WO2010041223A1 - Grains fondus abrasifs - Google Patents

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WO2010041223A1
WO2010041223A1 PCT/IB2009/054444 IB2009054444W WO2010041223A1 WO 2010041223 A1 WO2010041223 A1 WO 2010041223A1 IB 2009054444 W IB2009054444 W IB 2009054444W WO 2010041223 A1 WO2010041223 A1 WO 2010041223A1
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WO
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grains
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PCT/IB2009/054444
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Samuel Marlin
Sylvain Petigny
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Saint-Gobain Centre De Recherches Et D'etudes Europeen
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24C—ABRASIVE OR RELATED BLASTING WITH PARTICULATE MATERIAL
    • B24C11/00—Selection of abrasive materials or additives for abrasive blasts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24D—TOOLS FOR GRINDING, BUFFING OR SHARPENING
    • B24D3/00—Physical features of abrasive bodies, or sheets, e.g. abrasive surfaces of special nature; Abrasive bodies or sheets characterised by their constituents
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09G—POLISHING COMPOSITIONS; SKI WAXES
    • C09G1/00—Polishing compositions
    • C09G1/02—Polishing compositions containing abrasives or grinding agents
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K3/00—Materials not provided for elsewhere
    • C09K3/14—Anti-slip materials; Abrasives
    • C09K3/1409—Abrasive particles per se
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K3/00—Materials not provided for elsewhere
    • C09K3/14—Anti-slip materials; Abrasives
    • C09K3/1436—Composite particles, e.g. coated particles
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/29—Coated or structually defined flake, particle, cell, strand, strand portion, rod, filament, macroscopic fiber or mass thereof
    • Y10T428/2982—Particulate matter [e.g., sphere, flake, etc.]

Definitions

  • the present invention relates to fused grains containing magnesium oxide.
  • the invention also relates to an abrasive tool comprising grains according to the invention and a process for producing grains according to the invention.
  • the abrasive tools are generally classified according to the mode of forming the ceramic grains that constitute them: free abrasives, used in projection or in suspension, without support; applied abrasives in which the grains are fixed on a support of the fabric, paper or polymer film type and agglomerated abrasives in the form of circular grinding wheels, sticks, etc.
  • the abrasive grains are pressed with an organic binder, for example a phenolic resin, or vitreous, for example with a binder consisting of oxides, in particular a silicate binder.
  • organic binder for example a phenolic resin, or vitreous, for example with a binder consisting of oxides, in particular a silicate binder.
  • These grains must themselves have good mechanical properties to abrasion, including good toughness and / or hardness, and give rise to good cohesion with the binder (strength of the interface).
  • alumina grains there are in particular, depending on the application, the grains of fused alumina (corundum), the fused alumina-zirconia grains and the alumina grains manufactured by the SoI-process. GEI.
  • the materials based on alumina and zirconia have been known since US-A-3,181,939. These grains are generally composed of 10 to 60% of zirconia, 0 to 10% of an additive, the balance being alumina.
  • the zirconia content of the commercial products is around 25%, or around the value of the alumina-zirconia eutectic located at about 42% of zirconia, generally between 35 and 50%, as described in FIG. U.S. Patent No. 3,891,408.
  • No. 4,126,429 discloses abrasive fused grains based on alumina and zirconia comprising between 1 and 2% of MgO. The zirconia content is between
  • An abrasive melted grain must have a compromise between hardness and impact and fracture resistance that is adapted to the application in which it is used. This compromise depends on abraded materials and abrasion conditions.
  • Hardness is the ability of the grain to penetrate the abraded material while impact and fracture resistance determines the regeneration, by micro fracturing, of the abrasive surfaces of the grain.
  • An object of the invention is to meet this need.
  • the present invention relates to fused grains having the following chemical analysis, in percentages by weight based on the oxides: Al 2 O 3 : 100% complement
  • MgO in an amount such that the mass ratio (ZrO 2 + HfO 2 ) / MgO is between 25 and 65,
  • the grains according to the invention simultaneously have good impact resistance and fracturing and good hardness.
  • the melted grains according to the invention may also have one or more of the following characteristics:
  • the content of ZrO 2 + HfO 2 is preferably greater than 17.0% by weight, preferably greater than 18.0% and / or less than 23.0%, preferably less than 22.5%. In an embodiment where the manufacturing cost is an important parameter, the ZrO 2 + HfO 2 content is preferably less than 22.0%, preferably less than 20.0%.
  • the weight ratio (ZrO 2 + HfO 2 ) / MgO is preferably greater than 28, preferably greater than 30, more preferably greater than 35, or even greater than 40 and / or less than 60, less than 55, less than 50 or even less than
  • the content of magnesium oxide is preferably greater than 0.35%, preferably greater than 0.40%, and / or less than 0.95%, less than 0.90%, less than 0.85%, lower 0.80%, preferably less than 0.70%, more preferably less than 0.60%.
  • the total content of "other species” is preferably less than 1%, or even less than 0.5%, or even less than 0.4%.
  • the other species are only impurities.
  • the content of each of the impurities is less than 0.1%.
  • Cr 2 O 3 are each less than 0.5%, preferably less than 0.3%. Still preferably, the residual carbon is less than 1500 ppm, less than 1300 ppm, or even less than 800 ppm.
  • the grain size is greater than 150 ⁇ m, and / or less than 3.35 mm, or less than 2 mm.
  • the melted grains according to the invention may be in the form of a mixture of grains, in particular in the form of a mixture of grains ready to be used as raw material for the manufacture of an abrasive tool, or in a form where these grains are immobilized relative to each other, for example because they are fixed on a fabric or bonded together to form a rigid mass, in particular to form an agglomerated abrasive.
  • Such a mixture of grains can also be used as an abrasive medium, especially in a sand blasting application, or in an application where this mixture is sprayed onto a part to be cleaned or stripped.
  • the invention thus also relates to a mixture of grains comprising, or even consisting of, grains according to the invention.
  • the invention also relates to an abrasive tool comprising grains bonded by a binder and agglomerated, for example in the form of a grinding wheel, or deposited on a support, for example deposited in layer a flexible support, this tool being remarkable in that at least some or all of said grains are in accordance with the invention.
  • the abrasive tool may be in particular a grinding wheel, a precision grinding wheel, a grinding wheel, a cutting wheel, a grinding wheel, a deburring or roughing wheel, a grinding wheel, a grinding wheel a portable grinding wheel, a grinding wheel for foundries, a grinding wheel, a grinding wheel, a cylindrical, cone, disc or segment grinding wheel or any other grinding wheel.
  • the invention finally relates to a process for producing grains according to the invention, comprising the following successive stages: a) mixing of raw materials, b) melting of said mixed raw materials until a molten liquid is obtained, c) cooling quenching said molten liquid, preferably such that the molten liquid is fully solidified in less than 3 minutes, until a solid mass is obtained, d) grinding said solid mass so as to obtain a mixture of grains and, optionally, granulometric classification of said mixture, said raw materials being chosen so that the grains of said mixture have a chemical composition in accordance with that of the grains according to the invention.
  • Melted grain means a grain obtained by a process comprising solidification, by cooling, of a molten liquid.
  • a “molten liquid” is a liquid mass which, to maintain its shape, must be contained in a container. It may contain some solid particles, but in insufficient quantity so that they can structure said mass.
  • mixture of grains is meant a mixture of grains that are castable, that is to say not having intrinsic rigidity. For small grains, it is classically called “powder”.
  • the "size" of a grain corresponds to the minimum standard mesh size through which said grain can pass.
  • the oxide contents of the grains refer to the overall contents for each of the corresponding chemical elements, expressed in the form of the most stable oxide, according to the usual convention of the industry; therefore include suboxides and optionally nitrides, oxynitrides, carbides, oxycarbides, carbonitrides, or even the metal species of the above-mentioned elements.
  • impurities is meant the inevitable constituents introduced involuntarily and necessarily with the raw materials or resulting from reactions with these constituents. Impurities are not necessary constituents, but only tolerated.
  • the compounds forming part of the group of oxides, nitrides, oxynitrides, carbides, oxycarbides, carbonitrides and metallic species of sodium and other alkalis, iron, vanadium and chromium are impurities.
  • Hafnium oxide naturally present in zirconia sources at levels below 2%, is not considered an impurity when the desired product must comprise zirconia or zirconia and hafnium.
  • ZrO 2 + HfO ⁇ means a mixture of zirconia and hafnia wherein the amount of oxide of hafnium is the oxide hafnium naturally present in the source of zirconia.
  • the "traces" correspond to quantities of less than 5% by weight of the phases in the presence.
  • compositions of a grain are given in percentages by weight, based on the oxides of the grain.
  • the fused grains according to the invention may be manufactured by any conventional method of producing molten grains of alumina or alumina-zirconia, in particular by means of a short arc furnace, with a melting energy before casting. at least 1500 kWh per tonne of raw materials for a oven power of at least 150 kW.
  • the melting conditions may be such that the grains have a maximum carbon content of 1500 ppm.
  • the basic grains may be manufactured by a process comprising the following successive steps: a) mixing raw materials; b) melting, conventionally in an electric furnace, said mixed raw materials until a molten liquid is obtained; c) quenching said molten liquid, preferably such that the molten liquid is fully solidified in less than 3 minutes, until a solid mass is obtained; d) grinding said solid mass so as to obtain molten grains, and, optionally, grading said grains.
  • the raw materials are chosen, in known manner, according to the desired composition for the melted grains to be produced.
  • the zirconia source is determined so that the amount of hafnium oxide is less than 5%, preferably less than 2%.
  • the sources of raw materials are preferably determined so that the total content of impurities in the grains is less than 0.5% and / or the content of each of the impurities is less than 0.3%.
  • Silica and sodium oxide in particular are known to be detrimental in molten grains, and their respective contents should be limited to trace amounts in molten grains, introduced as impurities in the raw materials.
  • the presence of silica leads in fact to the formation of a vitreous phase which modifies the abrasive properties and the hardness of the grains.
  • the presence of sodium oxide, even at low levels, leads to the formation of beta-alumina. However, this crystallographic form of alumina reduces the abrasive properties of the grains.
  • the raw materials are therefore preferably chosen so that the contents of SiO 2 , CaO, TiO 2 , Fe 2 O 3 or Cr 2 O 3 in the grains are each less than 0.5%, preferably less than 0. , 3%.
  • the melting conditions are preferably such that the grains have a maximum carbon content of 1500 ppm, 1300 ppm or 800 ppm.
  • the melting can be carried out by means of a short arc, with a melting energy before casting of at least 2000 kWh per ton of raw materials for a furnace power of at least 150 kW.
  • the cooling is rapid and may result, for example, by casting between cooled thin plates, as described in US 3,993,119.
  • the crystallographic analysis of the grains according to the invention thus manufactured did not make it possible to record the presence of a spinel phase, if not at the trace level.
  • the grains have a porosity measured by Helium Pycnometer less than 3%.
  • the granulometry of the grains can be selected according to the intended application.
  • the grains according to the invention have a grit greater than Grit 6 and / or lower than Grit 220, lower than Grit 80, or lower than Grit 24.
  • Agglomerated abrasive tools can be formed by pressing in the form of a mixture of abrasive grains and a binder.
  • the binder can be vitrified (for example, a binder consisting of oxides, essentially silicate) or organic.
  • An organic binder is well suited.
  • the binder may in particular be a thermosetting resin. It can be chosen from the group consisting of phenolic resins, epoxy, acrylate, polyester, polyimide, polybenzimidazole, polyurethane, phenoxy, phenol-furfural, analine-formaldehyde, urea-formaldehyde, cresol-aldehyde, resorcinol-aldehyde, urea-aldehyde , melamine-formaldehyde, and mixtures thereof.
  • phenolic resins epoxy, acrylate, polyester, polyimide, polybenzimidazole, polyurethane, phenoxy, phenol-furfural, analine-formaldehyde, urea-formaldehyde, cresol-aldehyde, resorcinol-aldehyde, urea-aldehyde , melamine-formaldehyde, and mixtures thereof.
  • the binder is between 2 and 60%, preferably between 20% and 40% by volume of the mixture.
  • the binder can also incorporate organic or inorganic fillers, such as inorganic hydrate fillers (for example aluminum trihydrate or bohmite) or not (for example molybdenum oxide), cryolite, halogen, fluorspar, iron sulphide, zinc sulphide, magnesia, silicon carbide, silicon chloride, potassium chloride, manganese dichloride, potassium fluoroborate or zinc, potassium fluoroaluminate, calcium oxide, potassium sulphate, copolymer of vinylidene chloride and vinyl chloride, polyvinylidene chloride, polyvinyl chloride, fibers, sulphides, chlorides, sulphates, fluorides, and mixtures thereof .
  • the binder may also contain reinforcing fibers such as glass fibers.
  • Ref fused alumina-zirconia grains, marketed under the designation ZF® or ZS®, and having the following chemical analysis, in percentages by mass: AI 2 O 3 : 75.0% , ZrO 2 + HfO 2 : 24.1%, TiO 2 :
  • Magnesium oxide is provided by pure materials with more than 99% magnesium MgO.
  • the products were prepared according to the conventional method well known to those skilled in the art: Raw materials were first dosed so as to produce grains of a given composition.
  • the molten liquid was then quenched by means of a casting device between the thin metal plates te! than that disclosed in US-A-3,993,119.
  • the melted grains were then crushed and classified according to their particle size.
  • the grains obtained are chemically characterized by X-ray fluorescence.
  • the set of chemical analysis data is collated in Table 1.
  • the non-carbon impurity content varies between 0.3 and 1%.
  • the complement corresponds to the alumina content.
  • Test A Determination of resistance to impact and fracturing
  • test A The purpose of the test A is to determine the fraction of surviving grains of a given particle size slice after a solicitation in a steel grinding bowl. This test allows a dynamic evaluation of fracture resistance and friability of grains.
  • the grain mixture Prior to the test, the grain mixture is first screened on an industry standard ROTAP® vibratory sieving machine to isolate the 710/850 ⁇ m fraction to represent the F24 (Grit 24) grain.
  • the isolated granulometric fraction is then stripped by magnetic separation so as to extract the metallic iron symptomatic of pollution due to grinding.
  • a Sodemi rotary grinding mill is commonly used for grinding powders for chemical analysis. This mill is suspended in eight springs and sets in motion a hollow cylindrical bowl containing grains to test, a puck and a sliding free ring.
  • the cylindrical grinding bowl made of steel (grade Z160 C 12) has the following dimensions: height 50 mm, internal diameter 139 mm.
  • the puck is a full cylinder (diameter 75 mm, height 45 mm) steel grade Z200C12 and weighs 1546 grams.
  • the cylindrical ring (inner / outer diameter 95 / 120mm, height 45mm) is steel of the same grade Z200C12 and weighs 1464 grams!
  • the test A of a sample then comprises the following steps. 1- Clean the bowl with compressed air. 2- A sample of 25 grams of granulometric fraction of the product to be tested is introduced between the wall of the grinding bowl and the puck. The Sodemi mill is started at its nominal speed (1400 rpm) for 4 seconds. The crushed product is then extracted from the milling bowl with a brush (No. 50) for analysis of the particle size distribution. The product is then sieved through a series of sieves 70 mm in diameter from a ROTAP® sieve for 3 minutes, with the following sieves T 1 :
  • Test B Determination of Hardness The purpose of Test B is to determine the Vickers hardness by micro indentation.
  • the melted grains having a size of between 710 and 850 ⁇ m are selected and then coated in thermosetting epoxy resin. Further sawing and polishing results in polished grains on which Vickers hardness can be measured. Vickers hardness is determined by indentation with a microdurometer
  • the hardness test consists in printing in the abrasive grain a straight pyramid-shaped penetrator with a square base angle at the top of 136 ° under a load F of 50 grams for 15 seconds and measuring the average diagonal d of the impression left (average of the two diagonals of the impression) in the grain after removal of the load.
  • the Vickers hardness is proportional to the F / S ratio with S the surface of the impression considered as right pyramid.
  • Vickers hardness is the average of 10 measurements taken on 10 random indentations on polished grains.
  • the grains according to the invention preferably have results greater than 95% in test A and greater than 85% in test B. Table 1
  • Examples 2, 6, 15 and 17 show that a mass ratio (ZrO 2 + HfO 2 ) / MgO of between 25 and 65 is necessary to obtain good results in test A.
  • Example 1 shows however that this condition is insufficient to obtain good results in test A when the amount of zirconia is too low.
  • Examples 5, 11, 13 and 16 are most preferred when maximum test A performance is desired.
  • Examples 5, 8, 11, 12, and 14 are most preferred when maximum B test performance is desired. The performance of Examples 1 1, 12 and 14 are particularly remarkable.
  • Example 11 shows the best compromise, for the targeted applications, between impact resistance and hardness.
  • Example 12 also provides an excellent compromise.
  • Example 5 is also very advantageous since it has excellent performance with a low zirconia content, and therefore with a reduced manufacturing cost. For the same reason, Example 3, which has substantially identical performance to that of the reference example, is an advantageous alternative.
  • the grains of the invention make it possible to obtain properties that are equivalent or improved over those of the prior art grains, with a lower zirconia content, and therefore a lower manufacturing cost.

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Abstract

Grains fondus présentant l'analyse chimique suivante, en pourcentages en masse sur la base des oxydes : Al2O3 : complément à 100% Zr02+Hf02 : 16-24%, MgO en une quantité telle que le rapport massique (ZrO2+ HfO2)/MgO soit compris entre 25 et 65, Autres espèces : 0-2%. Application comme grains abrasifs.

Description

Grains fondus abrasifs
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne des grains fondus contenant de l'oxyde de magnésium. L'invention concerne également un outil abrasif comportant des grains conformes à l'invention et un procédé de fabrication de grains selon l'invention.
ETAT DE LA TECHNIQUE
On classe généralement les outils abrasifs selon le mode de mise en forme des grains céramiques qui les constituent : abrasifs libres, utilisés en projection ou en suspension, sans support ; abrasifs appliqués où les grains sont fixés sur un support de type toile, papier ou film polymère et abrasifs agglomérés sous forme de meules circulaires, de bâtons, etc.
Dans le cas des abrasifs agglomérés, les grains abrasifs sont pressés avec un liant organique, par exemple une résine phénolique, ou vitreux, par exemple avec un liant constitué d'oxydes, notamment un liant silicate. Ces grains doivent présenter eux-mêmes de bonnes propriétés mécaniques à l'abrasion, notamment une bonne ténacité et/ou dureté, et donner lieu à une bonne cohésion avec le liant (solidité de l'interface). On trouve aujourd'hui différentes familles de grains abrasifs permettant de couvrir une large gamme d'applications et de performances. Dans la famille des grains d'alumine, on distingue en particulier, en fonction de l'application, les grains d'alumine électrofondue (corindons), les grains d'alumine-zircone électrofondues et les grains d'alumine fabriqués par procédé SoI-GeI. Les grains synthétisés par fusion des matières premières, dits "grains fondus", offrent un excellent compromis qualité / coût de fabrication.
Dans la gamme des grains fondus, les matériaux à base d'alumine et de zircone sont connus depuis US-A-3,181 ,939. Ces grains sont généralement composés de 10 à 60% de zircone, de 0 à 10% d'un additif, le complément étant l'alumine. En pratique, le taux de zircone des produits du commerce se situe soit autour de 25%, soit autour de la valeur de l'eutectique alumine-zircone située à environ 42% de zircone, généralement entre 35 et 50%, comme décrit dans le brevet US-A-3,891 ,408.
On connaît de EP 1 613 709 des grains contenant de 2,2% à 6,5% d'oxyde de magnésium, le complément étant AI2O3. Ces grains alumineux sont fabriqués par fusion de matières premières. Le liquide en fusion est ensuite refroidi, de préférence rapidement pour favoriser l'obtention de structures fines et orientées, par exemple au moyen d'un dispositif de coulée entre plaques minces métalliques tel que celui présenté dans le brevet US-A-3,993,119. Le matériau refroidi est enfin broyé, par exemple au moyen de broyeurs à rouleaux, puis tamisé et classifié en séries de distributions granulométriques, ou « grits », répondant à des normes précises, par exemple FEPA.
US 4,126,429 décrit des grains fondus abrasifs à base d'alumine et de zircone comportant entre 1 et 2% de MgO. La teneur en zircone est comprise entre
22% et 28% et US 4,126,429 explique que les performances des grains chutent dès que la teneur en zircone est inférieure à 22%. Le pourcentage optimal de zircone étant considéré comme situé au voisinage de 25%.
Un grain fondu abrasif doit présenter un compromis entre dureté et résistance à l'impact et à la fracturation qui soit adapté à l'application dans laquelle il est utilisé. Ce compromis dépend en effet des matières abrasées et des conditions d'abrasion.
La dureté correspond à la capacité du grain à pénétrer dans la matière abrasée tandis que la résistance à l'impact et à la fracturation détermine la régénération, par micro fracturation, des surfaces abrasives du grain.
Il existe donc un besoin permanent pour des grains abrasifs plus compétitifs et offrant de nouveaux compromis entre la dureté d'une part et la résistance à l'impact et à la fracturation d'autre part. Un but de l'invention est de répondre à ce besoin.
RESUME DE L'INVENTION La présente invention concerne des grains fondus présentant l'analyse chimique suivante, en pourcentages en masse sur la base des oxydes : AI2O3 : complément à 100%
ZrO2+HfO2 : 16-24%,
MgO en une quantité telle que le rapport massique (ZrO2+HfO2)/MgO soit compris entre 25 et 65,
Autres espèces : 0-2%.
Comme on le verra plus en détail dans la suite de la description, les grains selon l'invention présentent simultanément une bonne résistance à l'impact et à la fracturation et une bonne dureté. Les grains fondus selon l'invention peuvent encore présenter une ou plusieurs de caractéristiques suivantes :
La teneur en ZrO2+HfO2 est de préférence supérieure à 17,0% en masse, de préférence supérieure à 18,0% et/ou inférieure à 23,0%, de préférence inférieure à 22,5%. Dans un mode de réalisation où le coût de fabrication est un paramètre important, la teneur en ZrO2+HfO2 est de préférence inférieure à 22,0%, de préférence inférieure à 20,0%.
Le rapport massique (ZrO2+HfO2)/MgO est de préférence supérieur à 28, de préférence supérieur à 30, de préférence encore supérieur à 35, ou même supérieur à 40 et/ou inférieur à 60, inférieur à 55, inférieur à 50, voire inférieur à
47.
La teneur en oxyde de magnésium est de préférence supérieure à 0,35%, de préférence supérieure à 0,40%, et/ou inférieure à 0,95 %, inférieure à 0,90 %, inférieure à 0,85 %, inférieure à 0,80%, de préférence inférieure à 0,70%, de préférence encore inférieure à 0,60%.
La teneur totale en « autres espèces » est de préférence inférieure à 1%, voire inférieure à 0,5%, voire inférieure à 0,4%. De préférence, les autres espèces ne sont que des impuretés. De préférence, la teneur de chacune des impuretés est inférieure à 0,1%. En particulier, de préférence, Na2O < 0,1%, voire Na2O < 0,05%. De préférence également, les teneurs en SiO2, CaO, TiO2, Fe2O3 ou en
Cr2O3 sont chacune inférieures à 0,5%, de préférence inférieures à 0,3%. De préférence toujours, le carbone résiduel est inférieur à 1500 ppm, inférieur à 1300 ppm, voire inférieur à 800 ppm.
De préférence, la taille des grains est supérieure à 150 μm, et/ou inférieure à 3,35 mm, ou inférieure à 2 mm.
Les grains fondus selon l'invention peuvent être sous la forme d'un mélange de grains, notamment sous la forme d'un mélange de grains prêt à être utilisé comme matière première pour la fabrication d'un outil abrasif, ou sous une forme où ces grains sont immobilisés les uns par rapport aux autres, par exemple parce qu'ils sont fixés sur une toile ou liés entre eux afin de constituer une masse rigide, notamment pour constituer un abrasif aggloméré.
Un tel mélange de grains peut également servir de médium abrasif, notamment dans une application de sablage, ou dans une application où ce mélange est projeté sur une pièce à nettoyer ou à décaper. L'invention concerne ainsi également un mélange de grains comportant, voire constitué par, des grains selon l'invention. L'invention concerne encore un outil abrasif comportant des grains liés par un liant et agglomérés, par exemple sous forme de meule, ou déposés sur un support, par exemple déposés en couche un support souple, cet outil étant remarquable en ce qu'au moins une partie, voire la totalité, desdits grains sont conformes à l'invention.
L'outil abrasif peut être en particulier une meule de rectification, une meule de précision, une meule d'affûtage, une meule de tronçonnage, une meule de taillage dans la masse, une meule d'ébarbage ou de dégrossissage, une meule d'entraînement, une meule portable, une meule pour fonderies, une meule à forets, une meule sur tiges, une meule cylindrique, à cônes, à disques ou à segments ou tout autre type de meule.
L'invention concerne enfin un procédé de fabrication de grains selon l'invention, comprenant les étapes successives suivantes : a) mélange de matières premières, b) fusion desdites matières premières mélangées jusqu'à obtention d'un liquide en fusion, c) refroidissement par trempe dudit liquide en fusion, de préférence de manière que le liquide en fusion soit entièrement solidifié en moins de 3 minutes, jusqu'à obtention d'une masse solide, d) broyage de ladite masse solide de manière à obtenir un mélange de grains, et, optionnellement, classification granulométrique dudit mélange, lesdites matières premières étant choisies de manière que les grains dudit mélange présentent une composition chimique conforme à celle des grains selon l'invention.
DEFINITIONS
Par « grain fondu », on entend un grain obtenu suivant un procédé comportant une solidification, par refroidissement, d'un liquide en fusion.
Un « liquide en fusion » est une masse liquide qui, pour conserver sa forme, doit être contenue dans un récipient. Elle peut contenir quelques particules solides, mais en quantité insuffisante pour qu'elles puissent structurer ladite masse. Par "mélange de grains", on entend un mélange de grains coulable, c'est-à- dire ne présentant pas de rigidité intrinsèque. Pour des grains de petite taille, on parle classiquement de "poudre". Classiquement, la "taille" d'un grain correspond à la maille de tamis standard minimale à travers laquelle ledit grain peut passer. Lorsqu'il est fait référence à des grits ou à la norme FEPA-F, il est fait référence à la norme FEPA-F Standard 42-GB-1984.
Les teneurs en oxydes des grains se rapportent aux teneurs globales pour chacun des éléments chimiques correspondants, exprimées sous la forme de l'oxyde le plus stable, selon la convention habituelle de l'industrie ; sont donc inclus les sous-oxydes et éventuellement nitrures, oxynitrures, carbures, oxycarbures, carbonitrures, ou même les espèces métalliques des éléments sus-mentionπés.
Lorsqu'une composition chimique d'un grain fondu est décrite, « Autres espèces » désigne tous les composés qui ne sont pas mentionnés explicitement par ailleurs, et notamment les impuretés.
Par « impuretés», on entend les constituants inévitables, introduits involontairement et nécessairement avec les matières premières ou résultant de réactions avec ces constituants. Les impuretés ne sont pas des constituants nécessaires, mais seulement tolérés. Par exemple, les composés faisant partie du groupe des oxydes, nitrures, oxynitrures, carbures, oxycarbures, carbonitrures et espèces métalliques de sodium et autres alcalins, fer, vanadium et chrome sont des impuretés. L'oxyde d'hafnium, naturellement présent dans les sources de zircone à des teneurs inférieures à 2%, n'est pas considéré comme une impureté lorsque le produit souhaité doit comprendre de la zircone ou de la zircone et de l'oxyde d'hafnium.
Par « ZrO2 + HfOï », on entend un mélange de zircone et d'oxyde d'hafnium dans lequel la quantité d'oxyde d'hafnium correspond à l'oxyde d'hafnium naturellement présent dans la source de zircone.
Les « traces » correspondent à des quantités inférieures à 5% en masse des phases en présence.
Dans les présentes description et revendications, sauf mention contraire, toutes les compositions d'un grain sont données en pourcentages massiques, sur la base des oxydes du grain.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre.
DESCRIPTION DETAILLEE
Les grains fondus selon l'invention peuvent être fabriqués selon tout procédé conventionnel de fabrication de grains fondus d'alumine ou d'alumine- zircone, en particulier au moyen d'un four à arc court, avec une énergie de fusion avant coulée d'au moins 1500 kWh par tonne de matières premières pour une puissance de four d'au moins 150 kW. Les conditions de fusion peuvent être telles que les grains présentent une teneur maximale en carbone de 1500 ppm.
Les grains de base peuvent en particulier être fabriqués suivant un procédé comprenant les étapes successives suivantes : a) mélange de matières premières ; b) fusion, classiquement dans un four électrique, desdites matières premières mélangées jusqu'à obtention d'un liquide en fusion ; c) refroidissement par trempe dudit liquide en fusion, de préférence de manière que le liquide en fusion soit entièrement solidifié en moins de 3 minutes, jusqu'à obtention d'une masse solide ; d) broyage de ladite masse solide de manière à obtenir des grains fondus, et, optionπellement, classification granulométrique desdits grains.
A l'étape a), les matières premières sont choisies, de manière connue, en fonction de la composition désirée pour les grains fondus à fabriquer. De préférence, la source de zircone est déterminée pour que la quantité d'oxyde d'hafnium soit inférieure à 5%, de préférence inférieure à 2%.
Les sources de matières premières sont de préférence déterminées pour que la teneur totale en impuretés des grains soit inférieure à 0,5% et/ou que la teneur de chacune des impuretés soit inférieure à 0,3%. La silice et l'oxyde de sodium en particulier sont connus pour être préjudiciables dans les grains fondus, et leurs teneurs respectives devraient être limitées à l'état de traces dans les grains fondus, introduites à titre d'impuretés dans les matières premières. La présence de silice conduit en effet à la formation d'une phase vitreuse qui modifie les propriétés abrasives et la dureté les grains. La présence d'oxyde de sodium, même à des teneurs faibles, conduit à la formation de béta alumine. Or cette forme cristallographique de l'alumine réduit les propriétés abrasives des grains. De préférence, Na2O < 0,1%, voire Na2O < 0,05%.
Les matières premières sont donc, de préférence, choisies pour que les teneurs en SiO2, CaO, TiO2, Fe2O3 ou en Cr2O3 dans les grains soient chacune inférieures à 0,5%, de préférence inférieures à 0,3%.
A l'étape b), les conditions de fusion sont de préférence telles que les grains présentent une teneur maximale en carbone de 1500 ppm, 1300 ppm, voire 800 ppm.
En particulier la fusion peut être effectuée au moyen d'un arc court, avec une énergie de fusion avant coulée d'au moins 2000 kWh par tonne de matières premières pour une puissance de four d'au moins 150 kW. A l'étape c), le refroidissement est rapide et peut résulter, par exemple, par coulage entre des plaques minces refroidies, comme décrit dans US 3,993,119.
L'analyse cristallographique des grains selon l'invention ainsi fabriqués n'a pas permis de relever la présence d'une phase spinelle, sinon à l'état de traces. Les grains présentent une porosité mesurée par Pycnomètre Hélium inférieure à 3%.
A l'étape d), la granulométrie des grains peut être sélectionnée en fonction de l'application visée. De préférence, les grains selon l'invention ont un grit supérieur au Grit 6 et/ou inférieur au Grit 220, inférieur au Grit 80, ou inférieur au Grit 24.
Les procédés de fabrication des outils abrasifs selon l'invention sont bien connus.
Les outils abrasifs agglomérés peuvent être formés par pressage en forme d'un mélange de grains abrasifs et d'un liant. Dans un outil abrasif selon l'invention, le liant peut être vitrifié (par exemple, un liant constitué d'oxydes, essentiellement silicate) ou organique. Un liant organique est bien adapté.
Le liant peut être notamment une résine thermodurcissable. Il peut être choisi dans le groupe constitué par les résines phénoliques, époxy, acrylate, polyester, polyimide, polybenzimidazole, polyuréthane, phénoxy, phénol-furfural, analine-formaldéhyde, urée-formaldéhyde, cresol-aldéhyde, resorcinol-aldéhyde, urée-aldéhyde, mélamine-formaldéhyde, et des mélanges de ceux-ci.
Habituellement, le liant représente entre 2 et 60%, de préférence entre 20% et 40% en volume du mélange. Le liant peut également incorporer des charges organiques ou inorganiques, comme des charges inorganique hydratées (par exemple du trihydrate d'aluminium ou de la bohmite) ou non (par exemple de l'oxyde de molybdène), de la cryolite, un halogène, du fluorspar, du sulfure de fer, du sulfure de zinc, de la magnésie, du carbure de silicium, du chlorure de silicium, du chlorure de potassium, du dichlorure de manganèse, du fluoroborate de potassium ou de zinc, du fluoroaluminate de potassium, de l'oxyde de calcium, du sulfate de potassium, un copolymère de chlorure de vinylidène et de chlorure de vinyle, du chlorure de polyvinylidène, du chlorure polyvinyle, des fibres, sulfures, chlorures, sulfates, fluorures, et des mélanges de ceux-ci. Le liant peut également contenir des fibres de renfort comme des fibres de verre. EXEMPLES
Les exemples non limitatifs suivants sont donnés dans le but d'illustrer l'invention,
Les produits de référence (« Réf ») sont des grains alumine-zircone fondus, commercialisés sous l'appellation ZF® ou ZS®, et présentant l'analyse chimique suivante, en pourcentages en masse : AI2O3 : 75,0%, ZrO2 + HfO2 : 24,1 %, TiO2 :
0,1%, SiO2 < 0,2%, MgO : 0,05%, CaO : 0,07%, Autres < 0,8%. Les analyses cristallographique et microstructurale révèlent que la totalité de la zircone est combinée avec de l'alumine sous forme d'eutectique ; le complément pour l'alumine se trouve sous forme d'alumine alpha (corindon).
Les autres produits testés ont été élaborés à partir des matières premières suivantes :
- Alumine Bayer® sous-calcinée à teneur en soude inférieure à 0,3%
- Poudre de zircone à teneur en ZrO2+HfO2 supérieure à 98% - Coke de pétrole.
De l'oxyde de magnésium est apporté par des matières pures à plus de 99% de magnésium MgO.
Les produits ont été préparés suivant le procédé classique bien connu de l'homme de l'art : Des matières premières ont d'abord été dosées de manière à pouvoir fabriquer des grains de composition déterminée.
A ces matières premières ont été ajoutés au minimum 1 % (jusqu'à 3%) de coke de pétrole selon l'état du four, en pourcentages massiques sur la base de la charge de départ. La charge de départ a ensuite été fondue dans un four à arc électrique monophasé de type Hérault à électrodes en graphite, avec une cuve de four de 0,8 m de diamètre, une tension de 105 V à 150V, une intensité de 1800 à 2500 A et une énergie électrique spécifique fournie de 2,0 à 2,8 kWh/kg chargé.
Le liquide en fusion a ensuite été brusquement refroidi au moyen d'un dispositif de coulée entre plaques minces métalliques te! que celui présenté dans le brevet US-A-3,993,119. Les grains fondus ont ensuite été broyés et classés selon leur granulométrie.
Les grains obtenus sont caractérisés chimiquement par fluorescence des rayons X. L'ensemble des données d'analyse chimique est rassemblé dans le Tableau 1. Le taux d'impuretés hors carbone varie entre 0,3 et 1%. Le complément correspond à la teneur en alumine. Afin de mettre en évidence les propriétés mécaniques des grains, les tests décrits ci-après ont été mis en oeuvre. Test A : Détermination de la résistance à l'impact et à la fracturation
Le test A vise à déterminer la fraction de grains survivants d'une tranche granulométrique donnée après une sollicitation dans un bol de broyage en acier. Ce test permet une évaluation en dynamique de la résistance à la fracturation et de la friabilité des grains.
Préalablement au test, le mélange de grains est d'abord tamisé sur une tamiseuse vibratoire de type ROTAP®, standard dans l'industrie, de manière à isoler la fraction 710 / 850 μm pour représenter le grain de numéro F24 (Grit 24).
La fraction granulométrique isolée subit ensuite un déferrage par séparation magnétique de manière à extraire le fer métallique symptomatique d'une pollution due au broyage.
Pour te test, on utilise un broyeur tournant Sodemi couramment utilisé pour le broyage de poudres en vue de leur analyse chimique. Ce broyeur est monté en suspension sur 8 ressorts et met en mouvement un bol cylindrique creux contenant des grains à tester, un palet et un anneau libre glissant. Le bol cylindrique de broyage en acier (nuance Z160 C 12) a les dimensions suivantes : hauteur de 50 mm, diamètre intérieur de 139 mm. Le palet est un cylindre plein (diamètre 75 mm, hauteur 45 mm) en acier de la nuance Z200C12 et pèse 1546 grammes. L'anneau cylindrique (diamètre intérieur/extérieur 95/120mm, hauteur 45mm) est en acier de la même nuance Z200C12 et pèse 1464 grammes!
Le test A d'un échantillon comporte alors les étapes suivantes. 1- Nettoyage du bol à l'air comprimé. 2- Un échantillon de 25 grammes de fraction granulométrique du produit à tester est introduit entre la paroi du bol de broyage et le palet. Le broyeur Sodemi est mis en route à sa vitesse nominale {1400 tours/min) pour une durée de 4 secondes. Le produit broyé est ensuite extrait du bol de broyage à l'aide d'un pinceau (n° 50) pour analyse de la répartition granulométrique. Le produit est ensuite tamisé dans une série de tamis de 70 mm de diamètre d'une tamiseuse ROTAP® pendant 3 minutes, avec les tamis T1 suivants :
Figure imgf000011_0001
On appelle « T1 +T2 » la somme des refus (fractions qui ne traversent pas les tamis), en masse, des tamis T1 et T2. La valeur de la résistance à l'impact et à la fracturation {test A), donnée en pourcent, correspond à la valeur T1+T2 de l'échantillon testé divisée par la valeur T1+T2 de l'échantillon de référence. La résistance à l'impact et à la fracturation sera donc d'autant meilleure que la valeur obtenue au test A est élevée. Test B : Détermination de la dureté Le test B vise à déterminer la dureté Vickers par micro indentation.
Les grains fondus présentant une taille comprise entre 710 et 850 μm sont sélectionnés puis enrobés dans de la résine époxy thermodurcissable. Un sciage et d'un polissage ultérieurs permettent d'obtenir des grains polis sur lesquelles on peut mesurer la dureté Vickers. La dureté Vickers est déterminée par indentation avec un microduromètre
Zwick 3212 équipé d'un diamant Vickers. L'essai de mesure de dureté consiste à imprimer dans le grain abrasif un pénétrateur en forme de pyramide droite à base carrée d'angle au sommet de 136° sous une charge F de 50 grammes pendant 15 secondes et à mesurer la diagonale moyenne d de l'empreinte laissée (moyenne des deux diagonales de l'empreinte) dans le grain après enlèvement de la charge. La dureté Vickers est proportionnelle au rapport F/S avec S la surface de l'empreinte considérée comme pyramide droite. La dureté Vickers correspond à la moyenne de 10 mesures prises sur 10 empreintes indentées au hasard sur les grains polis. La dureté Vickers (test B), donnée en pourcent, correspond à la valeur
0,189 x F ! cP où d = {d1+d2)!2 et d1 et c/2 sont les deux diagonales de l'empreinte formée pour l'échantillon testé, divisée par la valeur 0,189 x F / d2 de l'échantillon de référence. La dureté est donc d'autant meilleure que la valeur obtenue au test B est élevée. Les grains selon l'invention présentent de préférence des résultats supérieurs à 95% au test A et supérieurs à 85% au test B. Tableau 1
Figure imgf000012_0001
Les exemples 2, 6, 15 et 17 montrent qu'un rapport massique (ZrO2+HfO2)/MgO compris entre 25 et 65 est nécessaire pour obtenir de bons résultats au test A. L'exemple 1 montre cependant que cette condition est insuffisante pour obtenir de bons résultats au test A lorsque la quantité de zircone est trop faible.
Les exemples 5, 11 , 13 et 16 sont préférés entre tous lorsque des performances maximales au test A sont recherchées.
Les exemples 5, 8, 11 , 12, et 14 sont préférés entre tous lorsque des performances maximales au test B sont recherchées. Les performances des exemples 1 1 , 12 et 14 sont particulièrement remarquables.
L'exemple 11 présente le meilleur compromis, pour les applications visées, entre résistance à l'impact et dureté. L'exemple 12 fournit également un excellent compromis. L'exemple 5 est également très avantageux puisqu'il présente d'excellentes performantes avec une faible teneur en zircone, et donc avec un coût de fabrication réduit. Pour la même raison, l'exemple 3, qui présente des performances sensiblement identiques à celles de l'exemple de référence, en constitue une alternative avantageuse.
Une analyse par diffraction des rayons X et par microsonde révèle que, pour les grains de l'invention, la majorité du magnésium se retrouve dans la phase eutectique alumine-zircoπe ; le complément d'alumine se trouve sous forme d'alumine alpha (corindon) ; on ne retrouve pas de phase spinelle (solution solide d'alumine et d'oxyde de magnésium) ou alors uniquement sous forme de traces, contrairement aux exemples 2 et 17 où on trouve une phase spinelle. On retrouve, pour les grains de l'invention, une proportion de zircone stabilisée sous forme tétragonale (t-2rθ2) de l'ordre de 30% à 70% par rapport à la zircone.
Comme cela apparaît clairement à présent, les grains de l'invention permettent d'obtenir des propriétés équivalentes ou améliorées par rapport à celles des grains selon la technique antérieure, avec une teneur en zircone plus faible, et donc un coût de fabrication moins élevé.
Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation fournis à titre d'exemples illustratifs.

Claims

REVENDICATIONS
1. Grains fondus présentant l'analyse chimique suivante, en pourcentages en masse sur la base des oxydes :
AI2O3 : complément à 100% ZrO2+HfO2 : 16-24%,
MgO en une quantité telle que le rapport massique (ZrO2+HfO2)/MgO soit compris entre 25 et 65, Autres espèces : 0-2%.
2. Grains fondus selon la revendication précédente, dans lesquels le rapport massique (ZrO2+HfO2)/MgO est inférieur à 55.
3. Grains fondus selon la revendication précédente, dans lesquels le rapport massique (ZrO2 +HfO2)/MgO est inférieur à 50.
4. Grains fondus selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lesquels le rapport massique {ZrO2+HfO2)/MgO est supérieur à 28.
5. Grains fondus selon la revendication précédente, dans lesquels le rapport massique (ZrO2+ HfO2)/MgO est supérieur à 30.
6. Grains fondus selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lesquels (ZrO2+HfO2) < 22,5%, en pourcentage en masse sur la base des oxydes.
7. Grains fondus selon la revendication précédente, dans lesquels
(ZrO2 +HfO2) < 20,0%, en pourcentage en masse sur la base des oxydes.
8. Grains fondus selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lesquels 17,0% < (ZrO2+HfO2), en pourcentage en masse sur la base des oxydes.
9. Grains fondus selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lesquels la zircone stabilisée sous forme tétragonale représente entre 30% et
70% de la zircone.
10. Grains fondus selon l'une quelconque des revendications précédentes présentant une taille supérieure à 150 μm et inférieure à 3,35 mm.
11. Outil abrasif comportant des grains liés par un liant, agglomérés ou déposés sur un support, au moins une partie desdits grains étant conformes à l'une quelconque des revendications précédentes.
12. Utilisation de grains conformes à l'une quelconque des revendications 1 à 10 comme médium abrasif.
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