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Perfectionnements aux abrasifs au diamant.
La présente invention se rapport aux abrasifs au diamant.
Un but de l'invention est de procurer une meule au diamant agglomérée avec un liant dur, résistant à la chaleur.
Un autre but de l'invention est de procurer un agglomérant du type métal fritte, de grande dureté. Un autre but de l'in- vention est de créer un procédé de: fabrication d'abrasifs au diamant comportant un agglomérant métallique dur, dans des conditions telles que les diamants ne soient ni graphités ni oxydés, ni attaqués en aucune manière.
Un autre but de l'invention est de créer un agglomérant de la classe métallique pour abrasifst qui soit
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,5".." "r:/;:'"
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plus dur que les agglomérants non ferreux, et également plus dur que la plupart des agglomérants frittés connus jusqu'à présent. Un autre but de l'invention est de créer un abra- sif au diamant pouvant servir à de nouveaux genres d'opéra- tions de meulage . Un autre but de l'invention est de créer une meule possédant une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessus, et qui soit néanmoins auto-coupante.
Un autre but de l'invention est de créer une meule au diamant convenant spécialement pour tailler ou meuler les substances dures, cassantes. Un autre but de l'invention est de créer un agglomérant dur et plutôt friable, permettant aux grains de diamant usés de se détacher facilement de la meule, pour permettre à de nouvelles arêtes tranchantes de se présenter.
Un autre but de l'invention est de créer tou- te une gamme d'agglomérants dont la dureté varie depuis une valeur Rokwell d'environ A 85 ou plus, jusqu'à celle du bronze, et passe d'un état assez friable et cassant à un état relativement ductile. un autre but de l'invention est de créer une meule au diamant bien agglomérée. Un autre but de l'invention est de créer une combinaison d'élément qui, sous forme pulvéru- lente, puisse se fritter facilement pour produire une com- position uniforme capable d'agglomérer les grains de dia- mant. D'autres buts de l'invention se déduiront d'eux mmes de la description suivante, ou bien seront signalés au cours de celle-ci.
L'invention consiste, conformément à ce qui précède, dans les caractéristiques de construction et de combinaison d'éléments, ainsi que dans les différentes phases et dans leur ordre de succession, comme on le décrira dans ce qui suit, à titre d'exemple. L'esprit dans lequel doit s'appli- quer l'invention sera précisé dans les revendications qui suivent.
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Les figures ci-jointes représentent deux des nombreu- ses réalisations qui peuvent être envisagées pour mettre à profit les caractéristiques mécaniques de l'invention.
La figure 1 représente une coupe axiale d'un moule en graphite, avec dispositif de chauffage à induction.
La. figure:::: est une vue en bout d'une meule au diamant confectionnée dans le moule de la figure 1.
La. figure 3 est une coupe axiale selon la ligne 3-3 de la figure 2.
La. figure 4 est une coupe axiale d'un autre moule en graphite prévu pour la confection de meules cylindriques creuses comportant une partie non abrasive.
La figure 5 est une vue en bout d'une meule confec- tionnée dans le moule représenté à la figure 4.
La figure 6 est une coupe axiale prise selon la li- gne 6-6 de la figure 5.
De nombreuses espèces différentes d'abrasifs et d'ag- glomérants ont été utilisés jusqu'à présent pour le meula- ge des divers matériaux, et ce dans des onditions très di- verses, pour obtenir des résultats bien déterminés. Des abrasifs au diamant, agglomérés à l'aide de résines synthé- tiques, répondent à des besoins particuliers, tandis que des meules au diamant avec agglomérant nitrifié sont préfé- rables pour certaines opérations. Lorsqu'on désirait obte- nir des meules au diamant avec agglomérant dur, on utilisait généralement des agglomérants métalliques. Un agglomérant fritte cuivre-étain a été utilisé avec un grand succès pour agglomérer des diamants, constituant, pour ainsi dire, des meules au diamant avec agglomérant dur.
De l'acier fritté a été également utilisé pour réaliser des agglomérants en- core plus dur. La présente invention résulte de la décou- verte d'une comppsition et d'un procédé de fabrication d'a-
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bras if s au diamant avec un agglomérant encore plus dur, qui sont utiles dans certains cas et permettent d'améliorer les performances pour certaines opérations de façonnage,, Cette composition peut aisément se constituer "in situ" autour des particules de diamant par une opération de frittage mettant en jeu des facteurs de température et de temps pouvant être aisément obtenus, et qui n'endommage pas les diamants.
Pour obtenir cette composition, on commence par pré- parer une certaine quantité de carb,ure de bore sous forme pulvérulente. On peut utiliser du carbure de bore conforme au brevet américaine n 1.897.214 de Raymond R. RIDGWAY.
Dans un cas particulier, la poudre de carbure de bore avait la composition chimique suivante:
B 77.32%
C 21.62%
Fe 0. 03% indé terminés: 1,03%
L'examen microscopique de cette poudre avait montré qu'un pourcentage important des cristaux était clair, de qui indique un B4C. de haute qualité. La distribution réelle des différentes grosseurs de particules de cette poudre B4C était la suivante:
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<tb> Microns <SEP> Pourcentage <SEP> (en <SEP> poids)
<tb>
<tb> 35-50 <SEP> 1
<tb>
<tb> 25-35 <SEP> 2
<tb>
<tb> 15-25 <SEP> 4
<tb>
<tb> 7-15 <SEP> 25
<tb>
<tb> 3-7 <SEP> 50
<tb>
<tb> 1-3 <SEP> 15
<tb>
<tb> plus <SEP> petit, <SEP> que <SEP> 1 <SEP> 3
<tb>
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On prépare alors une certaine quantité de poudre de fer.
La poudre de fer utilisée passait par un tamis numéro 325, et son analyse donnait une pureté supérieure à 98% de fer. Elle était d'origine tout à fait courante, telle que l'on en trou- ve dans le commerce.
Un mélange ensuite ces deux poudres dans le rapport de 23 parties de B4C à 77 parties de fer (en volume). Dans l'essai dont il est question ici, on a obtenu ce pourcentage en mélangeant 17,8 grammes de B4C et 182,2 grammes de fer.
Les deux poudres ont été mélangées dans un broyeur tout à fait courant, pendant 18 heures environ, pour obtenir un mé- lange parfaitement uniforme . Un poids de 15,7 grammes de ce mélange sec fut alors prélevé pour constituer l'agglomérant d'une meule. On y ajoute 2,77 grammes de poudre de diamant numéro 100, pour obtenir une meule contenant 25% (en¯volume) de diamant. Cette petite quantité de mélange, qui se montait au total à 1,47 grammes, fut mélangée à la main, avec une spatule, jusqu'à obtenir une uniformité raisonnable, puis fut placé dans un moule en graphita.
En se référant maintenant à la figure 1, ce moule con- sistait en un cylindre creux extérieur 1, en graphite, dont la cavité intérieure, d'un diamètre de 5/8", était munie de plongeurs cylindriques creux en graphite 2 et 3, glissant tout juste dans le cylindre 1, l'alésage intérieur de ces plongeurs d'un diamètre de 1/4" contenant un noyau cylindri- que en graphite 4. Le mélange constituant la meule fut placé dans la zone annulaire 5 comprise ntre le noyau 4 et le cy- lindre extérieur 1. Les plongeurs 2 et 3 furent rapprochés du centre, pour comprimer le mélange dans la zone annulaire 5.
Le mélange, qui était à l'état sec, fut tassé dans le moule, par une opération modérée de pressage à frois, sous une pression légèrement inférieure à 1000 livres par pouce
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carré (soit 70,3 kg./cm2).
Le moule fut ensuite placé entre les tiges en graphite 6 et 7, à l'intérieur de la bobine 8 d'un four à induction haute fréquence, comportant un revêtement réfractaire 9.
Pendant le chauffage, le moule fut soumis à uhe pression de 2260 livres par pouce carré (159kg Cm2) à l'aide d'une presse 10 agissant sur la tige de graphite 6, la tige 7 repo- sant sur la face d'appui 11. Le chauffage et la compression furent poursuivis jusqu'à l'obtention de la contraction dési- rée, mise en évidence par un appareil indicateur, pour arri- ver à la meule de longueur désirée. Le meule fut ensuite retirédu four, et on le laissa refroidir lentement dans de la poudre de diatomées.
Il y a généralement intért à ce que les meules au dia- mant ne comportent pas de poudre de diamant dans leur partie centrale, ,de sorte que pratiquement la totalité de la pous- sière de diamant puisse être utilisée pour le meulage, et qu'il n'en reste que très peu ou pas du tout dans ce qui subsiste de la meule lorsqu'elle est usée. La figure 4 re- présente un moule permettant de fabriquer des meules de ce genre. Le cylindre extérieur 12 en graphite est muni de deux plongeurs creux cylindriques 13 et 14 en graphite, glis- sant tout juste dans l'alésage du cylindre 12 ; un noyau creux 15, également en graphite coulisse dans l'alésage des plon- geurs 13 et 14.
La zone annulaire 16 de ce moule est remplie partiellement à l'aide d'un mélange analogue à celui qui a déjà été décrit, partiellement avec le même mélange, mais sans diamants, c'est-à-dire du fer et du carbure de bore.
Les deux mélanges sont comprimés à froid dans le moule, cornue on l'a déj décrit,puis le moule est placé dans la presse, et introduit dans un four à induction haute fréquence de di- mensions appropriées ; les mélanges sont alors comprimés à
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chaud, sous une pression de l'ordre de celle de l'exemple prè- cèdent* Une caractéristique du moule représenté à la figure 4 consiste dans le fait que le noyau 15 est creux et à paroi mince, de sorte que la pièce peut se'refroidir par l'intérieur aussi bien que par l'extérieur, de manière à empêcher que le produit se fendille, sous l'effetdes tensions dues au re- froidissement. Ceci est imporatantpour les meules d'un dia- mètre relativement grand.
La meule confectionéé dans le moule de la figure 1 est représentée aux figures 2 et 3. Lorsque le moule refroidi flat ouvert, et que la meule fut débarrassée du graphite, elle fut montée sur un mandrin de 1/4", et l'on constata, en la faisant tourner, qu'elle était remarquablement bien centrée.
Elle fut dressée, en cours de rotation, avec du carbure de bore très ..fin, (grosseur de grains n 200), de manière à ce que les grains de diamant dépasse la surface de l'agglomé- rant.
La meule obtenue de cette manière offrait une très bonne répartition des grains de diamant, sur tout son pour- tour et sur toute sa longueur. Lesdiamants eux-mêmesn'a- valent pas été endommagés par le traitement calorifique, étant donné le peu de temps qu'il étaient restés au-dessus de 1000 C. (environ 5 minutes). La température réelle à l'extérieur du moule, était de 1085 C. Les diamants adhé- raient parfaitement à la meule, indiquant par là qu'une bon- ne agglomération avait été obtenue.
Des essais de meulage, furent effectués en comparant la meule obtenue dans le moule de la figure 1 avec une meule au diamant à agglomérant métallique classique, ayant la même concentration en diamants, (l'agglomérant étant constitué de 18,5% d'étain et de 81,5% de couivre, en poids), ainsi qu'en comparaison avec une meule au diamant avec agglomérant rési- neux classique (résine phénolique), ayant également la même
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concentration en diamants. La rectifieuse sur laquelle fu- rent montées ces meules était une rectifieuse intérieure HEALD, type 72a, vitesse de la meule 25. 000 tours/minute.
Les tableaux suivants donnent les résultats obtenus pour différents matériaux.
TABLEAU I
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::2eulane de tubes en orcelaine Diamètre intérieur: 3 - 3/8" Diamètre extérieur: 2" Longueur: 3/4"
EMI8.2
HEULE USURE DE LA 1#ULE MATIERE ENLEVEE
EMI8.3
<tb> (en <SEP> millièmes <SEP> de <SEP> pouce) <SEP> (en <SEP> millièmes <SEP> de
<tb> pouce, <SEP> sur <SEP> le
<tb>
EMI8.4
----------------- ¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ ¯¯¯¯¯
EMI8.5
<tb> conforme <SEP> à <SEP> l'invention <SEP> u.0 <SEP> 61.0
<tb> 0.0 <SEP> 59.5
<tb> aved <SEP> agglomérant <SEP> métal- <SEP> u.3 <SEP> 59.0
<tb> lique <SEP> standard <SEP> 001 <SEP> 61.0
<tb>
<tb> TABLEAU <SEP> II
<tb>
EMI8.6
!-¯±±±-¯2
EMI8.7
<tb> Diamètre <SEP> extérieur: <SEP> 1 <SEP> - <SEP> 9/16"
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Diamètre <SEP> intérieur: <SEP> 1 <SEP> - <SEP> 3/8"
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Longueur <SEP> :
<SEP> 3/4"
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> MEULE <SEP> USURE <SEP> DE <SEP> LA <SEP> MEULE <SEP> MATIERE <SEP> ENLEVEE
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> (en <SEP> millièmes <SEP> de <SEP> pouce) <SEP> (en <SEP> millièmes <SEP> de
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> pouce, <SEP> sur <SEP> le
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> diamètre)
<tb>
<tb>
<tb> --------------------
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> conforme <SEP> à <SEP> l'invention <SEP> u.2 <SEP> 12.0
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0.2 <SEP> 12.0
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> avec <SEP> agglomérant <SEP> résineux <SEP> 1.9 <SEP> 13.5
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> classique <SEP> 1.4 <SEP> 12.5
<tb>
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TABLEAU III Meulage d'acier Sanderson's "Cartridge Die Steel"
EMI9.1
<tb> MEULE <SEP> USURE <SEP> DE <SEP> LA <SEP> MEULE <SEP> MATIERE <SEP> ENLEVA
<tb>
<tb>
<tb> (en <SEP> millièmes <SEP> de <SEP> pouce) <SEP> (en <SEP> millièmes <SEP> de <SEP> pouce
<tb>
<tb>
<tb> sur <SEP> le <SEP> diamètre)
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> conforme <SEP> à <SEP> l'invention <SEP> 0.1 <SEP> 12.0
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> avec <SEP> agglomérat <SEP> métal- <SEP> 0.7
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> lique <SEP> classique
<tb>
En se référant maintenant aux figures 4 et 5, repré- sentant la meule confectionnée dans le moule représenté à la figure 3, on constate que cette meule possède une partie abrasive cylindrique, limitée par deux surfaces coniques, la partie abrasive faisant corps avec une partie non abrasive constituée de carbure de bore et de fer sans diamants.
Cette meule constitue un exemple de zone relativement mince d'agglomérant mélangé d'abrasif, moulée d'une seule pièce avec une autre zone ayant la même composition, mais sans abrasif. Une meule semblable à celle représentée aux figures 4 et 5, ou de toute autreforme, peut être montée sur un axe , en acier, ou tout autre dispositif. Elle peut être brasée sur l'axe par une opération de chauffage supplémentaire; l'agglomérant ne sera aucunement influencé pour autant que la température de brasage soit inférieure à 1000 C.
Il ne faut pas considérer la composition chimique citée précédemment comme strictement limitative, puisque, dans la préparation commerciale de carbure de bore, la teneur en bore peut, si on le désire, être portée jusque 95%, le reste étant principalement du carbone. La présence de car- bone étant considérée comme de peu de valeur. Puisque 17,8 grammes de carbure de bore, plus 182,2 grammes de fer donnent 200 grammes de mélange, la proportion est de 8,9% de carbu- re de bore etde 91,1% de fer, en poids . Puisqu'il n'y avait
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que 21,62% de carbone dans le carbure de bore, il n'y avait seulement que 1,94% de carbone dans le mélange.
Dans le but de découvrir la nature véritable de la matière agglomérente conforme ' l'invention, l'inventeur a préparé un échantillon comportant 25% en volime de carbure de bore ayant la composition chimique indiquée précédemment, et 75% en volume de Fe (ce qui ne diffère que légèrement des proportions utilisées pour confectionner les meules précé- demment décrites).
Ce mélange fut chauffé sous pression, comme précédem- ment, et l'échantillon comprimé fut ensuite réduit en poudre et soumis à une analyse par rayons X. Un autre mélange fut ensuite préparé, à l'aide de 40% B4C et 60% Fe en volume, chauffé de même sous pression, réduit en poudre et soumis à l'analyse par rayons X. Le premier mélange sera appelé échan- tillon n 1, et le second, échantillon n 2. D'excellentes photographies furent obtenues des deux échantillons.
Les conclusions suivantes sont présumées être correctes : a) La phase principale,présente dans les deux échan- tillons n i et n 2, était Fe2B .-., fréquemment appelée Fe4B2, qui contenait peu ou pas du tout de solution solide. b) L'échantillon n 1 contenait peu ou pas du tout de B4C ou de Fe. c) L'échantillon N 2 semblait ne contenir qu'une fai- ble quantité de B4C et de Fe. d) Aucune trace de FeB ou de B ne purent être trouvée dans aucun des échantillons 1 ou 2. e) Les photographies aux rayons X révèlèrent une légère quantité de graphite, dans l'échantillon n 2. Toutefois, il devait y avoir du graphite dans les deux échantillons, et davantage dans l'échantillon 2 que dans l'échantillon 1.
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f) il est douteux qu'il y ait du FeC dans aucun des deux échantillons. Les photographies aux rayons X n'en in- diquèrent aucune trace. De plus, le temps de frittage était trop court pour rendre probable la formation de Fe3C.
En conséquence, on peut considérer que la principale réaction de frittage peut être caractérisée par la formule: B4C + 8Fe 4FeB + C
On en conclut que pour combiner tout le fer et tout le bore, (en;supposant que le carbure de bore soit représenté par la formule B4C), il faut utiliser 11% de BC et 89% de Fe (en poids). Toutefois, comme on l'a signalé, il peut y avoir un excès de bore sur la quantité requise par la formule (en solution solide) dans les poudres de carbure de bore.
Dans de tels cas, on peut utiliser davantage de fer, pour combiner tout le bore de manière à constituer Fe.,B.
Le tableau suivant permet de trouver du premier coup d'oeil les différents pourcentages en volume eten poids qui ont été mentionnés dans ce qui précède:
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!!m,.!P1!¯IT É91±l'1ɵ-dÉ-B4C
EMI11.2
¯¯Y9L¯¯¯¯¯-------¯¯¯¯¯t2¯¯¯¯-------------g--------------- 0.0 ::s .87 â---
EMI11.3
<tb> 23.0 <SEP> 8.9 <SEP> formule <SEP> diaprés <SEP> laquelle <SEP> fuient
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> préparées <SEP> les <SEP> meules <SEP> des <SEP> deux
<tb>
<tb>
<tb> exemples <SEP> donnés.
<tb>
<tb>
<tb>
25.0 <SEP> 9.67 <SEP> Exemple <SEP> n 1
<tb>
EMI11.4
28.4 11.0 1-tapport de la formule 30.0 IL. 6 H C 8 Fe 4Fe0D+C 40.0 15, 5 Echantillon n ;:.
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Pourcentages do Fe
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EN VOLU2JES EN POIDS. ¯¯¯¯¯¯ ¯ .HEHAJ1."UES ¯¯¯¯¯¯¯ ¯¯¯¯ ¯ 90.0 96.13 77.0 91.1 ,li'ormu1:.G d'après laquelle furent
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<tb> préparées <SEP> les <SEP> meules <SEP> des <SEP> deux
<tb>
<tb>
<tb> exemples <SEP> donnés
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 75.0 <SEP> 90.3 <SEP> Exemple <SEP> n <SEP> L
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 71.6 <SEP> 89.0 <SEP> Rapport <SEP> dé <SEP> la <SEP> formule
<tb>
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B4C + 8Fe 4Fe zB + C
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<tb> 70.0 <SEP> 88.4
<tb>
<tb> 60. <SEP> 0 <SEP> 84.6 <SEP> Echantillon <SEP> n <SEP> 2
<tb>
La composition de l'échantillon n 1 semble présenter les valeurs les plus élevées de dureté ;
essais indiqués correspondent à des duretés Rokwell Ade l'ordre de 80 à 85. Ces valeurs sont excessivement élevées. Une dureté Rokwell A 87 correspond, en résistance à l'usure, approxi- mativement & 600 fois la dureté du verre. Le carbure de
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tungstène cémenté du COill'llerce a une dureté Rokwell A d'envi- ron 86 à 91. Il peut y avoir intérêt, dans certains cas,
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à obtenir un ajiiomérant qui bien que plus dur que les agglo- mérants au cuivre-étain couramment utilisés, ne soit pas tou- tefois aussi dur que ceux venant d'être cités. D'une manière générale, la dureté et la friabilité de l'agglomérant peut être réduite en diminuant la proportion de carbure de bore.
Par exemple, avec 10%(en volume) de Fe (voir tableau IV), le produit métallique résultant devient plus ductile, et peut même être déformé sans qu'il se fendille. Ceci résulte indubitablement du fait qu'une proportion substantielle de fer intervient dans la composition sous forme de ferrite.
En supposant que tout le bore se soit combiné avec le fer pour former Fe2B, cette composition donne en poids: 71;86% de fer libre
24.27% de fer combiné
3.87% de bore + carbone combiné Total: 100.00%
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Pour autant que l'invention puisse $tre mise en pra- tique en utilisant du bore pur (en admettant que l'on en dispose), et puisque cette composition, en tant qu'agglomérant pour diamants, confère des propriétés intéressantes, la limi- te supérieure du fer peut être mise à 75% en poids, c'est-à- dire davantage que la quantité requise pour les réactions B4C + 8Fe 4FeB + C et B + 2Fe Fe2B
Bien que le carbure de bore, B4C, soit d'une grande dureté,
et soit en réalité considéré cornue venant immédiate- ment après le diamant, sous ce rapport, on a constate qu'un mélange de 90,3% de fer, le reste étant du B4C, constituait l'agglomérant le plus dùr. Ceci est sans aucun dou.te dû au fait que les facteurs temps-température particuliers au frittage ne font pas agglomérer aisément les grains de car- bure de bore l'un à l'autre. Lorsqu'une quantité de B4C dépassant notablement 30% en volume estajoutée à de la pou- dre de fer, la matière métallique qui en résulte révèle, lors d'un examen métallographique, des cristaux de B4C ré- partis dans toute la masse. Ces cristaux tendent à affaiblir quelque peu la structure.
Toutefois, pour certaines opérations de meulage, -il est désirable d'avoir un agglomérant"friable". Dans ce cas, on utilise alors jusqu'à 40% (en volume) de B4C (voir tableau IV), ou bien, énoncé d'une autre manière, jusqu'à 84,58% (en poids) de fer (échantillon ? 2). La limite inférieure du fer, par conséquent, est située au même pourcentage, soit 84% en poids .
Au lieu de réaliser le frittage du mélange de carbure de bore et de fer sous l'action combinée de la chaleur et de la pression, la meule ou autre corps abrasif quelconque peut d'abord être pressée à froid sous une pression relativement
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élevée, puis frittée sans application de pression. Pour réaliser ce procédé, on a effectué un essai en comprimant un mélange de 23% (en volume) de B4C et de 77% (en volume) de fer, sous une pression de 70.000 livres par pouce carré (soit4920kg/cm2), sans appoint de chaleur. Cette barre d'essai fut ensuite chauffée sous vide dans un four à induc- tion, pendant 4 heures, à une température de 1000 C. Ce procédé donna lieu à une barre très dure ; en déduit par conséquent, qu'il convient pour la fabrication de meules contenant du diamant.
Certains essais effectués prouvent que les diamants ne sont pas graphités de façon gênante par un tel traitement thermique, dans les différemtcs compositions conformes à l'in- vention,pourvu que du carbone soit présent dans l'agglomérant, même sous forme combinée, à raison d'au moins 8, 7% en poids, cornue c'est généralement le cas.
Quel que soit le mode de préparation, l'agglomérant est un produit métallique argenté, ayant une densité de 6,0 à 7,0. Si pour des raisons de fabrication on désire effectuer le chauffage dans un four qui ne peut être associé à un ap- pareillage de pression, on peut avoir recours à une compres- sion à froid suivie d'un frittage.
Maintenant que l'on a montré l'intérêt que présente l'invention en conjugaison avec les abrasifs au diamant, on admettra que les ingrédients agglomérants peuvent être utili- sés pour agglomérer d'autres matières dures, tels que l'oxyde d'aluminium, et plus spécialement les carbures siliciques, non seulement pour réaliser des abrasifs, mais également pour confectionner.des pointes d'outils ou d'autres objets durs.
De plus, l'alliage de bore et de fer venant d'être décrit, a des propriétés Intéressantes lorsqu'il est préparé sans adjonction d'un abrasif quelconque ou d'une autre matière.
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On conclut de ce ,luiprécède que la présent, invention a créé un produit et un procède dans lesquels les différents buts avancés ci-dessus sont atteints avec succès, avec beaucoup d'avantages intéressants. Comme de nombreuses réa-
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lisations pr-:tiques des caractéristiques ilion peuvent être paginées, et co:,:e 1a technique que l'on a dêcr crit dans ce ui précède peut être édifice de différentes manières sans qu'on s'écarte de l'esprit de l'invention, il est sous-entendu que tout cequi vienb d'être dit et tout ce qui est representé sur les figures ci-jointes doit être in- terprété dans un sens purement exemplatif, et non limitatif.
REVENDICATIONS.
---------------------------
1.- Composition abrasive, comprenant des grains de diamant agglomérés avec un mélange fritté de carbure de bore et de fer, dans laquelle la limite supérieure de la teneur en fer est de 75% en poids, ce qui dépasse la quantité re- quise pour les réactions B4C- 8Fe 4Fe2B + C et B + 2Fe Fe2B et la limite inférieure de la teneur en fer est de 84% de
1'agglomérant.
2.- En tant que composition abrasive, des grains de diamant agglomérés avec un liant dur, dont la majeure partie est un borure de fer, dont la formule empirique est FeB.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
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Diamond abrasive refinements.
The present invention relates to diamond abrasives.
An object of the invention is to provide an agglomerated diamond wheel with a hard, heat resistant binder.
Another object of the invention is to provide an agglomerating agent of the sintered metal type, of great hardness. Another object of the invention is to provide a process for the production of diamond abrasives comprising a hard metallic bond, under conditions such that the diamonds are neither graphitized nor oxidized, nor attacked in any way.
Another object of the invention is to create a bonding agent of the metallic class for abrasives which is
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harder than non-ferrous binders, and also harder than most sintered binders known heretofore. Another object of the invention is to provide a diamond abrasive which can be used for new kinds of grinding operations. Another object of the invention is to create a grinding wheel having one or more of the above characteristics, and which is nevertheless self-cutting.
Another object of the invention is to create a diamond wheel especially suitable for cutting or grinding hard, brittle substances. Another object of the invention is to create a hard and rather friable binder, allowing the worn diamond grains to easily detach from the grinding wheel, to allow new sharp edges to arise.
Another object of the invention is to create a whole range of agglomerants the hardness of which varies from a Rokwell value of about A 85 or more, to that of bronze, and passes from a fairly friable state and. brittle to a relatively ductile state. another object of the invention is to create a well-bonded diamond wheel. Another object of the invention is to create a combination of elements which, in powder form, can easily sinter to produce a uniform composition capable of agglomerating the diamond grains. Other objects of the invention will be deduced by themselves from the following description, or else will be indicated in the course of it.
The invention consists, in accordance with the above, in the characteristics of construction and combination of elements, as well as in the different phases and in their order of succession, as will be described in what follows, by way of example . The spirit in which the invention should apply will be specified in the following claims.
<Desc / Clms Page number 3>
The attached figures represent two of the numerous embodiments which can be envisaged to take advantage of the mechanical characteristics of the invention.
FIG. 1 represents an axial section of a graphite mold, with an induction heating device.
Figure :::: is an end view of a diamond wheel made in the mold of Figure 1.
Figure 3 is an axial section taken along line 3-3 of Figure 2.
Figure 4 is an axial section of another graphite mold intended for making hollow cylindrical grinding wheels having a non-abrasive part.
Figure 5 is an end view of a grinding wheel made in the mold shown in Figure 4.
Figure 6 is an axial section taken along line 6-6 of Figure 5.
Many different kinds of abrasives and binders have heretofore been used for grinding the various materials, and in a variety of conditions, to achieve definite results. Diamond abrasives, bonded with synthetic resins, meet special needs, while diamond wheels with nitrified bond are preferable for certain operations. When it was desired to obtain diamond wheels with hard bond, metal bonding agents were generally used. A sintered copper-tin bond has been used with great success to bond diamonds, constituting, so to speak, diamond wheels with hard bond.
Sintered steel has also been used to make even harder binders. The present invention results from the discovery of a composition and a method of manufacturing a-
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diamond arms with an even harder binder, which are useful in certain cases and make it possible to improve the performances for certain shaping operations. This composition can easily be formed "in situ" around the diamond particles by an operation. sintering involving temperature and time factors which can be easily obtained, and which does not damage the diamonds.
To obtain this composition, one begins by preparing a certain quantity of boron carburizing in powder form. Boron carbide in accordance with US Pat. No. 1,897,214 to Raymond R. RIDGWAY can be used.
In a particular case, the boron carbide powder had the following chemical composition:
B 77.32%
C 21.62%
Fe 0. 03% indefinite: 1.03%
Microscopic examination of this powder had shown that a significant percentage of the crystals were clear, which indicates a B4C. High quality. The actual distribution of the different particle sizes of this B4C powder was as follows:
EMI4.1
<tb> Microns <SEP> Percentage <SEP> (in <SEP> weight)
<tb>
<tb> 35-50 <SEP> 1
<tb>
<tb> 25-35 <SEP> 2
<tb>
<tb> 15-25 <SEP> 4
<tb>
<tb> 7-15 <SEP> 25
<tb>
<tb> 3-7 <SEP> 50
<tb>
<tb> 1-3 <SEP> 15
<tb>
<tb> smaller <SEP>, <SEP> than <SEP> 1 <SEP> 3
<tb>
<Desc / Clms Page number 5>
A certain quantity of iron powder is then prepared.
The iron powder used passed through a number 325 sieve, and its analysis gave a purity greater than 98% iron. It was of quite common origin, such as one finds in the trade.
Then mix these two powders in the ratio of 23 parts of B4C to 77 parts of iron (by volume). In the test referred to here, this percentage was obtained by mixing 17.8 grams of B4C and 182.2 grams of iron.
The two powders were mixed in a standard mill for about 18 hours to obtain a perfectly uniform mixture. A weight of 15.7 grams of this dry mixture was then taken to constitute the binder of a grinding wheel. 2.77 grams of number 100 diamond powder are added to this to obtain a wheel containing 25% (by volume) of diamond. This small amount of mixture, which totaled 1.47 grams, was mixed by hand, with a spatula, until reasonable uniformity was achieved, and then placed in a graphita mold.
Referring now to Figure 1, this mold consisted of an outer hollow cylinder 1, of graphite, the inner cavity of which, with a diameter of 5/8 ", was provided with hollow cylindrical graphite plungers 2 and 3. , just sliding into cylinder 1, the inner bore of these 1/4 "diameter plungers containing a cylindrical graphite core 4. The mixture constituting the grinding wheel was placed in the annular zone 5 between the core 4 and outer cylinder 1. Plungers 2 and 3 were moved closer to the center, to compress the mixture in annular zone 5.
The mixture, which was in a dry state, was compacted in the mold, by a moderate crumpling operation, at a pressure of slightly less than 1000 pounds per inch.
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square (i.e. 70.3 kg./cm2).
The mold was then placed between the graphite rods 6 and 7, inside the coil 8 of a high frequency induction furnace, comprising a refractory coating 9.
During heating, the mold was subjected to a pressure of 2260 pounds per square inch (159 kg Cm2) by means of a press 10 acting on the graphite rod 6, the rod 7 resting on the bearing face. 11. Heating and compression were continued until the desired contraction was obtained, as evidenced by an indicating device, to arrive at the wheel of the desired length. The wheel was then removed from the oven, and allowed to cool slowly in diatomaceous powder.
It is generally advantageous that diamond wheels do not have diamond powder in their core, so that virtually all of the diamond dust can be used for grinding, and that very little, if any, remains in what remains of the wheel when it is worn. FIG. 4 shows a mold for making such grinding wheels. The outer graphite cylinder 12 is provided with two cylindrical hollow plungers 13 and 14 of graphite, just sliding into the bore of the cylinder 12; a hollow core 15, also of graphite, slides in the bore of the plungers 13 and 14.
The annular zone 16 of this mold is partially filled using a mixture similar to that which has already been described, partially with the same mixture, but without diamonds, that is to say iron and carbon carbide. boron.
The two mixtures are cold compressed in the mold, retort as has already been described, then the mold is placed in the press, and introduced into a high frequency induction furnace of suitable dimensions; the mixtures are then compressed to
<Desc / Clms Page number 7>
hot, under a pressure of the order of that of the previous example * A feature of the mold shown in Figure 4 is that the core 15 is hollow and thin-walled, so that the part can be 'cooling from the inside as well as from the outside, so as to prevent the product from cracking under the effect of stresses due to cooling. This is important for wheels with a relatively large diameter.
The grinding wheel made in the mold of Figure 1 is shown in Figures 2 and 3. When the cooled flat mold opened, and the grinding wheel was free of graphite, it was mounted on a 1/4 "mandrel, and one noticed, as he turned it, that it was remarkably well centered.
It was dressed, during rotation, with very fine boron carbide (grain size 200), so that the diamond grains protruded above the surface of the binder.
The wheel obtained in this way provided a very good distribution of the diamond grains, over its entire circumference and over its entire length. The diamonds themselves were not damaged by the heat treatment, given the short time that they had remained above 1000 ° C. (approximately 5 minutes). The actual temperature outside the mold was 1085 C. The diamonds adhered perfectly to the wheel, indicating that good agglomeration had been obtained.
Grinding tests were carried out by comparing the wheel obtained in the mold of FIG. 1 with a conventional metal bond diamond wheel, having the same concentration of diamonds, (the binder consisting of 18.5% tin and 81.5% copper, by weight), as well as in comparison with a diamond wheel with conventional resin bond (phenolic resin), also having the same
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diamond concentration. The grinding machine on which these grinding wheels were mounted was a HEALD internal grinding machine, type 72a, grinding wheel speed 25,000 rpm.
The following tables give the results obtained for different materials.
TABLE I
EMI8.1
:: 2eulane of orcelain tubes Inner diameter: 3 - 3/8 "Outer diameter: 2" Length: 3/4 "
EMI8.2
WEAR HOUR OF 1 # MATERIAL REMOVED
EMI8.3
<tb> (in <SEP> thousandths <SEP> of <SEP> inch) <SEP> (in <SEP> thousandths <SEP> of
<tb> inch, <SEP> on <SEP> on
<tb>
EMI8.4
----------------- ¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ ¯¯¯¯¯
EMI8.5
<tb> conforms <SEP> to <SEP> invention <SEP> u.0 <SEP> 61.0
<tb> 0.0 <SEP> 59.5
<tb> aved <SEP> agglomerating <SEP> metal- <SEP> u.3 <SEP> 59.0
<tb> lique <SEP> standard <SEP> 001 <SEP> 61.0
<tb>
<tb> TABLE <SEP> II
<tb>
EMI8.6
! -¯ ± ± ± -¯2
EMI8.7
<tb> Outside <SEP> diameter: <SEP> 1 <SEP> - <SEP> 9/16 "
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Inside <SEP> diameter: <SEP> 1 <SEP> - <SEP> 3/8 "
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Length <SEP>:
<SEP> 3/4 "
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> GRIND <SEP> WEAR <SEP> OF <SEP> THE <SEP> GRIND <SEP> MATERIAL <SEP> REMOVED
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> (in <SEP> thousandths <SEP> of <SEP> inch) <SEP> (in <SEP> thousandths <SEP> of
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> inch, <SEP> on <SEP> on
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> diameter)
<tb>
<tb>
<tb> --------------------
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> conforms <SEP> to <SEP> invention <SEP> u.2 <SEP> 12.0
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0.2 <SEP> 12.0
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> with <SEP> binder <SEP> coniferous <SEP> 1.9 <SEP> 13.5
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> classic <SEP> 1.4 <SEP> 12.5
<tb>
<Desc / Clms Page number 9>
TABLE III Grinding of Sanderson's "Cartridge Die Steel"
EMI9.1
<tb> GRIND <SEP> WEAR <SEP> OF <SEP> THE <SEP> GRIND <SEP> MATERIAL <SEP> REMOVED
<tb>
<tb>
<tb> (in <SEP> thousandths <SEP> of <SEP> inch) <SEP> (in <SEP> thousandths <SEP> of <SEP> inch
<tb>
<tb>
<tb> on <SEP> the <SEP> diameter)
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> conforms <SEP> to <SEP> invention <SEP> 0.1 <SEP> 12.0
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> with <SEP> agglomerate <SEP> metal- <SEP> 0.7
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> lique <SEP> classic
<tb>
Referring now to Figures 4 and 5, showing the grinding wheel made in the mold shown in Figure 3, it can be seen that this grinding wheel has a cylindrical abrasive part, limited by two conical surfaces, the abrasive part being integral with a part. non-abrasive made of boron carbide and iron without diamonds.
This wheel is an example of a relatively thin zone of mixed bond of abrasive, molded in one piece with another zone of the same composition, but without abrasive. A grinding wheel similar to that shown in FIGS. 4 and 5, or of any other form, can be mounted on an axle, made of steel, or any other device. It can be brazed on the axis by an additional heating operation; the bond will not be influenced in any way as long as the brazing temperature is below 1000 C.
The chemical composition cited above should not be considered as strictly limiting, since, in the commercial preparation of boron carbide, the boron content can, if desired, be increased to 95%, the remainder being mainly carbon. The presence of carbon is considered of little value. Since 17.8 grams of boron carbide plus 182.2 grams of iron gives 200 grams of the mixture, the proportion is 8.9% boron carbide and 91.1% iron, by weight. Since there was
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that 21.62% carbon in boron carbide, there was only 1.94% carbon in the mixture.
In order to discover the true nature of the agglomerating material in accordance with the invention, the inventor prepared a sample comprising 25% by volume of boron carbide having the chemical composition indicated above, and 75% by volume of Fe (this which differs only slightly from the proportions used to make the wheels described above).
This mixture was heated under pressure as before, and the compressed sample was then powdered and subjected to x-ray analysis. Another mixture was then prepared, using 40% B4C and 60% Fe. by volume, likewise heated under pressure, powdered and subjected to X-ray analysis. The first mixture will be called sample No. 1, and the second, sample No. 2. Excellent photographs were obtained of the two samples. .
The following conclusions are presumed to be correct: a) The main phase, present in both samples n i and n 2, was Fe2B .-., Frequently referred to as Fe4B2, which contained little or no solid solution. b) Sample # 1 contained little or no B4C or Fe at all. c) Sample # 2 appeared to contain only a small amount of B4C and Fe. d) No trace of FeB or Fe. B could not be found in either sample 1 or 2. e) X-ray photographs revealed a slight amount of graphite, in sample # 2. However, there must have been graphite in both samples, and more in sample 2 than in sample 1.
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f) it is doubtful that there is FeC in either of the two samples. X-ray photographs showed no trace of it. In addition, the sintering time was too short to make the formation of Fe3C probable.
Accordingly, it can be considered that the main sintering reaction can be characterized by the formula: B4C + 8Fe 4FeB + C
It is concluded that to combine all the iron and all the boron, (assuming that the boron carbide is represented by the formula B4C), it is necessary to use 11% of BC and 89% of Fe (by weight). However, as noted, there may be an excess of boron over the amount required by the formula (as a solid solution) in the boron carbide powders.
In such cases, more iron can be used, to combine all the boron so as to constitute Fe., B.
The following table makes it possible to find at a glance the different percentages by volume and by weight which have been mentioned in the above:
EMI11.1
!! m,.! P1! ¯IT É91 ± l'1ɵ-dÉ-B4C
EMI11.2
¯¯Y9L¯¯¯¯¯ ------- ¯¯¯¯¯t2¯¯¯¯ ------------- g ----------- ---- 0.0 :: s .87 â ---
EMI11.3
<tb> 23.0 <SEP> 8.9 <SEP> formula <SEP> with <SEP> which <SEP> leaks
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> prepared <SEP> the <SEP> grinding wheels <SEP> of the <SEP> two
<tb>
<tb>
<tb> <SEP> examples given.
<tb>
<tb>
<tb>
25.0 <SEP> 9.67 <SEP> Example <SEP> n 1
<tb>
EMI11.4
28.4 11.0 1-ratio of the formula 30.0 IL. 6 H C 8 Fe 4Fe0D + C 40.0 15.5 Sample n;:.
<Desc / Clms Page number 12>
EMI12.1
Percentages of Fe
EMI12.2
IN VOLU2JES IN WEIGHT. ¯¯¯¯¯¯ ¯ .HEHAJ1. "UES ¯¯¯¯¯¯¯ ¯¯¯¯ ¯ 90.0 96.13 77.0 91.1, li'ormu1: .G from which were
EMI12.3
<tb> prepared <SEP> the <SEP> grinding wheels <SEP> of the <SEP> two
<tb>
<tb>
<tb> <SEP> examples given
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 75.0 <SEP> 90.3 <SEP> Example <SEP> n <SEP> L
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 71.6 <SEP> 89.0 <SEP> Report <SEP> de <SEP> the <SEP> formula
<tb>
EMI12.4
B4C + 8Fe 4Fe zB + C
EMI12.5
<tb> 70.0 <SEP> 88.4
<tb>
<tb> 60. <SEP> 0 <SEP> 84.6 <SEP> Sample <SEP> n <SEP> 2
<tb>
The composition of sample No. 1 appears to exhibit the highest values of hardness;
The tests indicated correspond to Rokwell Ade hardnesses of the order of 80 to 85. These values are excessively high. A Rokwell A 87 hardness corresponds, in wear resistance, to approximately 600 times the hardness of glass. Carbide
EMI12.6
Case-hardened tungsten of COill'llerce has a Rokwell A hardness of about 86 to 91. It may be beneficial, in certain cases,
EMI12.7
in obtaining an aliomerant which, although harder than the copper-tin binder commonly used, is not however as hard as those just mentioned. Generally speaking, the hardness and friability of the binder can be reduced by decreasing the proportion of boron carbide.
For example, with 10% (by volume) of Fe (see Table IV), the resulting metal product becomes more ductile, and can even be deformed without cracking. This undoubtedly results from the fact that a substantial proportion of iron is involved in the composition in the form of ferrite.
Assuming that all the boron has combined with the iron to form Fe2B, this composition gives by weight: 71; 86% free iron
24.27% combined iron
3.87% boron + combined carbon Total: 100.00%
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In so far as the invention can be practiced using pure boron (assuming that it is available), and since this composition, as a binder for diamonds, confers valuable properties, the limitation - the higher iron content can be set at 75% by weight, i.e. more than the amount required for the reactions B4C + 8Fe 4FeB + C and B + 2Fe Fe2B
Although boron carbide, B4C, is very hard,
and is actually considered retort coming immediately after the diamond, in this respect it was found that a mixture of 90.3% iron, the remainder being B4C, was the hardest binder. This is undoubtedly due to the fact that the time-temperature factors peculiar to sintering do not easily agglomerate the boron carbide grains to each other. When an amount of B4C substantially exceeding 30% by volume is added to iron powder, the resulting metallic material upon metallographic examination reveals B4C crystals distributed throughout the mass. These crystals tend to weaken the structure somewhat.
However, for some grinding operations it is desirable to have a "friable" binder. In this case, up to 40% (by volume) of B4C (see Table IV) is then used, or alternatively, up to 84.58% (by weight) of iron (sample? 2). The lower limit of iron, therefore, is located at the same percentage, ie 84% by weight.
Instead of sintering the mixture of boron carbide and iron under the combined action of heat and pressure, the grinding wheel or other abrasive body may first be cold pressed under relatively pressure.
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high, then sintered without the application of pressure. To carry out this process, a test was carried out by compressing a mixture of 23% (by volume) of B4C and 77% (by volume) of iron, under a pressure of 70,000 pounds per square inch (i.e. 4920 kg / cm2), without extra heat. This test bar was then heated under vacuum in an induction furnace for 4 hours at a temperature of 1000 C. This process gave a very hard bar; therefore deduces that it is suitable for the manufacture of grinding wheels containing diamond.
Certain tests carried out prove that the diamonds are not graphitized in a troublesome manner by such a heat treatment, in the various compositions in accordance with the invention, provided that carbon is present in the binder, even in combined form, at a reasonable rate. at least 8.7% by weight, retort this is generally the case.
Regardless of the method of preparation, the binder is a silvery metallic product, having a density of 6.0 to 7.0. If, for manufacturing reasons, it is desired to carry out the heating in a furnace which cannot be associated with a pressure apparatus, recourse may be had to cold compression followed by sintering.
Now that the value of the invention has been shown in conjunction with diamond abrasives, it will be recognized that the bonding ingredients can be used to bond other hard materials, such as aluminum oxide. , and more especially silicic carbides, not only for making abrasives, but also for making tool tips or other hard objects.
In addition, the alloy of boron and iron just described has valuable properties when it is prepared without the addition of any abrasive or other material.
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From this it is concluded that the present invention has created a product and a process in which the various objects advanced above are successfully achieved, with many interesting advantages. Like many realities
EMI15.1
Practicalizations of the ilion characteristics can be paginated, and co:,: e the technique which has been described in this preceding ui can be constructed in different ways without departing from the spirit of the 'invention, it is understood that everything that has just been said and everything that is represented in the accompanying figures must be interpreted in a purely illustrative and non-limiting sense.
CLAIMS.
---------------------------
1.- Abrasive composition, comprising diamond grains agglomerated with a sintered mixture of boron carbide and iron, in which the upper limit of the iron content is 75% by weight, which exceeds the amount required for reactions B4C- 8Fe 4Fe2B + C and B + 2Fe Fe2B and the lower limit of iron content is 84% of
The agglomerant.
2.- As an abrasive composition, diamond grains agglomerated with a hard binder, the major part of which is an iron boride, the empirical formula of which is FeB.
** ATTENTION ** end of DESC field can contain start of CLMS **.