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Perfectionnements aux matières abrasives et. à leurs procédés de fabrication.
La présente invention se rapporte à des perfec- tionnements aux matières abrasives et à leurs procédés de fa- brication.
Les abrasifs actuellement en usage dans l'indus- trie consistent en de petites particules ou des fragments de cristaux abrasifs, naturels ou. produits synthétiquement, qu'on emploie- soit a l'état d'une poudre finement divisée réduite en pt.e ou en bouillie, soit liés au moyen d'un liant approprié, formé séparément, et moulés sous la forme d'une meule ou a'unbloc @
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Dans les deux cas, l'effet coupant aépena principalement ae la grandeur et de la dureté relative des particules abrasives.
L'efficacité des abrasifs employés avec un liant est affectée également par la nature au liant dans lequel les particules abra sives sont noyées. D'ans la fabrication de meules abrasives en carbure de silicium par exemple, les grains abrasifs de carbure de silicium sont mélanges avec un liant approprié ou une matière appropriée constituant une matrice et sont moulés à la forme aésirée pour leur traitement final ou leur cuisson. On choisit avec soin le liant ou les salières constituant une matrice en ce qui concerne leurs propriétes d'adhésion et de dureté après le traitement Ainal ou la cuisson, afin que les particules abra- sives puissent être maintenues en place et présenter néanmoins continuellement de nouvelles aspérites abrasives à la surface qu'on travaille.
Pour des opérations de meulage fin tel que le po- lissage du verre optique ou des glaces, on emploie normalement un abrasif à l'état, pulvérisé sous la forme d'une pète ou d'une bouillie. La valeur technique de tels abrasifs est jugée princi- palement par- la qualité de la surface.polie qu'en peut obtenir et par le temps nécessaire pour détenir une telle surface polie.
Cn doit considérer également, comme autres caractéristiques im- portantes, la facilité avec laquelle la matière abrasive peut être enlevée de la pièce à travailler, de la machine et de la sur personne de l'opérateur, son effet irritant ou toxique/celui-ci, la vitesse à laquelle il se dépose du sein d'une suspension aquai- se et la longueur de sa durée utile.
On a reconnu et employé depuis longtemps dans l'indus- trie, comme matières abrasives les plus appropriées pour ce gen- re de travail, le rouge anglais et des mélanges contenant du. rouge anglais, malgré leur prix extrêmement élevé, même en gros, leur couleur qui laisse des taches et leur tendance à adhérer à la surface sur laquelle on les emploie ou à tout objet avec lequel ils viennent en contact.
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Le but-principal de la présente invention est la création d'un procédé'perfectionné de fabrication de matières abrasives,caractérisé particulièrement par le fait qu'il est adaptable à la production d'une grande série d'abrasifs sxéten- dant à partir d'abrasifs aptes aux meulages de dégr'ossisage jusqu'aux abrasifs susceptibles d'emploi comme remplaçants du rouge anglais dans n'importe quel usage actuel de cette matière, avec des résultats égaux et généralement supérieurs.
Un but plus précis de l'invention consiste dans la création d'un procédé de fabrication de la nature décrite plus haut, dont le'résultat 'est la production de. cristaux abrasifs, de grandeur essentiellement uniforme, noyés dans une matrice, procédé dans lequel la grandeur des particules abrasives et la nature de la matrice peuvent facilement être réglées suivant l'usage auquel la matière est destinée. 'Un autre but consiste dans la production de matières abrasives relativement peu coûteuses, blanches, non toxiques et non salissantes, faciles à enlever de la surface traitée ou dun objet quelconque avec lequel elles viennent en contact et très efficaces pour l'usage auquel elles sont des- tinées.
Les diverses propriétés nouvelles qui caractérisent Il- invention sont indiquées particulièrement dans les revendications annexées au présent mémoire dont elles font partie. Pour mieux comprendre l'invention, les avantages de sa mise en oeuvre et les buts particuliers atteints par son emploi, on se reportera à la description qui suit dans laquelle on en a exposé divers modes de réalisation.
Pour la mise. en oeuvre de l'invention, on emploie une matière d.e base contenant de l'alumine et de la silice, de préférence un minéral relativement pur d'alumine et de silice, trouvé dans la nature, à teneur relativement élevée en alumine (Al2O3), et on traite thermiquement ce minéral avec ou sans matière additionnelle, suivant la forme désirée d'abrasif, pour produire synthétiquement uhe multitude de petits cristaux abra-
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sifs, sensiblement de même grandeur, noyés dans une matière appropriée, qui lie les cristaux sous la forme d'une masse homogène.
Sous l'action de la chaleur, il se forme lentement dans la masse des cristaux de silicate d'aluminium (millite) et, bien que les cristaux soient d'abord trop petits pour pouvoir être vus au microscope, ces cristaux croissent à mesure que la tem- pérature s'élève et que la durée du chauffage se prolonge et peuvent facilement être vus au microscope. La matière restante de la masse forme une matrice amoprphe, non cristalline, dans laquelle sont noyés les cristaux de mullite.
Les cristaux de mullite commencent à se former à la température de 1010 C environ. Ces cristaux croissent assez lentement jusque ce que soient atteintes les températures de la 'zone de maturation", zone de températures dans laquelle il y a peu ou il n'y a pas de changement dans la grandeur des cris- taux, A des températures supérieures à la zone de maturation, les cristaux, suivant la composition de la matière, tendent à croftre plus rapidement. Il semble que ce fait s oit dû à des modifications de la nature de la matrice vitreuses qui règle dans une certaine mesure la vitesse de croissance des cristaux. Lorsqu'on calcine la matière dans ces conditions, la grandeur du cristal est considérée comme non satisfaisante pour une matière à polir le verre, parce que les gros cristaux ont tendance à rayer ce dernier.
Comme la grandeur des cristaux formés par re- cristallisation dépend principalement de la température à laque le on chauffe la matière et de la durée de la période de chauffage, on peut aisément déterminer cette grandeur en réglant l'effet de chauffage. En tout cas, la dureté de la matrice aoit être inférieure à celle des cristaux et, de préférence, voisine à celle de la surface à traiter. La matrice formée est généralement constituée en grande partie par de la silice qui constitue une matrice d'une dureté définie.
L'étendue de la zone de températures de maturation
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e,Qtpqrticulièrement importante dans la.mise en oeuvre de Le
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fabrication et.plus elle est grande, plus la latitude dans l'opération de calcination est grande sans qu'il y ait une modification de l'uniformité- du produit. On a constaté que la zone de maturation peut être sensiblement élargie par l'inclusion,dans la matière qui doit être calcinée, d'une matière jouant le rôle de fondant, de préférence une matière appropriée formant du verre, afin de faciliter la formation des cristaux de mullite.
Des quantités déterminées d'avance d'une matière convenable , telle que la soude, la chaux, le borax ou l'oxyde de plomb, qui forme du verre peuvent être introduites avant la calcination décrite plus haut. pour quelles se combinent avec la matrice de silice normalement existante afin de modifier la nature et, plus particulièrement, la dureté et la viscosité de cette matrice.
La matière de base employée et la teneur élevée en alumine (qui de préférence dépasse 40% pour produire un abrasif à coupe rapide) doivent produire par recristallisation un pourcentage élevé de cristaux microscopiques de grandeur uniforme et elle doit être relativement exempte d'impuretés telles que des particules de fer, de silice, de quartz et d'autres constituant abrasifs, La demanderesse a constaté que les kaolins du Sud des Etats Unis donnentparticulièrement satisfaction comme matière de base.
Le kaolin est une argile très pure ; celui qu'on
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trouve ccntient sclivent un peu de sable libre et peu d'impuretés à coté de 46% environ d'alumine. Sous-l'action de la chaleur, le kaolin se dissocie et recristallise en de multiples cristaux de mullite dans une matrice, la réaction chimique étant repré-
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sentée par : 3 (A1203 ..2Si02.2H20} + chaleur -.,-3A12t,2SiC+4i.(.
La dureté de- la mullite est d'environ 7,5 à l'échelle de Mohr. on a préparé le kaolin-pour la calcination, en humectant la ma tière, de manière à lui conférer une consistance convenable pour le moulage par le pressage à sec, et en le moulant ensuite en lingots. on a séché ces lingots avant cuisscn. On les a chauffés dans Un four périodique jusqu'à la température maxima désirée en 3 à 4 heures, on les. a maintenus à cette température pendants 1/2
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à 3 1/2 heures et on les a laissés refroidir lentement ensuite.
Bien que les kaolins traités ainsi par la chaleur, concassés ensuite et broyés au degré de finesse désiré soient fortement abrasifs, on a trouvé qu'ils ne convenaient pas pour les opérations de meulage très fin et le polissage, par exemple le polissage du verre pour lequel on emploie actuellement le rouge anglais dans la pratique, sauf lorsque la température maxima de calcination se trouve dans une zone relativement étroite de maturation, autour de 1205 C.
La calcination aécrite du kaolin produit une structure uniforme contenant environ 65% de cristaux de mullite de grandeur uniforme noyés dans une matrice hcmcgène. En raison des quantités encrmes de kaolins qu'on peut acquérir à un prix relativement bas, ceux-ci constituent une matière première idéale pour le but visé par l'invention.
Cn concasse et on broie la matière calcinée à un dégré de finesse déterminé d'avance suivant l'usage auquel on la destine. Il n'est pas d'une importance capitale pour les opérations de meulage ordinaires de fixer exactement la grandeur de la matière, car la grandeur Lies pointes coupantes in- dividuelles de la mallite sera sensiblement la même quelle que soit lE grandeur des particules broyées.
Toutefois pour les opérations de polissage du verre, il est préférable que toutes les particules abrasives aient moins de dix microns et que la majeure partie d'entre elles ait six micrcns. Une seule particule de la matière objet de l'invention, d'une grandeur convenable pour le polissage des glaces, peut contenir de dix à cent pointes coupantes liées ensemble, tandis que dans les abrasifs cristallins en particules détachées, connus jusqu'à présent, toutes variations dans la grandeur des particules affecte la caractéristique d'abrasion, parce que ces particules sont des cristaux individuels ou des fragments individuels de cristaux et que la grandeur de la pointe coupante est proportionnelle à la grandeur du fragment.
En tout cas,la matière broyée doit
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passer par uh tamis de deux cents mailles au pouce linéaire
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Sauf lorsqu'on les calcine à une température comprise dans la zone relativement étroite de maturation précitée, les kaolins calcinés ne constituent qu'un abrasif de qualité moyenne. Lorsqu'on les calcine à des, températures au-dessous de la zone de maturation, ils sont à coupe relativement lente, et lorsqu'on calcine à des températures plus élevées que cette zone, ils forment des petites rayures sur la surface traitée.
La demanderesse a constaté que lorsqu'on mélange d'abord le kaolin,brut pulvérisé avec du plâtre de Paris ou de la chaux relativement purs, à l'état finement divisé, et lorsqu'on soumet. le mélange à un traitement thermique d.'une manière prédéterminée, le produit résultant est un abrasif de qualité supérieure. Le, plâtre de paris ou la chaux semblent agir comme un fondant qui abaisse la température à laquelle la recristal- lisation commence et qui élargit ¯considérablement la zcne de maturation.
Les mélanges de chaux et de kaolin ou de plâtre de Paris et d.e kaolin peuvent être calcinés à des températures maxima comprises dans une zone de maturation'de 1065 à 1345 C et donner des produits finaux sensiblement identiques, bien qu'on ait obtenu les meilleurs résultats dans des fours périodiques dans la zone de 1175 à 12900 C. La matière agissant comme fondant semble également faciliter l'absorption d'impuretés du kaolin pour former- une matrice particulièrement convenable pour les cristaux de mullite. D'autres ingrédients capables de former du verre,tels que le borax, le verre à bouteille, le feldspath, l'oxyde de plomb, le carbonate de sodium, etc., -pour- raient probablement remplacer la chaux ou le plâtre de Paris et donner sensiblement le même résultat.
Il est possible également d'éliminer- ces impuretés du kaolin brut par d'autres ty- pes. d'opérations de purification, par exemple par des opérations de dépôt et de décantation, mais ces opérations augmenteraient sensiblement les frais de fabrication du produit final.
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La demanderesse a prouvé particulièrement convena - ble pour la production d'un abrasif de qualité supérieure, pour le polissage du verre, un mélange de matières constitué de la façon suivante : Plâtre de Paris (99% de sulfate de calcium pur) 37 parties en poids , Sciure de bois (4 à 8 mailles au pouce linéaire) 37 parties en poids , Kaolin de Géorgie pulvérisé : 100 parties en poids.
Cn a mélangé intimement, dans un récipient, ces matières sèches, puis on les a mélangées avec un poids d'eau à peu près égal à celui des matières séches. On a moulé ensuite la matière en des formes appropriées à leur manutention et on lui a permis de faire prise pendant une période de durée suffi- sante pour réaliser une recristallisation au moins partielle du plâtre de Paris. Les pièces moulées ont été cuites ensuite tandis qu'elles étaient encore humides, un échange' intermédiai- re n'étant pas nécessaire. Les pièces moulées ont été cuites par introduction dans un four-tunnel ayant une température ini- tiale de 6500 C et une atmosphère non oxydante.
La température du four a été élevée graduellement à 7300 C environ et on suppo- se que pendant cette période les particules combustibles ont été complètement distillées et carbonisées. On a élevé ensuite graduellement la températuredu four à 1290 C. environ, en rem- plaçant l'atmosphère non oxydante par une atmosphère oxydante complètement pour éliminer/les particules de carbone. La période de cuisson dans le four-tunnel, à l'exclusion de la zone de refroidissement, a eu une uurée totale de quatre heures un quart environ. Le pro- duit résultant était une pièce réfractaire légère présentant ap- proximetivement 70% en volume de vides.
Les pièces réfract&irps ont été concassées ensuite et broyées au moulin à boulets jus- qu'à ce que toute la matière eût @ moins que dix microns et que sensiblement toute la matière eût moins que six microns.
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Dans le but de faire des essais, on a fait de la ma- tière broyée une bouillie renfermant de 31 à 41% de matières solides et on l'a fait circuler sur une meule de polissage coin- portant un disque en feutre. On a poli ensuite au moyen de cette meule des échantillons de verre. à surface meulée brute. Chacune des surfaces de verre traitées a reçu., dans les dix minutes, un fini optique fortement poli sur toute son étendue et était exempte de rayures, de rides, de piqûres, ou de rainures inad- missibles.
Un mélange plus dense qu'on a trouvé également convena- ble pour une matière de polissage du verre consistait en ce qui suit : Kaolin de Géorgie pulvérisé : 100 parties en poids Chaux vive 14,4 " " " a
On/éteint la chaux avec de l'eau à la température or- dinaire et on l'a réduite en pâte. Le reste d'eau a été ajouté ensuite à 65 C.et le kaolin. a été introduit dans le mélange.
Celui-ci a été moulé ensuite- et les lingots moulés ont été sé- chés à 90 C. en laissant encore 30% de l'eau employée pour le moulage. On a cuit ces lingots dans un four périodique suivant un programme de cuisson dans lequel la température maxima du four était atteinte en 3 à 4 heures et les lingots ont été cuits à cette température pendant 2 1/2 heures à 3 1/2 heures. Les lin- gots cuits à des températures maxima comprises entre 1095 et 1315 C ont. été trouvés convenables pour le polissage -du verre après qu'on les eût concassés et broyés à la grandeur voulue, les produits de cuisson aux températures de 12C5 à 1260 C donnant particulièrement des surfaces polies excellentes.
Il semble que chacun des abrasifs décrits ci-dessus consiste en un très grand nombre de cristaux microscopiques de mullite de grandeur uniforme noyés dans une matrice de telle nature qu'elle ne provoque pas, elle-même, des rayures dues à sa propre dureté, mais qu'elle lie cependant les cristaux indi- viduels de mullite de telle façon que les cristaux émoussés sont
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arrachés rapidement des grains individuels et qu'ils exposent continuellement de nouvelles formes coupantes à la surface 'du' on traite.
Les résultats experimentaux obtenus avec les abra- sifs décrits indiquent une capacité de polir le verre dans le tiers environ de temps nécessaire actuellement avec les meilleurs abrasifs employés dans la technique pour le polissage au verre, et ces essais montrent que les abrasifs décrits sent égaux aux meilleurs abrasifs qu'on peut trouver-pour le polissage. Le coût peu élevé des matières premières, du cycle de cuisson et des opérations de broyage exécutées dans le mode de fabrication décrit, tout contribue à la production d'un abrasif relativement peu coûteux, même pour les opératicns de polissage les plus délicates.
La facilité de réglage des opérations de fabricaticn en ce qui concerne la grandeur des cristaux et la nature de la matrice permet un procédé efficace pour la production d'abrasifs convenables pour un vaste champ d'opérations d'abrasion et de matières. La présence de particules microscopiques de grandeur uniforme dans l'abrasif objet de la présente invention est de la première importance pour l'obtention de l'effet d'abrasion uniforme qui.. le caractérise particulièrement. Cet abrasif perfectionné peut être facilement employé dans la plupart des composés abrasifs de polissage sinon dans tous ces composés, qu'on emploie actuellement pour les surfaces en verre, les surfaces métalliques et les surfaces laquées, en remplaçant simplement par cet abrasif les matières abrasives employées antérieurement.
Sa couleur blanche et sa propriété de ne pas faire de taches permet, son emploi pour' une sérieplus étendue de matières et d'objets que dans le cas de la plupart des matières abrasives de qualité superieure actuellement employées. On n'a constaté aucune difficulté pour enlever- rapidement par lavage l'abrasif de la surface traitée ou pour l'enlever d'autres surfaces avec lesquelles il vient en contact. Ces abrasifs perfectionnés ne
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se séparent pas aussi facilement, par* dépôt , de leur suspension que les composés au rouge anglais du commerce, et on peut aussi les employer à de plus fortes concentrations. La matière n'est pas toxique et n'est pas irritante pour l'opérateur.
On n'a constaté aucun ralentissement appréciable de l'effet de polissage de la matière au cours d'un essai de plusieurs heures fait à ce dessein.
Bien que dans ce qui précède, on ait décrit le procédé .de fabrication d'abrasifs, objet,de la présente invention, en ce qui concerne des matières de base contenant de l'alumine et de la silice, la demanderesse envisage également le traitement thermique d'autres composés comme matières de base pour provo- quer le même .effet de recristallisation dont le résultat est une dispersion uniforme des cristaux de grandeur sensiblement égale dans. une matrice convenable. Elle envisage également la fabrication de produits similaires par- la concentration de solutions, capables de former-descristaux, pousséejusqu'à un point où de minuscules cristaux dispersés uniformément sont obtenus dans' une matrice convenable.
REVENDICATIONS.
1.- Procédé de fabrication d'une matière abrasive, caractérisé en ce qu'on calcine ane matière de base contenant de l'alumine et de la silice, à une température inférieure à son point de fusion, jusqu'à ce que la recristallisation ait avancé suffisam- ment pour former- une multitude de cristaux microscopiques de mullite noyés dans unematrice, et qu'on réduit à l'état de fine division cette matière calcinée.