inserted that crystals which have been formed from the leagues of matter of the
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merant or with the substances supplied by the abrasive. Feldspar crystals are believed to be particularly detrimental in their tendency to cause cracks. Stresses in such a binder can expand and cause weakening and cracking at any time, from heating. the grindstone up to several years ago;
this crack formation may be accelerated by the presence of moisture, or may be initiated, perhaps, by ohoos or thermal changes as well as by other conditions which are incident to storage, aging and for the use of the grinding wheel,
The main objects of the invention are to remedy these drawbacks and its object, in particular, is a process for the manufacture of an abrasive product containing an abrasive material in agglomerated grains, which does not swell in a detrimental manner during the process. operation or which does not weaken or crack over time, or in use.
Other objects of the invention are to provide such agglomeration ingredients and to carry out the manufacture in such a way that an agglomerated granular cosmic material is obtained which eliminates the unsuitable characteristics indicated above; the object of the invention is, in particular, to provide grinders or other ceramic bodies of the same kind which are stable and not swollen, cracked or weakened to a detrimental point and which can be produced with varying degrees of hardness. very large and very small on a large scale of grain sizes and degrees of porosity.
According to the discoveries of the Applicant and as the results of its experiments, it has been found that a mold must be made with materials such as the abrasive grains and the binder have substantially the same coefficients of expansion over a large scale of temperatures and, in
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in particular, below the temperatures for softening or annealing the transformed binder;
he remains heard
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that at high t> aipéi; atures the agglomerating agent is liable to deformity-3 permanently under the action, of the forces which arise when the body cools, If the
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abrasive grains and the agglomerating thereof also expand and constrain, it follows that the formation of internal stresses on the surface of the grains is thereby reduced. It is important that the formation of cracks as well as the weakening are reduced and this is achieved by using binder compositions and by carrying out the vitrification operation in such a way as to reduce, as far as possible,
the formation in the binder of an appreciable quantity of crystals of sizes and types which have
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It has been found to be detrimental. It is preferred that the binder be cooled rapidly in the area in which crystals can form and, if desired, the binder can be cooled slowly below this sound for. the reheating period. It is also preferred to use as the binder for the wheels, a binder which is practically insoluble under the usual conditions of use, in the liquids used to cool or lubricate the wheel and the work.
It was found that the agglomeration
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tent must be made in such a way that it does not swell in a prejudicial manner during the heating period and that it transforms at a sufficiently low temperature so as not to be too contaminated by the ingredients.
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abrasive at the temperature to which the agglomerate transforms, if oristalline alumina is used as abrasive, should be below 1200 0, and preferably below Seger 6;
it was understood that the slag and the
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very impurities in the abrasive tend to be stable, but weakly, at temperatures less than 1] foo Ce A, 0 ° the diagglomerant, for each abrasive, which exhibits oçp, "oaract6ristiqu-.
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easily determined by any person skilled in the art taking into account the above.
By way of example of a binder which is suitable for use with an abrasive consisting in my part, of crystalline alumina, the following may be mentioned:
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<tb> Silicon <SEP> <SEP> <SEP> <SEP> ........... <SEP> 55.0
<tb>
<tb> Aluminum <SEP> oxide <SEP> ....., ...... <SEP> Il, 4
<tb>
<tb> Ferric oxide <SEP> <SEP> ............... <SEP> 4.3
<tb>
<tb> Magnesium <SEP> <SEP> <SEP> ........... <SEP> 2.8
<tb>
<tb> Oxide <SEP> of <SEP> calcium <SEP> ........... <SEP> of, <SEP> 5.9
<tb>
<tb> Sodium <SEP> <SEP> <SEP> .............. <SEP> 6.0
<tb>
<tb> Oxide <SEP> of <SEP> potassium <SEP> ........... <SEP> 2.6
<tb>
<tb> Oxide <SEP> of <SEP> titanium <SEP> .............. <SEP> Ci?
<tb>
<tb> Oxide <SEP> of <SEP> boron <SEP> ...............
<SEP> He, 3
<tb>
<tb> Total <SEP> .............. 100.0
<tb> @
<tb>
It has been found that a glass made with this composition has a linear coefficient of expansion of about 72 x 10- and this coefficient of expansion remains, below about 5500 C., substantially the same as the average coefficient. abrasive grains of crystalline alumina. At buffers above about 6500 ° C. the bond is sufficiently soft so that it can permanently deform and withstand any stresses which may tend to occur.
Slow cooling in the annealing period, that is to say between 6500 C. and 550 C., removes the tensions of the glass residues although there is a tendency which is very weak, if not zero, for deformation in this zone.
The binder does not crystallize if it is cooled with sufficient rapidity in the zone of crystal formation, or until the binder begins to set, and therefore does not crack or sag. 'weakens at the junction line with the alumina grains and in this way the formation of internal stresses and cracks is either suppressed or reduced to a great extent.
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rant turns into a relatively stable glass at temperatures below 1175 C., and does not inflate detrimentally during this heating.
Wheels made with this bond on.? a periphery that is constantly thin and clean. We. may assume that the value of a grinding wheel can be estimated to some extent by the musical sound it gives when struck with a hammer and that the clarity of the sound indicates the absence of harmful cracks or cracks , in the grindstone.
As an example) of a grinding wheel produced with the indicated aggregate, crystalline alumina grains in sizes 24 to 36 can be used which, on chemical analysis, give 95.24 alumina. 0.74 ferric oxide} 0.93% silica and 5) 09 titanium; A hard wheel can be made using 28 gr. 349 of this binder for 453 gr. 593 detabrative, and the mixture may be suitably moistened with water or with a solution of a binding material, temporarily:
the shape of a mass wheel is then given by appropriate means which can then be heated, A ceramist will understand how the manufacturing process must be carried out so as to achieve the desired results, the various steps generally consisting in first binder to be heated so as to vitrify or convert the binder, then to cool rapidly during the crystal-forming zone, and slowly to effect the proper annealing, then finally to cool below the solidification point of binder to permanently fix the grinding wheel ingredients.
A wheel of the composition given above can be heated to 4 degree Seger, or to a temperature of about 11,250 C. The wheel is preferably cooled rapidly to about 8,000 C. and then slowly to at about 6000, temperature at which the binder is solid Below this temperature the binder and abrasive grains have the same shrinkage rate
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as the grinding wheel cools,
The grinding wheel established with a binder having the formula indicated above, is very stable and is insoluble,
Microscopic examination shows that the binder is relatively free from deleterious crystals and transforms at a temperature below the point of dissociation of ferric oxide, and below the temperature at which an appreciable amount of slag passes from the xxx abrasive grains in the binder. This binder has a very low tendency to swell during the heating period and is liable to agglomerate very coarse abrasive grains. 8 or more and produce a grinding wheel of high degree of hardness which has great bonding force.
Although the example given above shows the application of this new type of bond to high hardness and coarse grit wheels, it is evident that softer grinding wheels and grinding wheels established with larger grit thin, can also be manufactured; it is only necessary to modify the relative proportions of the ingredients of the wheel as is well known in the art.
It goes without saying that the process and that the agglomerating composition could be modified according to the nature of the abrasive employed, the size of the grains, the size and the shape of the object, the type of furnace employed and various others. factors, and that the prooédé must be carried out in such a way as to obtain the desired grinding wheel structure It is also evident that various other products, besides grinding wheels, can be established according to the invention which covers all products. ceramics comprising an abrasive material in grains agglomerated by vitrified or vitreous materials whatever the use of the abrasive grains.