BR112012002586B1 - Grão fundido e ferramenta abrasiva - Google Patents

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Abstract

grão fundido e ferramenta abrasiva. grão fundido apresentando a análise química seguinte, em percentagens em peso, zro2 + hfo2: 38,0 - 46,0% al2o3: complemento a 100% sio2: 0,20 - 0,60% y2o1: 0,45 a 0,70% tio2: 1,00 a 2,00% outros óxidos: < 1,00%, a relação y2o3/sio2 estando compreendida entre 0,80 e 2,00, e a fase quadrática representando entre 60 e 90% da massa da zircônia, o complemento estando sob a forma monoclínica.

Description

DOMÍNIO TÉCNICO
[0001] A presente invenção refere-se a um grão cerâmico fundido, notadamente para aplicações como grãos abrasivos. A invenção refere-se igualmente a uma mistura dos referidos grãos bem como uma ferramenta abrasiva comportando uma mistura de grãos de acordo com a invenção.
TÉCNICA ANTERIOR
[0002] Classificam-se geralmente as ferramentas abrasivas de acordo com o modo de conformação dos grãos cerâmicos que constituem as mesmas: abrasivos livres (utilização em projeção ou suspensão, sem suporte), abrasivos aplicados (suporte de tipo telas ou papéis, onde os grãos são dispostos sobre algumas camadas) e abrasivos aglomerados (sob a forma de rebolos circulares, bastões, etc.). Nestes últimos, os grãos abrasivos são prensados com um ligante orgânico ou vítreo (neste caso, um ligante constituído de óxidos, essencialmente silicato). Estes grãos devem apresentar eles mesmos, boas propriedades mecânicas à abrasão (tenacidade notadamente), e dar lugar a uma boa coesão mecânica com o ligante (solidez da interface). Encontram-se hoje em dia diferentes famílias de grãos abrasivos permitindo cobrir uma larga gama de aplicações e de desempenho: os grãos de óxidos sintetizados por fusão em particular oferecem um excelente compromisso qualidade/custo de fabricação.
[0003] Os grãos abrasivos à base de alumina habitualmente utilizados na fabricação de rebolos ou de fitas abrasivas reagrupam três categorias principais de acordo com o tipo de aplicação e regimes de abrasão encontrados: os grãos fundidos à base de alumina, os grãos fundidos à base de alumina-zircônia e os grãos à base de alumina obtidos pelo processo Sol-Gel.
[0004] Na gama dos grãos fundidos, os materiais à base de alumina e zircônia são conhecidos desde US-A-3.181.939. Estes grãos são compostos geralmente de 10 a 60% zircônia, de 0 a 10% de um aditivo, o complemento sendo a alumina. Como aditivo, conhece-se o óxido de ítrio, adicionado até a 2% de acordo com US- A-4.457.767 ou o óxido de titânio adicionado até 10% de acordo com a patente DE- C1-4306966. Estes aditivos melhoram o poder abrasivo dos grãos alumina-zircônia. US 5.525.135 divulga igualmente grãos fundidos alumina - zirconia - óxido de titânio.
[0005] Por último JP59227726 descreve grãos fundidos alumina - zirconia - óxido de titânio - óxido de ítrio, o óxido de ítrio podendo ser adicionado em uma quantidade compreendida entre 0,05% e 7%, preferivelmente entre 1 e 5% com base na soma da alumina, zirconia e titânio.
[0006] No caso da usinagem dos aços duros, os grãos fundidos à base de alumina apresentam uma baixa tenacidade que se traduz em um esmigalhamento excessivo do grão. Os grãos fundidos à base de alumina-zircônia apresentam uma tenacidade muito grande associada uma dureza mais baixa. Eles permitem usinar eficazmente os aços duros, mas tendem a desenvolver peças planas. Resulta daí em geral uma elevação das forças aplicadas sobre a peça que sofreu abrasão, ou mesmo, de acordo com as condições de utilização, uma deterioração térmica desta peça. Os grãos à base de alumina obtida pelo método Sol-Gel constituem um bom compromisso. Eles apresentam, com efeito, uma forte dureza, uma tenacidade intermediária que permite aos mesmos regenerar as suas arestas de corte e uma microestrutura fina conduzindo a microfraturas do grão assegurando uma longa duração de vida sobre os aços duros.
[0007] Para a usinagem dos aços de dureza baixa e dúcteis como os aços inoxidáveis, os grãos fundidos à base de alumina-zircônia são eficientes. A sua forte tenacidade limita, com efeito, a sua fratura. Os grãos à base de alumina obtida pelo método Sol-Gel são em geral menos eficientes que os grãos fundidos à base de alumina-zircônia, devido à sua tenacidade mais baixa. Os grãos fundidos à base de alumina são os menos eficientes. Eles apresentam, com efeito, uma fraca tenacidade que conduz a um esmigalhamento excessivo.
[0008] É habitual medir e comparar os desempenhos abrasivos de diferentes grãos pela relação da massa de aço usinado dividida pela massa de grãos abrasivos consumida quando da referida usinagem, chamada aqui relação S. Se esta relação dá efetivamente uma ordem de grandeza dos desempenhos abrasivos dos grãos, ela não leva, contudo, em conta todos os mecanismos intervindo quando da usinagem. Por exemplo, um grão consumido rapidamente, devido a um desgaste rápido, e que desenvolve uma forte retirada de material pode conduzir a uma relação S elevada. Para tanto, este grão pode não ser suficientemente resistente para a usinagem de um grande número de peças. Ele pode também conduzir a uma deterioração térmica excessiva das peças usinadas, por um fenômeno das peças se tomarem azuladas resultante de uma potência de corte desenvolvida excessiva, mas necessária para a manutenção do regime de corte.
[0009] Existe, portanto, uma necessidade para uma mistura de grãos abrasivos fundidos alumina-zircônia apresenta uma relação S elevada, permitindo uma usinagem com uma potência desenvolvida baixa e tendo uma duração de vida ou “resistência” elevada. Um objetivo da invenção é responder a esta necessidade. Sumário da invenção
[0010] De acordo com a invenção, atinge-se este objetivo por meio de um grão fundido apresentando a análise química seguinte, em percentagens em peso, ZrO2 + HfO2: 38,0 a 46,0% AI2O3: complemento a 100% SiO2: 0,20 a 0,60% Y2O3: 0,45 a 0,70%; TIO2: 1,00 a 2,00% outros elementos, expressos sob a forma de óxido: < 1,00% a relação Y2O3/SiO2 estando compreendida entre 0,80 e 2,00 e a fase tetragonal representando entre 60 e 90% da massa da zircônia, o complemento estando sob a forma monoclínica.
[0011] Como será visto em maiores detalhes na sequência da descrição, os inventores descobriram que com a composição química acima, em particular em uma faixa muito estreita de teores de óxido de ítrio, uma proporção limitada de zircônia tetragonal é vantajosa. Este ensinamento é de resto contrário ao de US 5.525.135 ou JP59227726 que sugerem, ou mesmo recomendam, uma proporção máxima de zircônia tetragonal para aumentar a eficácia de usinagem.
[0012] Um grão de acordo com a invenção pode ainda apresentar uma ou várias das características opcionais seguintes: - Preferivelmente, a relação em massa Y2O3/SiO2 é superior a 1,00, preferivelmente superior a 1,10 e/ou inferior a 1,80, preferivelmente inferior a 1,50, preferivelmente inferior a 1,40, preferivelmente ainda inferior a 1,30. - Preferivelmente, zirconia tetragonal representa mais de 70% e/ou menos 85% da massa da zircônia. - Preferivelmente, o teor em ZrCte é superior a 40%. - Preferivelmente, o teor de sílica é superior a 0,3%, preferivelmente superior a 0,35%. - O teor mássico de óxido de titânio TIO2 é superior, a 1,30% e/ou o inferior a 1,70%. - Preferivelmente, os outros elementos expressos sob a forma óxido são inferiores a 0,50%. Em particular: MgO: < 0,30%, preferivelmente < 0,10%, preferivelmente < 0,05%, e/ou CaO: < 0,30%, preferivelmente < 0,20%, preferivelmente < 0,10%, e/ou Na2O: < 0,10%, preferivelmente < 0,05%, - Os outros elementos expressos sob a forma óxido são impurezas.
[0013] A invenção refere-se ainda a uma mistura de grãos que comportam, em percentagem em massa, mais de 80%, preferivelmente mais de 90%, preferivelmente mais de 95%, preferivelmente mais de 99%, preferivelmente sensivelmente 100% de grãos abrasivos de acordo com a invenção. Preferivelmente, a mistura de grãos de acordo com a invenção respeita uma distribuição granulométrica de acordo com as das misturas ou “grits” medidas de acordo com as normas FEPA Padrão 42-GB-I984, R1993 e FEPA Padrão 43-GB-1984, R1993.
[0014] A invenção refere-se igualmente a uma ferramenta abrasiva, notadamente sob forma de um rebolo ou de uma fita abrasiva, comportando uma mistura de grãos abrasivos ligados por um ligante ou depositados em camada sobre um suporte, notadamente um suporte flexível, e retido por um ligante, este ferramenta sendo notável pelo fato de que os grãos são de acordo com a invenção.
[0015] De modo geral, a invenção refere-se à utilização de grãos de acordo com a invenção para abrasão. Definições - teores de óxidos de um grão de acordo com a invenção referem-se aos teores globais para cada um dos elementos químicos correspondentes, expressos sob forma do óxido a mais estável, de acordo com a convenção habitual da indústria; portanto, são incluídos sub-óxidos e eventualmente nitretos, oxinitretos, carbonetos, oxicarbetos, carbonitretos, ou mesmo as espécies metálicas dos elementos acima citados. - Por “impurezas”, entendem-se os constituintes inevitáveis, introduzidos necessariamente com as matérias primas. Em particular, os compostos que fazem parte do grupo os óxidos, nitretos, oxinitretos, carbonetos, oxicarbetos, carbonitretos e espécies metálicas de sódio e outros alcalinos, ferro, vanádio e cromo são impurezas. A título de exemplos, pode-se citar CaO, MgO ou Na2O. O carbono residual faz parte das impurezas da composição dos produtos de acordo com a invenção. Em contrapartida, o óxido de háfnio não é considerado como uma impureza. - Por “precursor” de um óxido, entende-se um constituinte apto a fornecer o referido óxido quando da fabricação de um grão ou de uma mistura de grãos de acordo com a invenção. - em um produto obtido por fusão, HfO2 não é quimicamente dissociável de ZrO2. Na composição química de tal produto, ZrO2+HfO2 designa, portanto, o teor total destes dois óxidos. Contudo, de acordo com a presente invenção, HfO2 não é adicionado voluntariamente em carga de partida. HfCh designa, portanto, apenas os traços de óxido de háfnio, este óxido estando naturalmente presente nas fontes de zircônia em teores geralmente inferiores a 2%. Por preocupação de clareza, pode-se, portanto, designar indiferentemente o teor de zircônia e traço de óxido de háfnio por ZrCte+HfO2 ou por ZrO2, ou ainda por “teor de zircônia”. - Por “grão fundido”, ou mais amplamente “produto fundido”, entende-se um grão (ou produto) sólido obtido por solidificação por resfriamento de um material em fusão. - Um “material em fusão” é uma massa líquida que pode conter algumas partículas sólidas, mas em uma quantidade insuficiente de modo que possam estruturar a referida massa. Para conservar a sua forma, uma matéria em fusão deve estar contida em um recipiente. - Na presente descrição, salvo menção em contrário, todas as composições de um grão são dadas em percentagens em massa, com base na massa total dos óxidos do grão.
[0016] Os grãos fundidos de acordo com a invenção podem ser fabricados de acordo com qualquer processo convencional de fabricação de grãos de alumina- zircônia. Um processo convencional compreende classicamente as etapas seguintes: mistura das matérias primas, fusão em um forno a arco elétrico, solidificação por têmpera do líquido em fusão, trituração e opcionalmente classificação de acordo com a granulometria necessária.
[0017] As propriedades das misturas de grãos de alumina-zircônia fundidos estão ligadas à térmica do líquido em fusão, que ela mesma depende dos parâmetros de processo, mas também fortemente da geometria do forno bem como o seu meio ambiente (coleta das fumaças, materiais, etc.). Os valores dos parâmetros do processo são, portanto, determinados em função do forno empregado, das matérias primas utilizadas, etc., de modo a obter uma mistura de grãos de acordo com a invenção no fim destas etapas. Os parâmetros podem, por exemplo, tomar os valores do método utilizado para os exemplos abaixo.
Exemplos
[0018] Os exemplos não limitativos seguintes são dados com o objetivo de ilustrar a invenção.
[0019] Os produtos dados em exemplos foram elaborados a partir das matérias primas seguintes: - Pó de alumina comercializada sob a denominação AR75 pela empresa ALCAN, apresentando um teor de soda inferior a 0,4%; - Pó de zircônia com teor médio em zircônia + háfnio superior a 85%, contendo 5% em média de sílica, um teor de alumina inferior a 10% e um teor de outros elementos inferiores a 0,7%; - Pó de óxido de ítrio comercializado sob a denominação “Yttrium Oxyde 99,99 LY” pela empresa Altichem, com teor de Y2O3 > 99,99% e apresentando um diâmetro mediano compreendido entre 3 e 6 microns; - Pó de titânio “Rutile sand” comercializado por Europe Minerals, apresentando um teor em TIO2 > 95%, e um diâmetro mediano da ordem de 125 microns; - Coque de petróleo comercializado por Solutia Incorporated, de tamanho compreendido entre 1 e 4 Mm.
[0020] Os grãos foram preparados de acordo com o processo clássico seguinte conhecido do versado na técnica: a') mistura das matérias primas, com uma adição de pelo menos 0,5% (até 3%) de coque de petróleo de acordo com o estado do forno, b’) fusão em um forno de arco elétrico monofásico de tipo Héroult com eletrodos de grafite, com uma cuba de forno de 0,8 m de diâmetro, uma tensão de 105 - 150V, uma intensidade de 1500 a 2500 A e uma energia elétrica específica fornecida de 2,1 a 2,8 kWh/kg carregado, c’) resfriamento brusco da matéria em fusão através de um dispositivo de vazamento entre placas finas metálicas como o apresentado na patente US -A- 3.993.119, de modo a obter uma placa inteiramente sólida, constituindo uma massa sólida, d’) trituração da referida massa sólida resfriada na etapa c’) de modo a obter uma mistura de grãos, e') seleção por peneiração dos grãos compreendidos entre 500 e 600 μm.
[0021] A fim de avaliar o desempenho e a duração de vida das misturas de grãos, rebolos de diâmetro 12,7 cm, contendo 1 grama de grãos de cada exemplo, foram realizados.
[0022] Placas de aço inoxidável 304, de dimensões 20,3 cm x 7,6 cm x 5,1 cm, foram usinadas depois em superfície com estes rebolos, com um movimento de vai- e-vem em velocidade constante mantendo uma profundidade de corte constante de 12,7pm e uma velocidade de rotação do rebolo de 3600 rpm. A potência máxima desenvolvida pelo rebolo durante a usinagem, Pmax, foi registrada.
[0023] Após desgaste completo do rebolo, mediu-se a massa de aço usinada (ou seja, a massa de aço retirada pela operação com o rebolo) “Ma” e a massa de rebolo consumida “Mm”. A relação S é igual à relação Ma/Mm.
[0024] A eficácia de corte é determinada medindo a potência máxima desenvolvida pelo rebolo quando do teste de usinagem, Pmax, e pela duração de vida do rebolo tmax, a vida de um rebolo sendo considerada como terminada quando todos os grãos do rebolo foram consumidos.
[0025] A tabela 1 fornece a composição química e a proporção de zircônia tetragonal de diferentes misturas de grãos testadas. A tabela 2 fornece os resultados obtidos com estas misturas.
[0026] A percentagem de melhora da relação S é calculada pela fórmula seguinte: 100.(relação S do produto do exemplo considerado - relação S do produto do exemplo de referência)/relação S do produto do exemplo de referência, o exemplo de referência sendo o “exemplo comparativo 1* ou o exemplo comparativo 2*. Um valor positivo e elevado da percentagem de melhora da relação S é procurado.
[0027] A percentagem de redução da potência máxima desenvolvida pelo rebolo quando do teste, Pmax, é calculada pela formula seguinte: 100. (Pmax com o produto do exemplo de referência - Pmax com o produto do exemplo considerado)/Pmax do produto do exemplo de referência, o exemplo de referência sendo o exemplo comparativo 1* ou o exemplo comparativo 2*. Um valor positivo e elevado da percentagem de redução da potência máxima desenvolvida pelo rebolo quando do teste Pmax é procurado.
[0028] A percentagem de melhora da duração de vida do rebolo, tmax, é calculada pela fórmula seguinte: 100.(tmax do produto do exemplo considerado - tmax do produto do exemplo de referência)/tmax do produto do exemplo de referência, o exemplo de referência sendo o exemplo comparativo 1* ou o exemplo comparativo 2*. Um valor positivo e elevado da percentagem de melhora da duração de vida do rebolo, tmax é procurado.
[0029] A percentagem em massa de zircônia tetragonal em zircônia é determinada do seguinte modo: Os grãos a testar são revestidos em uma resina de maneira a constituir uma pastilha. Um diagrama de difração X é adquirido, com a ajuda de um difratômetro D5000 com anti-catodo de cobre da empresa Bruker, sobre uma seção polida da pastilha apresentando mais de 600 grãos. A aquisição é realizada sobre um domínio angular 20 compreendido entre 25° e 37°, com um passo de 0,02° e um tempo de 4 segundos por passo. Uma fenda de recepção de 0,6 mm é utilizada, a amostra sendo mantida em rotação sobre ela mesma a fim de limitar os efeitos de orientações preferenciais. O tempo de aquisição é multiplicado por 5 para uma melhor estatística de contagem.
[0030] A percentagem em massa de zircônia monoclínica é medida partir da relação das áreas dos picos (111) e (111) da zircônia monoclínica e do pico (111) da zircônia estabilizada de acordo com a fórmula seguinte, após tratamento de desconvolução com a ajuda do "software" TOPAS P, a função de desconvolução sendo um pseudo-voigt:
Figure img0001
[0031] pMono sendo a densidade da zircônia monoclínica, igual a 5,8 g/cm3, e pstab sendo a densidade da zircônia estabilizado, igual a 6,1 g/cm3.
[0032] A percentagem em massa da zircônia estabilizada é dada pela formula seguinte: % Zirconia Estabilizada = 100 - % Zircônia monoclínica
[0033] Nos grãos de acordo com a invenção testados, a zircônia estabilizada está inteiramente sob a forma cristalográfica tetragonal, o complemento sendo zircônia sob á forma cristalográfica monoclínica.
[0034] As percentagens da zircônia tetragonal são expressas em relação à zircônia total cristalizada.
[0035] As tabelas 1 e 2 seguintes resumem os resultados obtidos.
[0036] O exemplo comparativo 1* é um grão do qual a composição está próxima do exemplo 5 de JP5922772, e o exemplo comparativo 2* é um grão de acordo com US 4.457.767.
Figure img0002
Figure img0003
*: Exemplos fora de invenção **: Exemplos comparativos (fora de invenção) TABELA 1
Figure img0004
TABELA 2
[0037] Os inventores consideram que existe um bom compromisso entre a relação S, a potência máxima desenvolvida pela rebolo quando do teste de usinagem, Pmax, e pela duração de vida da rebolo Tmax quando: - a relação S é melhorada de pelo menos 10% em relação aos produtos dos exemplos de referência, e - a potência máxima desenvolvida, Pmax, é reduzida de pelo menos 5% em relação aos produtos dos exemplos de referência, e - a duração de vida do rebolo, tmax, melhorada de pelo menos 6% em relação aos produtos dos exemplos de referência.
[0038] Preferivelmente, a relação S é melhorada de pelo menos 15%, preferivelmente de pelo menos 20%, preferivelmente de pelo menos 25%, ou mesmo de pelo menos 30% e/ou a potência máxima desenvolvida, Pmax, é reduzida de pelo menos 10%, preferivelmente de pelo menos 15%, ou mesmo de pelo menos 20% e/ou a duração de vida do rebolo, tmax, é melhorada de pelo menos 10%, preferivelmente de pelo menos 15%, ou mesmo pelo menos 20%.
[0039] O exemplo 10 mostra que um teor de zircônia tetragonal de 91% da massa zircônia não permite respeitar o compromisso procurado.
[0040] Os exemplos 12 e 14 mostram que teor de zircônia tetragonal de 57% e 55% da massa zircônia, respectivamente, não é um suficiente para respeitar o compromisso procurado.
[0041] O exemplo 11 mostra que um teor de zircônia tetragonal de 64% da massa da zircônia permite respeitar o referido compromisso.
[0042] O exemplo 9 mostra que teor de sílica de 0,66% é muito elevado e não permite respeitar o referido compromisso. O exemplo 10 mostra que um teor de sílica inferior a 0,20% não permite respeitar o referido compromisso.
[0043] O exemplo 13 mostra que apesar de teores de zircônia tetragonal e de sílica adaptados, o compromisso não é respeitado se o teor de óxido de ítrio for inferior a 0,45% e se o teor em TIO2 for superior a 2%.
[0044] Os exemplos 10, 12, e 14 mostram que uma relação Y2O3/SiO2 inferior a 0,80 e superior a 2,00 não permite 0 respeito do compromisso.
[0045] O exemplo 17 é o exemplo preferido entre todos.
[0046] Como se nota claramente agora, a invenção fornece uma mistura de grãos abrasivos fundidos alumina - zircônia apresentando um desempenho abrasivo, uma resistência e uma eficácia de corte excepcionais.
[0047] Como evidente, a presente invenção, contudo não é limitada aos modos de realização descritos e representados fornecidos a título de exemplos ilustrativos e não limitativos.

Claims (12)

1. Grão fundido, caracterizado pelo fato de apresentar a análise química seguinte, em percentagens em peso, ZrO2 + HfO2: 38,0 a 46,0% AI2O3: complemento a 100% SiO2: 0,20 a 0,60% Y2O3: 0,45 a 0,70% TIO2: 1,00 a 2,00% outros elementos, expressos sob a forma de óxido: < 1,00% a relação Y2O3/SiO2 estando compreendida entre 0,80 e 2,00, e a fase tetragonal representando entre 60 e 90% da massa da zircônia, o complemento estando sob a forma monoclínica.
2. Grão, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a relação em massa Y2O3/SiO2 é superior a 1,00 e inferior a 1,80.
3. Grão, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o teor de ZrO2 é superior a 40,0%.
4. Grão, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que o teor de sílica é superior a 0,35%.
5. Grão, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que a relação Y2O3/SiO2 é superior a 1,10 e inferior a 1,30.
6. Grão, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que o teor em massa de óxido de titânio TIO2 é superior a 1,30% e inferior a 1,70%.
7. Grão, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que a zircônia tetragonal representa mais de 70% e menos de 85% da massa da zircônia.
8. Grão, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que os outros óxidos são inferiores a 0,50%.
9. Grão, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que: MgO: < 0,30%, e/ou CaO: < 0,30%, e/ou Na2O: < 0,10%.
10. Grão, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que: MgO: < 0,10%, e/ou CaO: < 0,20%, e/ou Na2O: < 0,05%.
11. Ferramenta abrasiva, caracterizada pelo fato de comportar uma mistura de grãos como definidos em qualquer uma das reivindicações 1 a 10, os referidos grãos sendo ligados por um ligante ou depositados em camada sobre um suporte flexível, e retidos por um ligante.
12. Ferramenta, de acordo com a reivindicação 11, caracterizada pelo fato de estar sob a forma de um rebolo ou uma fita abrasiva.
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