CH652414A5 - Agglomerats d'abrasif et materiau abrasif en feuille. - Google Patents

Description

L'invention concerne des agglomérats abrasifs en particules où les grains abrasifs sont maintenus dans une matrice friable, lesdits agglomérats étant caractérisés en ce que la matrice est un verre cellulaire et que les particules de grains abrasifs sont encapsulées dans les parois cellulaires dudit verre, lesdites particules étant présentes en plus grande concentration dans les parois extérieures. Ces agglomérats sont particulièrement appropriés pour l'utilisation dans des produits abrasifs enrobés dans lesquels les agglomérats sont liés à une feuille de support souple; ils peuvent également être utilisés dans des abrasifs liés (meules).

L'utilisation de petits agglomérats en particules de grains abrasifs relativement fins maintenus dans une matrice, à utiliser comme produit de remplacement des grains abrasifs classiques sur un abrasif souple revêtu d'abrasif («papier de verre»), a été suggérée au moins aussi tôt que dans le brevet US N° 2194472. Pour autant qu'on le sache, des agglomérats solides du type décrit dans le brevet précédent ou les produits préparés à partir d'eux n'ont jamais été satisfaisants commercialement. Le brevet US N° Re 29808 décrit des sphères creuses (ou d'autres formes, comme des cylindres) consistant en grains abrasifs liés sur la surface extérieure d'une matrice friable, comme une résine ou un silicate minéral. La demande de brevet européen publiée sous le N° 0008868 le 19 mars 1980 décrit des agglomérats solides liés par de la cryolite fondue ou d'autres «sels ou silicates».

Le brevet britanniques N° 982215 et le brevet U.S. N° 3 156545 décrivent la fabrication d'agglomérats solides pour l'utilisation dans des meules, consistant en alumine ou autres grains abrasifs liés par du verre. Le brevet US N" 2216728 décrit des liants de verre ou de métaux pour la matrice d'agrégats contenant des particules abrasi-ves de diamant. Le brevet indique que la matrice peut être quelque peu poreuse pour améliorer la liaison mécanique quand les agrégats sont mélangés avec un liant pour former une meule. Le brevet US N° 2806772 suggère l'inclusion de verre expansé dans les agglomérats abrasifs liés par une matrice de résine.

Bien que des agglomérats abrasifs du type creux, liés par une résine ou un silicate, aient donné de bons résultats dans les applications à abrasif revêtu et que les agglomérats tels que décrits dans la demande européenne susmentionnée donnent de bons résultats, les deux types d'abrasifs sont difficiles ou coûteux à fabriquer et il est difficile de maîtriser leur friabilité.

Une meilleure maîtrise des propriétés physiques des agglomérats abrasifs et d'excellents résultats de meulage des abrasifs couchés peuvent être obtenus en utilisant des agglomérats de particules abra-sives liés par un verre expansé dans lesquels les particules abrasives sont contenues à l'intérieur des parois de la matrice de verre cellulaire. De tels agglomérats peuvent être fabriqués en mélangeant les grains abrasifs appropriés avec des compositions classiques connues qui donnent une structure de verre expansé par cuisson. La composition de verre, l'agent d'expansion ou agent porophore et, si on le désire, un adjuvant de meulage, sont mélangés ensemble, transformés en petits agglomérats de la forme désirée, cuits et refroidis. Les agglomérats peuvent ensuite être tamisés aux tailles appropriées et utilisés de manière classique pour produire des disques, des courroies ou des feuilles revêtus d'abrasif. Ils peuvent également être utilisés pour produire des meules liées par des résines.

La présente invention utilise la friabilité de base du verre cellulaire et ses possibilités de variation déterminées de la friabilité en tant que matrice pour des grains abrasifs. Quand un verre cellulaire est à la température appropriée d'expansion, il se dilate et se collera à la plupart des matériaux autour de lui. En outre, il a tendance â encapsuler les particules dans sa trajectoire.

Cette dernière tendance est utilisée quand des grains abrasifs calibrés sont mélangés avec un lot de verre cellulaire et que la masse est portée à la température de formation de cellules. De façon surprenante, les particules abrasives sont facilement réparties dans la cellule tout en étant totalement encapsulées par le verre à l'intérieur des parois cellulaires.

En conséquence, on assemble des mélanges de divers, lots de verre cellulaire avec divers-pourcentages volemiques de grains, on transforme en pastilles le lot assemblé pour obtenir des spïiéroMes crus de taille appropriée et Fou sèche ces sphéroïdes que Fon cuit pour obtenir l'agglomérat d'abrasif.

Le verre cellulaire est vendu en tant qu'abrasif mou par lui-même. Ses principales qualités de produit sont sa facile friabilité sans rupture catastrophique, de sorte que lorsque Fon frotte sar une pièce à travailler, de nouvelles surfaces de verre tranchantes sont constamment en formation. En outre, le matériau est imperméable de sorte qu'il n'y a pas d'absorption de liquide dans la structure. Les caractéristiques des agglomérats d'abrasif dépendent de la friabilité de la matrice. Idéalement, la matrice devrait se briser ou se rompre dès que le grain encapsulé commence à perdre sa qualité de coupe maximale. Cette invention fournit un produit dans lequel de fins grains abrasifs sont encapsulés dans les parois des cellules expansées, comme une impureté distincte. Idéalement, la matrice doit être conçue pour présenter un coefficient de dilatation thermique qui est aussi proche que possible de celui des grains abrasifs pour minimiser les défauts ou «pailles» au refroidissement.

Les grains en question peuvent être préparés selon des formes extradées découpées, ou selon une forme de sphère. La friabilité peut être déterminée par le rapport des pores au grain et/ou le rapport du verre au grain. Des matrices de masse volumique supérieure (960 g/dm3 et plus) auront tendance à se briser comme un verre alors que des masses volumiques inférieures augmenteront la friabilité.

Bien que la dimension des agglomérats soit sujette à des variations importantes selon l'application particulière et la dimension des grains, en général les agglomérats auront un diamètre de 250 n ou plus car le procédé de verre expansé limite la taille minimale des agglomérats verre-grain. La taille maximale normalement utilisée ne sera pas supérieure à 5 mm, au moins dans les applications à revêtement d'abrasif. Les grains abrasifs ne seront généralement pas plus fins que 10 |i ni plus gros que 2 ou 3 mm.

Les grains abrasifs préférés sont constitués par de l'oxyde d'aluminium fondu, mais on peut utiliser des abrasifs d'alliage alumine-oxyde de zirconium fondus simultanément, ainsi que des grains abrasifs à base de carbure de silicium.

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Comme indiqué dans l'exemple précédent, on peut utiliser du verre blanc, mais une composition d'alumino-borosilicate non dévitrifiante est supérieure.

Le mélange d'abrasif et de verre destiné à former des agglomérats contient de préférence de 40 à 80% (volume apparent sec) de composition de verre broyé et de 20 à 60% de grains abrasifs. On peut ajouter à de tels mélanges jusqu'à 20% d'un adjuvant de meulage comme la cryolite. Le produit final, quand il est sous forme de sphères, aura une masse volumique apparente de 320 à 880 g/dm3.

La température et la durée optimale de cuisson dépendent de la composition particulière utilisée, de la masse volumique (porosité) désirée pour le produit. En général, une température de 800 à 900° C ou supérieure, pendant environ 20 min, convient.

Les étapes dans un exemple type de cette invention sont les suivantes:

1. Préparation d'un lot de verre expansible par broyage de débris de verre blanc avec 0,25% de noir de carbone et 0,5% de carbure de silicium de 3 p., pendant 24 h dans un broyeur à boulet discontinu jusqu'à une granulométrie moyenne de 5 (i ou moins.

2. Addition d'une charge de 70% en volume du lot de verre expansible et de 30% en volume d'un grain abrasif, en particulier de l'oxyde d'aluminium noir fusionné de grain N" 180, et leur mélange à sec à vitesse élevée. Après le mélange à sec, on fait une addition de 1 % d'alun sous la forme d'un liquide dilué et on mélange à l'état humide, puis on ajoute 0,4%, en solides, d'une bouillie aqueuse de montmorillonite ayant une teneur en matières solides de 4%, en tant que liant. On ajoute suffisamment d'eau supplémentaire pour transformer le mélange en pastilles ayant une granulométrie de l'ordre de 420-840 je.

3. Les pastilles généralement sphériques ainsi formées sont ensuite séchées dans un appareil de séchage â lit fluide et mélangées à sec avec un agent de partition qui est un hydrate d'aluminium, et cuites dans un four rotatif à une température d'environ 850° C pendant 20 min.

Les agglomérats résultants présentent une masse volumique de 0,48 à 0,56 g/cm3. Quand on les examine au microscope, on observe que le verre tend à encapsuler les particules d'alumine dans un réseau de bulles de mousse. Il a également été observé que les particules d'alumine ont tendance à être concentrées à la périphérie de la bulle d'une manière qui ressemble à la flottation par moussage. Les particules à la surface sont encore recouvertes d'une couche de verre.

On tamise les agglomérats jusqu'à une fraction de 590/840 p. et 350/590 |i puis on les teste en les utilisant comme s'ils étaient en eux-mêmes des grains abrasifs et en préparant des courroies revêtues d'abrasif de la façon classique. Les courroies sont testées dans un dispositif d'essai de polissage de métal classique et comparées à des courroies faites d'alumine noire de grain 180.

On a trouvé que la durée initiale pour obtenir un poli comparable était plus longue avec les courroies faites d'agglomérats qu'avec les courroies faites de grains classiques, mais la quantité totale de métal enlevée et la durée de vie de la courroie étaient de deux à six fois celles de la courroie à grains normale.

Des essais répétés donnent des résultats erratiques, certains répétant les caractéristiques susmentionnées et d'autres donnant des caractéristiques nettement inférieures. Il a été déterminé que les raisons de ces caractéristiques variables étaient la tendance du verre blanc à se dévitrifier et le potentiel des cristaux de cristobalite à provoquer des défauts qui entraînent parfois la rupture du verre. Des essais supplémentaires ont été faits en utilisant la courroie avec un lubrifiant aqueux et les caractéristiques résultantes étaient nettement mauvaises. Il a été déterminé que cela était provoqué par la médiocre durabilité du verre en milieu aqueux.

Il a donc été déterminé d'utiliser un lot qui serait essentiellement un borosilicate non dévitrifiant fait d'un mélange d'argile ou de cendre volcanique et d'additifs chimiques similaires à ceux décrits dans le brevet US N° 3793039. On a broyé un mélange de 66% de cendre volcanique, 15% de kaolin, 5,5% de borax 5 mol, 8% de dolomite, 2,7% de carbonate de lithium, 2% de bicarbonate de sodium et 0,25% de noir de carbone, On fait une addition de 1% d'alun liquide avant la formation de pastilles. Les pastilles sont cuites à 930° C et les agglomérats résultants présentent des caractéristiques essentiellement similaires à celles des agglomérats obtenus à partir de débris de verre fondus qui ont des essais reproductibles. En outre, quand on les essaie dans un environnement humide, les caractéristiques sont réduites mais encore meilleures que celles d'une courroie classique faite d'un grain 180. L'alumino-borosilicate a amélioré la durabilité en milieu aqueux.

On a en outre trouvé qu'une addition de 10% de cryolite en poudre améliore les caractéristiques de meulage. La cryolite est un adjuvant de meulage bien connu pour les métaux et est apparemment encapsulée d'une manière similaire à celle des grains d'alumine.

Les exemples suivants montrent que, bien qu'il ne soit pas préféré, on peut utiliser comme grain abrasif du carbure de silicium ou de l'alumine-oxyde de zirconium fondus simultanément.

La première expérience utilise le mélange de verre blanc mousse classique auquel on ajouté 30% de grain 180 de Crystolon 39 et 10% de fine cryolite. Le produit est expansé à environ 850°C. L'agglomérat résultant est plus léger que celui fait à partir d'alumine, sa masse volumique apparente étant de 358 g/dm3 à 840/1680 [X au lieu de 432-464 g/dm3 à 840/1680 p., mais semble par ailleurs similaire. Il a été observé que certaines des particules de grain étaient associées avec de grosses bulles qui suggèrent que même du SiC de grain grossier influencera la réaction de moussage ou d'expansion. Ces grosses bulles affaibliront vraisemblablement l'agglomérat.

La seconde expérience utilise les mêmes ingrédients mais on utilise de l'alumine-oxyde de zirconium, fusionnés ensemble, de grain 80 contenant 40% d'oxyde de zirconium (le grain 180 n'était pas disponible). L'agglomérat résultant est essentiellement équivalent à l'alumine dans toutes les propriétés. Un examen microscopique des grains d'alumine-oxyde de zirconium encapsulés montrent qu'en dépit des conditions réductrices du moussage, il apparaît une oxydation des composants métalliques du grain. Cet effet réduira la ténacité des grains.

Ainsi, on peut voir que d'autres abrasifs peuvent être encapsulés en agglomérats comme l'a été l'alumine, mais qu'il y a des effets secondaires qui peuvent réduire leur utilité.

Les produits revêtus d'abrasif sont préparés à partir des agglomérats de cette invention en liant lesdits agglomérats en une seule couche sur un support souple par des moyens classiques bien connus dans le domaine, en utilisant les revêtements de couchage et de préparation thermodurcissables, la colle, ou une combinaison de colle et de résine.

Après avoir effectué les exemples précédents, il a été trouvé que des agglomérats contenant du carbure de silicium étaient nettement supérieurs aux abrasifs classiques revêtus de carbure de silicium, pour certaines applications comme la rectification du titane métallique.

Il a en outre été déterminé que, lorsqu'on utilise des mélanges chimiques formateurs de verre, plutôt que du verre préfondu et broyé, dans la formation des agglomérats, on pouvait obtenir un mouillage supérieur de l'abrasif. En outre, la structure de l'agglomérat résultant est différente de celle des mélanges types contenant du verre. Dans le cas des mélanges formant un verre, les particules abrasives sont plus uniformément dispersées dans la masse d'agglomérat multicellulaire, par rapport aux mélanges de verre dans lesquels les particules abrasives ont tendance à être concentrées dans les parois cellulaires périphériques extérieures de la matrice multicellulaire.

Dans une mise en œuvre, on mélange à sec un assemblage expansible d'un lot de verre, à raison de 70%, et de SiC cru de grain 180, à raison de 30%. A ce mélange, on ajoute 1% d'alun, en matières solides sèches, en solution aqueuse, puis suffisamment (0,4%) d'une bouillie aqueuse de montmorillonite pour former des pastilles d'une dimension de 420/840 p.. Ces particules généralement sphériques

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sont séchées et cuites à 850° C pendant 20 min dans un four rotatif. Si on le désire, une addition de 10 à 20% de cryolite, en tant qu'adjuvant de meulage, peut être effectuée à l'étape de mélange à sec.

Les agglomérats cuits sont revêtus sur une courroie de la façon classique et testés à sec dans le polissage du titane métallique et en voie humide dans le polissage d'une plaque de verre. Dans les deux cas, il y a une plus longue période d'attente qu'avec une courroie de SiC normale, mais la durée de rectification utile est nettement plus longue. Dans le cas du titane, une courroie classique découpe 16 g tandis que la courroie expérimentale coupe un total de 245 g. La rectification par voie humide du verre donne des résultats similaires: 18 g au lieu de 180 g pour la courroie à agglomérat expérimentale.

On répète l'expérience en utilisant un mélange de produits chimiques et de produits minéraux qui donnent une composition vitreuse d'oxyde dont on sait qu'elle constitue un bon liant pour SiC. Ce liant est broyé avec du charbon, puis mélangé, transformé en pastilles et cuit d'une façon similaire à l'exemple précédent. Les essais à 5 sec sur le titane sont équivalents à ceux d'un matériau contenant une matrice de verre, mais le polissage par voie humide du verre est amélioré et l'on a noté une découpe de 248 g.

Des observations au microscope montrent que le grain dans le verre a migré substantiellement à la périphérie de la bulle et que le io centre de la bulle est formé de quelques larges cellules. Les nodules ou agglomérats de la composition de liant ont du SiC réparti dans tout le nodule et les cellules fermées internes sont petites et ont une dimension uniforme.

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Claims (7)

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1. Agglomérats d'abrasif comprenant une matrice contenant des particules de grains abrasifs, caractérisés en ce que la matrice est un verre cellulaire et que les particules de grains abrasifs sont encapsulées dans les parois cellulaires dudit verre, lesdites particules étant en plus grande concentration dans les parois extérieures.

2. Agglomérats d'abrasif selon la revendication 1, caractérisés en ce que le grain abrasif comprend de l'alumine fusionnée, de l'alumi-ne-oxyde de zirconium cofusionnés ou du carbure de silicium.

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REVENDICATIONS

3. Agglomérats d'abrasif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisés en ce que lesdits agglomérats contiennent des particules de cryolite.

4. Agglomérats d'abrasif selon l'une des revendications 1, 2 ou 3, caractérisés en ce qu'ils ont une masse volumique de 0,32 à 0,88 g/cm3.

5. Agglomérats d'abrasif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisés en ce qu'ils ont une forme généralement sphérique.

6. Agglomérats d'abrasif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisés en ce que le verre est une composition de borosilicate d'aluminium.

7. Matériau en feuille revêtu d'abrasif, caractérisé en ce qu'il comprend des agglomérats d'abrasif selon l'une des revendications 1 à 6, liés par adhérence à un support souple.