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"Alumine de haute pureté" Priorité d'une demande de brevet aux Etats-Unis d'Amérique déposée le 23 septembre 1982, sous le nO 421. 993, au nom de Alvin P. Gerk et Robert J.
Seider
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"Alumine de haute pureté"
La présente invention est relative à une matière d'alumine de haute pureté, frittée, non fondue, dense, de porosité fermée. La présente invention est également relative à un procédé de production d'une telle matière par le chauffage rapide jusqu'à la température de frittage d'un dépôt électrophorétique ou gel de monohydrate d'alumine séché de haute pureté.
Une faible porosité et une haute pureté sont des caractéristiques désirables des matières abrasives requérant une dureté élevée, une ténacité de rupture élevée ainsi qu'une résistance chimique et à l'usure. D'une manière caractéristique, les matières plus denses ont une dureté plus élevée, une ténacité de rupture plus élevée et résistent mieux aux attaques mécaniques et chimiques que les matières poreuses.
D'une manière générale, les abrasifs d'alumine de haute pureté sont fabriqués par fusion, formage, broyage, lavage, séchage et calibrage d'alumine"Bayer" calcinée, de manière à obtenir un produit abrasif spécifique. Le procédé Bayer implique la digestion de matière alumineuse dans une solution aqueuse d'une base caustique pour former une solution d'aluminate de sodium, la précipitation et/ou la séparation d'impuretés, telles que la silice, le fer et l'oxyde de titane, l'ensemence-
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ment de la solution d'aluminate de sodium avec du trihydrate d'alumine pour faire précipiter l'alumine dans la solution sous la forme de trihydrate d'alumine, et la calcination du trihydrate d'alumine pour former approximativement 95% à 99% en poids d'alumine, A1203.
cette alu-
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mine est ensuite chaufree un four électrique au-dessus de 2000 C, refroidie à des taux divers de manière à obtenir des formes et des dimensions de grains spécifiques, broyée pour libérer les grains, lavée pour séparer la poussière, séchée, tamisée mécaniquement pour séparer les dimensions de grains et souvent les impuretés. Une matière abrasive formée d'alumine de haute pureté, fondue a d'une manière générale une porosité à peu près nulle et, par conséquent, une dureté élevée ; des valeurs de microdureté caractéristiques sont de l'ordre de 1680 à 2200 kg/mm2 K1 (échelle de Knoop, charge de 100 g).
Toutefois, les matières abrasives de Bayer formées d'alumine de haute pureté sont coûteuses à cause de leur traitement poussé requis. De plus, pour obtenir des abrasifs d'alumine fondus, de haute pureté, la matière d'alimentation amenée au circuit Bayer doit déjà être de l'alumine de haute pureté, ce qui accroît encore les
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coûts de production. Des compositions industrielles caractéristiques pour de l'alumine fondue"brune"standard (% en poids) sont les suivantes : 96, 70% de 19% de TiO, 49% de 21% de 13% de CaO, 0, 11% de C, 0, 09% de 08% de MgO et moins de 0,01% de chacun des constituants Na20 et Cr203.
L'alumine industrielle"blanche", qui est considérée comme étant une matière abrasive d'alumine fondue, de haute pureté,
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contient approximativement (en % poids) : 99, 61% de 16% de 0, 06% 05% de J 0,03% de C, 0,02% de fie203'0, 02% de CaO, 0,02% de MgO et moins de 0,01% de chacun des constituants Zoo 2 et Car203.
Une matière abrasive d'alumine de haute pureté peut être frittée plutôt que fondue. Dans un procédé de frittage d'alumine caractéristique, on chauffe des matières brutes d'alumine précalibrées et préformées dans des fours jusqu'à une température de frittage au-dessus de 1200 C. Le frittage des particules permet de former une matière abrasive finie, plutôt que la fusion de celles-ci et la réalisation ensuite d'un grand nombre d'étapes de traitement ultérieures comme dans un procédé de fusion. Ces étapes de traitement ultérieures, telles que le broyage, le formage, le calibrage, le lavage et le séchage, habituellement utilisées dans la fabrication des produits fondus, peuvent ainsi être éliminées en réalisant un produit fritté.
Toutefois, pour obtenir les matières premières précalibrées et préformées pour le frittage, l'alumine doit être broyée initialement et comprimée ou extrudée aux formes désirées ; et ces étapes de traitement initiales élèvent le coût de production d'une matière d'alumine frittée au-dessus de celui d'une matière d'alumine fondue. De plus, une matière abrasive d'alumine, de haute pureté, frittée a une porosité supérieure à celle d'une matière d'alumine fondue et, par conséquent, une dureté plus faible.
On peut également obtenir une matière abrasive d'alumine de haute pureté en utilisant un procédé dit à sol-gel. La technologie du sol-gel est illustrée par le
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brevet des Etats-Unis d'Amérique nO 4. 314. 827 et par la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique nO 377. 782, incorporés dans le cadre de la présente invention à ti- tre de références.
Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 4. 314.827 relate d'une manière générale que l'on peut obtenir une matière abrasive granulaire à base d'oxyde d'aluminium, synthétique, non fondue, exempte d'ions de métal alcalin et exempte d'ions de calcium en gélifiant une dispersion colloïdale ou un hydrosol de monohydrate d'alumine et un composant modificateur, tel que de l'oxyde de magnésium, et en chauffant ensuite lentement le gel pendant plusieurs heures à une température d'au moins 1250 C. Dans l'exemple 13 du brevet des Etats-Unis d'Amérique n 4. 314.827, on obtient une matière d'alumine de référence contenant environ 100% de A1203 en n'ajoutant pas de composant modificateur à la dispersion collcîdale ou à-li l'hydrosol de monohydrate d'alumine.
Cette matière d'alumine de référence ne pourrait pas être utilisée pour des applications d'abrasion sévères, à cause de
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2 sa très faible dureté Knoop de 790 kg/mm2.
La demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique nO 377.782 décrit d'une manière générale un procédé d'obtention d'une matière ou d'un grain abrasif à partir d'une dispersion liquide comprenant du monohydrate d'oxyde d'aluminium contenant plus de 0,05% en poids de sodium plus calcium, et au moins un adjuvant de frittage contenant du métal dissous, tel que de l'oxyde de magnésium. La dispersion est préparée, gélifiée et séchée. Après le séchage, le solide est broyé pour former des grains et est éventuellement calciné pour séparer l'eau liée chimiquement. Les grains sont ensuite chauffés rapidement, en
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moins de 10 minutes, à une température de frittage audessus d'environ 1200 C.
Dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique nO 4.314. 827 ainsi que dans la demande de brevet des EtatsUnis d'Amérique n 377. 782, la matière d'alumine abrasive résultante est dopée par un oxyde à cause de l'addition d'un adjuvant de frittage ou d'un composant modificateur.
Dans deux autres brevets déposés par la demanderesse, incorporés dans le cadre de la présente invention à titre de références, on décrit un procédé d'obtention de matières d'alumine à partir d'une dispersion liquide par l'utilisation d'électrophorèse. Dans le premier de ces brevets, une dispersion liquide, contenant du monohydrate d'oxyde d'aluminium et éventuellement un adjuvant de frittage contenant du métal dissous, tel que MgO, est formée et placée dans une cellule électrophorétique comportant une anode et au moins une cathode, et dans le second de ces brevets, la dispersion est placée dans une cellule contenant au moins une membrane agencée entre l'anode et la cathode. Un courant direct est appliqué entre l'anode et la cathode, ce qui provoque le dépôt d'un précipité de monohydrate d'oxyde d'aluminium concentré sur la cathode et/ou la membrane.
Le dépôt est ensuite séché et la matière séchée est ensuite chauffée pour former le produit final. Si l'on désire obtenir des matières abrasives, une manière de les obtenir, comme décrit dans ces deux brevets, consiste alors à ajouter un adjuvant de frittage contenant du métal dissous à la dispersion de monohydrate d'alumine, à déposer par électrophorèse la matière sur la cathode et/ou la membrane, à sécher le dépôt, à broyer le dépôt pour former des
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grains, à calciner les grains, si on le désire, pour séparer l'eau liée chimiquement, et ensuite à chauffer rapidement les grains, en moins de 10 minutes à une tempé-
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rature de frittage au-dessus de 1200 C.
Comme avec le brevet des Etats-Unis d'Amérique nO 4. 314. 827 et la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique nO 377. 782, l'addition d'un adjuvant de frittage à la dispersion de monohydrate d'alumine conduit à l'obtention d'une matière d'alumine abrasive dopée à l'oxyde.
Par conséquent, le but principal de la présente invention est de former une matière d'alumine, frittée, de haute pureté, non dopée, de porosité fermée, dense ayant une dureté élevée et une résistance élevée.
Un autre but de la présente invention consiste à prévoir un procédé aisé, efficace et économique pour produire des matières abrasives d'alumine, de haute pureté, de porosité fermée, denses.
Les problèmes de la technique antérieure sont surmontés par la constatation qu'une matière d'alumine, frittée, non fondue, de haute pureté, de porosité fermée, dense peut être formée en chauffant rapidement jusqu'à la températurede frittage, un gel de monohydrate d'alumine séché ou un précipité déposé par électrophorèse.
Dans le procédé de la présente invention, soit on prépare et gélifie une dispersion liquide comprenant environ 2 à environ 60% en poids de monohydrate d'oxyde d'aluminium, soit on dépose par électrophorèse des particules provenant d'une dispersion liquide comprenant environ 0, 1 à environ 40% en poids de monohydrate d'oxyde d'aluminium sur la cathode et/ou la membrane d'une cellule électrophorétique.
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On sèche le dépôt électrophorétique ou le gel pour séparer l'eau libre et on broie ensuite la matière séchée pour former des grains. Après le broyage, on peut calciner la matière, avant le chauffage, à une température se situant entre environ 250 C et 800 C. La matière est ensuite rapidement chauffée ou cuite à une températu-
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re se situant entre 1200 C et 1700 C en moins de 20 minu- tes, et de préférence en moins de 5 minutes, et maintenue à la température de frittage pendant au moins 1 minute.
On a constaté : 1) qu'il y avait une augmentation de la densité du produit d'alumine fritté, de haute pureté de la présente invention avec une élévation de la vitesse de chauffage ou de cuisson jusqu'à la température de frittage ; 2) qu'il y avait une diminution du volume d'intrusion avec une élévation de la densité pour l'alumine frittée, de haute pureté de la présente invention ; 3) qu'il y avait une élévation de la dureté de la matière d'alumine de haute pureté de la présente invention avec une élévation de la densité ; 4) qu'il y avait une élévation de la densité de l'alumine frittée de haute pureté de la présente invention avec une élévation de la température de frittage ; et 5) que le temps de frittage n'avait qu'un léger effet sur la densité de l'alumine frittée, de haute pureté de la présente invention.
On peut utiliser une matière abrasive d'alumine, de haute pureté obtenue suivant la présente invention dans des procédés de broyage critiques, tels que les procédés de traitement superficiel des aubes de turbine, comme grains abrasifs, dans des applications de produits réfractaires et dans des moules de coulée à la cire perdue.
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D'autres détails et particularités de l'invention ressortiront de la description ci-après, donnée à titre d'exemple non limitatif et en se référant aux dessins annexés, dans lesquels :
La figure l est un graphique illustrant la relation entre la densité et la vitesse de cuisson ou de chauffage d'une alumine frittée de haute pureté.
La figure 2 est un graphique illustrant la relation entre le volume d'intrusion et la densité d'une alumine frittée de haute pureté.
La figure 3 est un graphique illustrant la relation entre la dureté et la densité d'une alumine frittée de haute pureté.
La figure 4 est un graphique illustrant la relation entre la densité et la température de frittage d'une alumine frittée de haute pureté.
La figure 5 est un graphique illustrant la relation entre la densité et le temps de frittage d'une alumine frittée de haute pureté.
La présente invention est relative à une matière d'alumine frittée, non fondue, de haute pureté, de porosité fermée, dense, ainsi qu'à un procédé d'obtention d'une telle matière en chauffant ou cuisant rapidement jusqu'à la température de frittage un gel de monohydrate d'alumine séché ou un précipité déposé par électrophorèse.
Le procédé de la présente invention comprend soit la préparation et la gélification d'une dispersion liquide de monohydrate d'oxyde d'aluminium soit le dépôt par électrophorèse d'un précipité de monohydrate d'alumine concentré à partir d'une dispersion liquide de monohy-
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drate d'alumine sur une cathode et/ou une membrane d'une cellule électrophorétique. La dispersion liquide est formée par des moyens appropriés quelconques qui peuvent consister simplement à mélanger le monohydrate d'oxyde d'aluminium avec de l'eau. Le liquide est presque toujours de l'eau mais peut être un autre liquide dans lequel le monohydrate d'oxyde d'aluminium se dispersera.
On peut utiliser un appareil de mélange approprié quelconque, notamment des mélangeurs à cisaillement élevé et faible.-
Si on doit gélifier la dispersion liquide de monohydrate d'alumine, la dispersion liquide peut être un sol qui est une dispersion colloïdale. La quantité de monohydrate d'oxyde d'aluminium dans la dispersion liquide peut constituer de 2 à environ 60, de préférence de 10 à 40, et d'une manière plus préférée d'environ 15 à 35% en poids de la dispersion.
Si on dépose par électrophorèse un précipité de monohydrate d'alumine à partir d'une dispersion liquide de monohydrate d'alumine sur une cathode et/ou une membrane, alors la dispersion liquide contiendra environ 0, 1 à 40 et de préférence 5 à 15% en poids de monohydrate d'alumine.
On entend dans le cadre de la présente invention par l'expression"monohydrate d'oxyde d'aluminium" des hydrates d'oxyde d'aluminium répondant à la formule stoechiométrique de 1/2 (Al203. xH2o), dans laqueDe x. vaut de 0,5 à 3. Le monohydrate d'oxyde d'aluminium est également connu sous le nom de boehmite. Le monohydrate d'oxyde d'aluminium tel qu'utilisé dans le cadre de la présente invention englobe également, sans limitation, la pseudo boehmite.
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Un monohydrate d'oxyde d'aluminium disponible dans le commerce, qui s'avère intéressant dans le cadre de la présente invention, est un sous-produit du procédé Ziegler utilisé pour la fabrication d'alcool primaire et est vendu sous les dénominations commerciales"Dispural" (marque déposée) et"Catapal" (marque déposée). Ces produits sont caractérisés par une pureté exceptionnelle, une aire superficielle élevée et par une très petite dimension des cristallites. On peut également obtenir du monohydrate d'oxyde d'aluminium par l'hydrolyse d'alcoolates d'aluminium, par précipitation à partir de solutions d'aluminate de sodium ainsi que par d'autres procédés.
La dispersion liquide comprend de préférence un adjuvant de dispersion, tel qu'un acide. Par exemple, environ 0,02 à 0,25 et de préférence 0,05 à environ 0,15 mole d'un acide volatil par mole de monohydrate d'oxyde d'aluminium facilite fortement la dispersion. Des exemples de tels acides sont les acides nitrique, chlorhydrique, acétique et formique. On préfère l'acide nitrique, puisqu'il semble procurer la plus grande stabilité dans la dispersion colloidale de monohydrate d'aluminium.
Après avoir préparé la dispersion, on peut la gélifier. Si la teneur en matières solides de la dispersion est très faible, on peut soit devoir vaporiser le liquide afin d'amener la dispersion sous forme de gel soit devoir utiliser une autre méthode de gélification, c'est- à-dire l'addition d'un agent de gélification. La gélification peut simplement consister à extraire l'eau de la dispersion, par exemple en séchant la dispersion.
Ou bien, après avoir préparé la dispersion
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liquide, on peut le placer soit dans une cellule électrophorétique comportant une anode et au moins une cathode, soit dans une cellule électrophorétique comportant une anode, une cathode et au moins une membrane agencée entre cette anode et cette cathode. La cathode comprend une matière conductrice inerte, telle que du platine, du titane enrobé de platine ou une matière résistant à la corrosion, conductrice, telle que de l'acier inoxydable.
L'anode peut soit contenir une matière conductrice et inerte similaire, soit à la place peut comprendre de l'aluminium métallique, qui contribuera au dépôt.
Si au moins une membrane est positionnée entre l'anode et la cathode de la cellule électrophorétique, les conditions essentielles pour la membrane sont que les particules colloidales ne peuvent pas aisément la traverser, et que des ions, tels que l'ion hydrogène et l'ion nitrate, puissent traverser la membrane. La membrane peut comprendre soit une membrane échangeuse d'ions soit une membrane microporeuse.
Une membrane microporeuse laisse traverser les particules jusqu'à une certaine dimension. Les membranes microporeuses de l'invention peuvent être faites de cellulose ; par exemple, on peut utiliser des membranes
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de dialyse/ultrafiltration Spectra/Por (marque déposée) n avec une gamme de poids moléculaire de 6000 à 8000.
Si l'on utilise une membrane échangeuse d'ions, aucune particule plus grande qu'un ion ne pourra diffuser à travers la membrane. Bien que la matière de la membrane échangeuse d'ions utilisée dans le cadre de la présente invention ne soit pas particulièrement limitée, la membrane peut comprendre des squelettes polymères fortement
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pontés chimiquement résistants sur lesquels un grand nombre de groupes échangeurs d'anions et de cations, tels que des groupes sulfonate, des groupes carboxylate, des groupes phénol, des groupes ammonium, etc, sont fixés comme substituants.
De plus, la membrane comprenant des résines de fluoropolymère particulièrement résistantes aux produits chimiques s'avère particulièrement avantageuses puisque la membrane comprenant la résine de fluoropolymère est très aisément détachable du dépôt électrophorétique et qu'une forte adhérence du dépôt électrophorétique au fluoropolymère se produit rarement. Parmi les membranes échangeuses d'ions comprenant ces résines de fluoropolymère, la membrane préférée comprend un copolymère d'éther perfluorovinylique et de tétrafluoroéthylène, qui comporte des groupes sulfonate du type pendant (Nafion, un produit de E. I. DuPont de Nemours g Co., Inc..).
On peut utiliser des cathodes ou membranes de formes différentes pour diverses applications. Par exemple, si un tube en céramique est le produit désiré, la cathode ce la cellule électrophorétique sans membrane ou la membrane de la cellule électrophorétique avec membrane sera de forme tubulaire. Il n'y a aucune limitation au nombre de membranes qui peuvent être positionnées entre l'anode et la cathode pour autant qu'il y ait un apport d'énergie suffisant.
Si on place la dispersion liquide contenant le monohydrate d'oxyde d'aluminium dans les chambres formant anode, membrane et cathode d'une cellule électrophorétique à membrane, alors après avoir appliqué le potentiel électrique, des particules provenant de la dispersion
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se déposeront sur la cathode ainsi que sur les membranes.
Afin d'éliminer le dépôt sur la cathode, on peut suivre trois procédés. Dans le premier procédé, on effectue dans la cathode au moins un trou transversal s'étendant sur toute la largeur de la cathode, de préférence par per- çage, et on recouvre ensuite la cathode d'une membrane.
Le but de ces trous de percement dans la cathode est de permettre le dégagement du gaz d'hydrogène sans traverser le dépôt. Dans le second procédé que l'on peut utiliser pour éliminer le dépôt sur la cathode, on agite fortement le bain électrophorétique dans le voisinages la cathode pendant que le potentiel électrique est appliqué. Une fa- çon d'intensifier l'agitation à la cathode consiste à utiliser des jets de pulvérisation à haute pression dirigés vers la cathode dans le bain électrophorétique. Dans le troisième procédé que l'on peut utiliser, on place la dispersion liquide comprenant le monohydrate d'oxyde d'aluminium dans les chambres anodique et à membrane de la cellule électrophorétique et on place un liquide conducteur compatible dans la chambre cathodique de la cellule électrophorétique.
Le liquide conducteur dans la chambre cathodique comprend de préférence un acide dilué.
Après avoir ajouté la dispersion liquide à une cellule électrophorétique de l'invention, on applique un potentiel électrique entre l'anode et la cathode, ce qui provoque le dépôt des particules de dispersion sur la cathode et/ou la ou les membranes. Après avoir laissé le courant circuler pendant une périodede temps suffisante, l'alimentation en énergie est coupée, déconnectée et on démonte la cellule électrophorétique.
Si on le désire, on peut connecter en parallèle des cellules électrophorétiques de l'invention. De
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même, on peut utiliser une cellule électrophorétique continue plutôt qu'une cellule électrophorétique discontinue. Si l'on utilise une cellule électrophorétique continue plutôt qu'une cellule électrophorétique discontinue dans des cellules électrophorétiques à membrane, une membrane est amenée en continu à la cellule électrophorétique pendant que le potentiel électrique est appliqué.
Si l'on utilise plutôt une cellule électrophorétique continue qu'une cellule électrophorétique discontinue dans des cellules électrophorétiques sans membrane, la cathode, qui comprend de préférence une bande en acier inoxydable ou en une autre matière non corrosive, est amenée en continu à la cellule électrophorétique pendant que le potentiel électrique est appliqué.
Si la quantité de monohydrate d'oxyde d'aluminium dans la dispersion à déposer électrophorétiquement se situe entre 30 et 40% en poids, il est non seulement difficile de maintenir la dispersion homogène, mais un gel a tendance à se former sur le sommet du précipité déposé. D'une autre côté, si on utilise une quantité très faible, par exemple en dessous d'environ 2% en poids de monohydrate d'oxyde d'aluminium dans la dispersion, l'efficacité de la cellule électrophorétique est sensiblement diminuée.
Après la gélification ou le dépôt de la dispersion, on la sèche en vaporisant l'eau libre. Le séchage de la dispersion peut également être une manière de gélifier la dispersion. Les dépôts sur la cathode et/ou la membrane peuvent être enlevés de la cathode ou de la mem-
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brane soit avant soit après le séchage. Les termes"séché"ou"séchage", tels qu'utilisés dans le cadre de la
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présente invention, signifient qu'au moins 90% de l'eau libre (non liée) sont enlevés pour former un solide. Le séchage peut être réalisé par n'importe quel moyen connu des spécialistes de la technique.
Lorsque l'on utilise de la chaleur, la température de séchage est ordinairement d'environ 800 à environ 1100C. Le temps de séchage peut varier entre environ 1 et environ 72 heures suivant la quantité d'eau ou de tout autre liquide présente, l'humidité relative et la température de séchage.
Après avoir séché la matière solide, elle est broyée ou écrasée par des moyens appropriés quelconques, tels qu'un broyeur à marteau ou à boulet pour former des particules ou des grains. On peut utiliser n'importe quelle méthode appropriée pour réduire en fragments la matière solide et le terme"broyage"est utilisé pour couvrir-toutes ces méthodes.
Après le broyage, les grains peuvent être calcinés à une température se situant entre environ 2500C et environ 8000C jusqu'à ce que essentiellement la totalité de l'eau soit séparée et les résidus d'acide éventuels soient chassés. L'expression"essentiellement la totalité", telle qu'utilisée à cet égard, signifie que toute l'eau libre et plus de 90% de l'eau liée sont séparés. La période de calcination pour séparer essentiellement la totalité de l'eau se situe habituellement entre environ 5 et environ 20 minutes.
Après le séchage, le broyage et la calcination, les grains sont rapidement chauffés ou cuits à une tempé-
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rature au-dessus d'environ 1200 C, et de préférence audessus d'environ 1400oc. Le chauffage rapide est réalisé habituellement en moins de 20 minutes, de préférence
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en moins de 5 minutes, et d'une manière plus préférée en moins de l minute. Cette étape de chauffage rapide permet la formation d'un grain abrasif d'alumine supérieur avec une densité et une dureté élevées. On peut utiliser n'importe quel moyen ou procédé approprié pour chauffer rapidement les grains, tel qu'une injection des grains sous une autre forme qu'en vrac, c'est-à-dire séparément, dans un four préchauffé à une température au-dessus de 12000C et de préférence à une température au-dessus de 1400 C.
Il est possible d'éliminer l'étape de calcination et à la place de chauffer rapidement les grains à une température au-dessus de 1200 C après le séchage. Ce processus s'avère particulièrement intéressant pour produire certains types d'abrasifs.
Après avoir chauffé rapidement les grains à
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une température au-dessus de 1200 C, on continue à les chauffer à une température de frittage se situant entre environ 1200 C et environ 1700 C, et de préférence entre 1400 C et 1600 C, pendant une période de frittage suffisante pour obtenir la densité désirée. Un temps de frittage suffisant dépend de la température de frittage, et se situe habituellement entre environ l minute et environ 30 minutes, et est de préférence inférieur à environ 5 minutes, par exemple d'environ l à environ 5 minutes.
L'invention comprend les articles abrasifs liés, enduits et non tissés comprenant les grains de l'invention. D'une manière générale, les grains de l'invention peuvent être décrits comme étant des grains frittés qui comprennent de préférence plus d'environ 99,80% en poids de Al 0.
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L'invention est illustrée d'une manière plus détaillée par les Exemples non limitatifs suivants.
Exemples l à 18
On prépare des échantillons d'alumine de haute pureté à partir d'une dispersion aqueuse de 20% en poids de Dispural (marque déposée) et de 0,06 mole d'acide nitrique (HNO par mole de AlOOH. Après avoir gélifié, séché et broyé la matière, la moitié de l'alumine est laissée non calcinée tandis que l'autre moitié est calcinée à 600 C. On chauffe alors des échantillons de 10 g d'alumine calcinée et d'alumine non calcinée à des températures de frittage de 14000C et de 1450 C à différentes vitesses de chauffage. Tous les échantillons sont maintenus à la température de frittage pendant approximativement 20 minutes.
Pour obtenir une vitesse de chauffage ou un temps évalué jusqu'à la température de 15 à 30 secondes, on verse une petite quantité de matière sur un substrat en céramique qui est déjà à la température de frittage. Pour obtenir une vitessede chauffage de 2 à 5 minutes, on introduit un creuset en platine dans le four à la température de frittage. Pour obtenir une vitesse de chauffage de 15 à 20 minutes, on place un creuset en platine dans un four à vitesse de chauffage élevée programmé pour atteindre la température de frittage en 10 minutes. Pour obtenir une vitesse de chauffage de l heure, on place un creuset en platine dans un four à vitesse de chauffage élevée programmé pour atteindre la température de frittage en l heure.
Pour obtenir une vitesse de chauffage de 5 heures, on place un creuset en platine dans un four à vitesse de chauffage élevée programmé pour atteindre la température de frittage en 5 heures.
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Des mesures de densité et de volume d'intrusion de mercure en utilisant un porosimètre Quantachrome Autoscan et des mesures de dureté en utilisant des essais de dureté à la bille de Knoop avec une charge de 100 g (K100) sont ensuite effectuées sur ces échantillons.
Les résultats sont donnés dans le Tableau I.
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TABLEAU I Variation de la densité, du volume d'intrusion et de la dureté Knoop avec la vitesse dechauffage
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<tb> Tempé-Temps <SEP> éva-Calciné <SEP> Non <SEP> calculé
<tb> rature <SEP> lué <SEP> jusqu'à <SEP> Densi-Vol. <SEP> d'int.
<tb> de <SEP> frit- <SEP> la <SEP> tempéra- <SEP> Exem- <SEP> té <SEP> Dureté <SEP> Exem-0 <SEP> Densité <SEP> Vol,. <SEP> d'int. <SEP> Dureté
<tb> tage <SEP> ture <SEP> ple <SEP> (g/c <SEP> m) <SEP> (c <SEP> m/g) <SEP> K100 <SEP> ple <SEP> (g/c <SEP> m3) <SEP> (c <SEP> m3/g) <SEP> K100
<tb> 14000C <SEP> 15-30 <SEP> sec. <SEP> 1 <SEP> 3,42 <SEP> 0, <SEP> 0030-10 <SEP> 3,51 <SEP> 0, <SEP> 0030
<tb> 2-5 <SEP> min. <SEP> 2 <SEP> 3,30 <SEP> 0,0045 <SEP> 1237 <SEP> 11 <SEP> 3,23 <SEP> 0, <SEP> 0090 <SEP> 1147
<tb> 15-20 <SEP> min.
<SEP> 3 <SEP> 3,16 <SEP> 0,0185 <SEP> 1027 <SEP> 12 <SEP> 3,11 <SEP> 0,0265 <SEP> 1052
<tb> 1 <SEP> hre. <SEP> 4 <SEP> 3,12 <SEP> 0,0330 <SEP> 1043 <SEP> 13 <SEP> 3,03 <SEP> 0,0550 <SEP> 913
<tb> 5 <SEP> hres. <SEP> 5 <SEP> 2,93 <SEP> 0,0800 <SEP> 827 <SEP> 14 <SEP> 2,90 <SEP> 0,0865 <SEP> 738
<tb> 1450 C <SEP> 2-5 <SEP> min. <SEP> 6 <SEP> 3,36 <SEP> N.D. <SEP> 1268 <SEP> 15 <SEP> 3,27 <SEP> N.D. <SEP> 1163
<tb> 15-20 <SEP> min. <SEP> 7 <SEP> 3,17 <SEP> 0,009 <SEP> 1231 <SEP> 16 <SEP> 3,13 <SEP> 0,0245 <SEP> 1040
<tb> 1 <SEP> hre. <SEP> 8 <SEP> 3,13 <SEP> 0,025 <SEP> 1019 <SEP> 17 <SEP> 3,07 <SEP> 0,0460 <SEP> 950
<tb> 5 <SEP> hres. <SEP> 9 <SEP> 3,00 <SEP> 0, <SEP> 074-18 <SEP> 2,98 <SEP> 0, <SEP> 0785
<tb>
Il n'y a pas de volume d'intrusion décelé pour les Exemples 6 et 15 (N. D. : non décelé).
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Exemples 19 à 21
On prépare des échantillons d'alumine de harte pureté suivant les Exemples 1 à 18. Après avoir gélifié, séché, broyé, calciné et fritté la matière, on réalise douze essais de dureté Knoop sur chaque échantillon. On donne la moyenne des résultats dans le Tableau II.
TABLEAU II Variation de la dureté Knoop avec la densité
EMI21.1
<tb>
<tb> Exemple <SEP> Densité <SEP> (g/cm) <SEP> Dureté <SEP> (K-) <SEP>
<tb> 19 <SEP> 3,400 <SEP> 1367
<tb> 20 <SEP> 3,679 <SEP> 1734
<tb> 21 <SEP> 3,673 <SEP> 1719
<tb>
Exemples 22 à 33
On prépare des échantillons d'alumine de haute pureté suivant les Exemples 1 à 18. Après avoir gélifié, séché et broyé la matière, on laisse la moitié de la matière non calcinée tandis que la moitié restante est calcinée à 600 C.
On amène ensuite des échantillons de 10 g de la matière calcinée et de la matière non calcinée à la température de frittage de 1400 C à une vitesse de chauffage de 15 à 30 secondes, en versant une petite quantité de matière sur un substrat en céramique se trouvant déjà à 1400 C. On effectue alors sur ces échantillons des mesures de porosimétrie. Les résultats sont donnés dans le Tableau III.
<Desc/Clms Page number 22>
TABLEAU III Variation de la densité et du volume d'intrusion avec
EMI22.1
1 le temps de frittage Calciné 1 Frittage
EMI22.2
<tb>
<tb> , <SEP> Tempé- <SEP> Temps <SEP> Exem-Densité <SEP> Vol <SEP> d'int. <SEP>
<tb> rature <SEP> (min. <SEP> ) <SEP> ple <SEP> (g/cm3) <SEP> (cm3/g)
<tb> ( C)
<tb> 1400 <SEP> 0,5 <SEP> 22 <SEP> 3,41 <SEP> 0,0055
<tb> 2,0 <SEP> 23 <SEP> 3,38 <SEP> 0,0045
<tb> 4,0 <SEP> 24 <SEP> 3,37 <SEP> 0,0040
<tb> 8,0 <SEP> 25 <SEP> 3,38 <SEP> 0,0045
<tb> 16,0 <SEP> 26 <SEP> 3,42 <SEP> 0,0030
<tb> 30,0 <SEP> 27 <SEP> 3.46 <SEP> 0.0040
<tb> Non <SEP> calciné
<tb> 0, <SEP> 5 <SEP> 28 <SEP> 3, <SEP> 37 <SEP> 0,0060
<tb> 2,0 <SEP> 29 <SEP> 3,36 <SEP> 0,0035
<tb> 4,0 <SEP> 30 <SEP> 3,42 <SEP> 0,0030
<tb> 8,0 <SEP> 31 <SEP> 3,42 <SEP> 0,0015
<tb> 16,0 <SEP> 32 <SEP> 3,51 <SEP> 0,0030
<tb> 30,0 <SEP> 33 <SEP> 3,49 <SEP> 0,
0035
<tb>
Exemples 34 à 37
On prépare des échantillons d'alumine de haute pureté d'après les Exemples 1 à 18. Après avoir gélifié, séché et broyé la matière, on calcine la matière à 600 C. On amène ensuite des échantillons de 10 g à une série de températures de frittage à une vitesse de chauffage d'approximativement 1 à 5 minutes. On effectue alors sur. ces échantillons des mesures de densité. Les résultats sont donnés dans le Tableau IV.
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TABLEAU IV Variation de la densité avec la température de frittage
EMI23.1
<tb>
<tb> Exemple <SEP> Température <SEP> de <SEP> Densité <SEP> (g/cm)
<tb> frittage <SEP> (OC)
<tb> 34 <SEP> 1400 <SEP> 3,460
<tb> 35 <SEP> 1495 <SEP> 3,485
<tb> 36 <SEP> 1545 <SEP> 3,510
<tb> 37 <SEP> 1600 <SEP> 3,580
<tb>
Exemples 38 à 40
On prépare un échantillon d'alumine de haute pureté d'après les Exemples 1 à 18. Après avoir gélifié, séché et broyé la matière, on la calcine à 600 C, on la chauffe rapidement dans un four rotatif jusqu'à une température de frittage d'approximativement 14000C et on la maintient à cette température pendant approximativement 10 minutes.
Après refroidissement, on cuit la matière dans un four à gaz jusqu'à une température de frittage d'approximativement 1500 C et on la maintient à cette température pendant 1 heure. Les particules frittées sont ensuite classées d'après leur dimension sur un tamiseur ordinaire pour satisfaire aux normes ANSI 74. 18-1977 pour la dimension de 30 grit. Ces particules d'une dimension de 30 grit sont ensuite amenées sous la forme d'une roue de coupe à liaison de résine de 40,6 cm x 0,31 cm x 2,54 cm (Exemple 40).
On prépare également des roues témoins formées de particules d'une dimension de 24 et de 30 grit (respectivement Exemples 39 et 38) d'une manière similaire, à partir d'alumine fondue brune standard.
On essaye ensuite les roues sur une machine Tysaman de 10 HP en utilisant un plongeur du type sec (3 secondes) sur des tiges en acier au carbone 1020 et
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en acier inoxydable 304. On effectue vingt coupes 2 (approximativement 129 par essai.
Les résultats de rapport de meulage moyen (rapport-M = volume de métal enlevé/volume de roue utilisé) pour des essais de meulage successifs sont donnés dans le Tableau V.
TABLEAU V Essais de meulage sur roues de coupe
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<tb>
<tb> Exem-Type <SEP> d'a-Dimen-Acier <SEP> essayé <SEP> Essai <SEP> Rapport-M
<tb> pie <SEP> lumine <SEP> sion <SEP> en <SEP> n <SEP> moyen
<tb> grit
<tb> 38 <SEP> brune <SEP> 30 <SEP> Carbone <SEP> 1020 <SEP> 1 <SEP> 4,82
<tb> (témoin)
<tb> 39 <SEP> brune <SEP> 24 <SEP> Carbone <SEP> 1020 <SEP> 3 <SEP> 2,29
<tb> (témoin)
<tb> Acier <SEP> inoxyda-4 <SEP> 12,67
<tb> ble <SEP> à <SEP> 304
<tb> 40 <SEP> Alumine <SEP> de <SEP> 30 <SEP> Carbone <SEP> 1020 <SEP> 1 <SEP> 9, <SEP> 12 <SEP>
<tb> haute <SEP> pureté
<tb> Acier <SEP> inoxy-7 <SEP> 20,75
<tb> dable <SEP> 304
<tb>
Comme on peut le voir d'après les rapports-M moyens du Tableau V, la matière abrasive d'alumine de haute pureté (Exemple 40)
obtenue suivant l'invention donne des résultats de meulage roue cb coupe amsiuemt me il- leurs que l'alumine fondue brune standard (Exemples 38 et 39).
Exemples 41 à 48
On prépare des particules frittées d'alumine de haute pureté d'une manière similaire à l'Exemple 40.
Les particules frittées sont classées d'après leur dimension sur un tamiseur ordinaire pour satisfaire à la norme ANSI 74.18-1977 pour la dimension de 50 grit.
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On prépare une matière abrasive à un seul revêtement en appliquant électrostatiquement les particules d'une dimension de 50 grit sur un support de fibres vulcanisées. La fibre choisie est une fibre vulcanisée de 0,762 mm de la qualité abrasif, ayant un poids nominal de 30,4 kg par rame (480-9 x 11 feuilles).
On prépare un mélange adhésif de fabrication, comprenant une résine phénolique liquide du type à 1 stade du commerce avec un rapport formaldéhyde/phénol d'environ 1/1 et du calcaire broyé avec une dimension de particules moyenne se situant entre 17 et 25 microns, en utilisant une proportion de mélange en poids net de
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1/1. On chauffe ensuite le mélange ce fabrication jusqu'à 32 C et on l'applique au rouleau sur le support de fibres.
On applique environ 10,4 kg d'adhésif par rame.
En utilisant un équipement de fabrication de papier de sable ordinaire, on projette électrostatiquement l'abrasif d'une dimension de 50 grit sur les fibres supportant le mélange de fabrication en appliquant environ 28,1 kg par rame de grains.
Le support recouvert d'adhésif abrasif est ensuite chauffé à 79, 50C pendant 1 heure et à 930C pendant 2 heures dans la rampe de fabrication. Après séchage, on applique ensuite une couche d'apprêt par des méthodes d'enduction au rouleau, une quantité d'approximativement 10,4 kg/rame étant appliquée. Le mélange d'apprêt est formé du même rapport 1/1 résine phénoliquecharge. On réalise ensuite un séchage et un durcissement en chauffant la matière enduite pendant 1 heure à 65, 50C, pendant 4 heures à 79, 5 C et pendant 16 heures à 1070C.
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Après le durcissement de la matière, on l'humidifie de la manière habituelle à une teneur en humidité de moins de 8% en poids. La matière est ensuite fléchie uniformément et découpée à la matrice en trois disques de 17,8 cm. Ces disques sont ensuite essayés sur une meule à disque pneumatique ordinaire en utilisant de l'acier 4140 ayant subi une opération de trempe et de revenu (dureté 285-320 BHN) comme pièce de travail et comparés à un disque témoin réalisé et manipulé exactement de la même manière à l'exception que les grains abrasifs étaient constitués par de l'alumine brune fondue.
Dans ces essais, on place le disque abrasif sur la meule à disque de la manière habituelle et on place une pièce de travail de manière à ce qu'elle engage le disque sur le côté plat de 2,54 cm à un angle de 10-15 . On fait passer le disque en arrière puis en avant le long de la pièce de travail.
On fait tourner le disque abrasif dans cet essai à une vitesse nominale de 5500 tours par minute sur un tampon de support du type en caoutchouc dur d'un diamètre de 17,8 cm. Une force d'introduction de son propre poids de 3,6 à 7,25 kg est exercée sur la pièce de travail. On réalise l'essai pendant 30 secondes, après quoi on mesure la matière enlevée de la barre (poids avant meulage moins-poids après meulage) et on l'enregistre. On poursuit cette séquence jusqu'à ce que la matière mesurée enlevée soLt de 5 g ou moins par intervalle de meulage.
La matière totale enlevée de cette manière pour le disque d'essai est comparée à la matière totale enlevée pour le disque témoin (rendement de coupe en pourcentage relatif).
La moyenne des résultats des essais de meulage est donnée
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dans le Tableau VI. Les pourcentages pour ce qui est du rm dement sont pris par rapport à 100% pour le témoin.
TABLEAU VI Essais de meules à disques de résine
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<tb>
<tb> 3,6 <SEP> kg <SEP> 7,2 <SEP> kg
<tb> Type <SEP> d'a-Exem-Poids <SEP> Rende-Exem-Poids <SEP> Rendement
<tb> lumine <SEP> ple <SEP> de <SEP> ment <SEP> en <SEP> ple <SEP> de <SEP> en <SEP> % <SEP> (g)
<tb> coupe <SEP> % <SEP> (g) <SEP> coupe
<tb> Brune <SEP> 41 <SEP> 66 <SEP> (100) <SEP> 45 <SEP> 166 <SEP> (100)
<tb> (témoin)
<tb> Sol-gel <SEP> 42 <SEP> 50 <SEP> 76 <SEP> 46 <SEP> 142 <SEP> 86
<tb> Sol-gel <SEP> 43 <SEP> 34 <SEP> 52 <SEP> 47 <SEP> 115 <SEP> 69
<tb> Sol-gel <SEP> 44 <SEP> 32 <SEP> 48 <SEP> 48 <SEP> 83 <SEP> 50
<tb>
Les résultats du Tableau VI montrent des rendements de coupe en % relatif pour les disques de résine abrasive d'alumine, réalisés suivant la présente invention, se situant entre 48 et 86%, avec une moyenne de 64%,
par rapport au rendement d'un disque de résine abrasive d'alumine fondue brune standard.
On utilise les Exemples 1 à 5 et les Exemples 10 à 14 pour illustrer la figure 1, qui montre une élévation de la densité avec une élévation de la vitesse de chauffage ou de cuisson jusqu'à la température de frittage pour le produit d'alumine fritté, de haute pureté de la présente invention. La figure 1 donne des valeurs avec de l'alumine non calcinée, et de l'alumine calcinée à 600 C, qui sont frittées à 460 C pendant approximativement 20 minutes.
On obtient des densités plus grandes que 3,4 g/cm3 avec une vitesse de chauffage rapide d'environ 20 secondes à une température de frittage de 14000C Des vitesses de chauffage lentes de 1 à 5 heures à une
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température de frittage de 1400 C donnent des matières moins denses avec des densités aux alentours de 3,0 g/
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3 Les Exemples 6 à 9 et les Exemples 15 à 18 font également ressortir le fait que l'on obtient une élévation de la densité en fonction d'une vitesse de chauffage accrue. C'est ainsi que cette relation se vérifie tout aussi bien pour de l'alumine calcinée que pour de l'alumine non calcinée, et à des températures de frittage différentes.
Les Exemples 1 à 18 sont utilisés pour illustrer la figure 2, qui met en évidence une diminution du volume d'intrusion avec une élévation de la densité pour l'alumine frittée de haute pureté de la présente invention. La figure 2 donne des valeurs pour de l'alumine non calcinée, et de l'alumine calcinée à 600 C, qui sont frittées à 1400 C et 1450 C pendant approximativement 20 minutes. Comme on peut le voir sur la figure 2, cette relation entre le volume d'intrusion et la densité se vérifie tout aussi bien pour l'alumine calcinée que pour l'alumine non calcinée à différentes températures de frittage. La figure 2 montre des échantillons avec des densités. se situant entre 3,3 et 3,5 g/cm3 ayant un volume d'intrusion pratiquement nul.
Si l'on combine les résultats des figures 1 et 2, on peut dire qu'une vitesse de chauffage rapide de moins de quelques minutes donne une matière dense avec un volume d'intrusion presque nul.
On utilise les Exemples 2 à 8, les Exemples 11 à 17 et les Exemples 19 à 21 pour illustrer la figure 3, qui met en évidence une élévation de la dureté de Knoop avec une élévation de la densité pour le produit d'alumine fritté de la présente invention. Cette relation
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se vérifie tout aussi bien pour de l'alumine calcinée que pour de l'alumine non calcinée, à des vitesses de chauffage et à des températures de frittage différentes.
La figure 3 montre une dureté se situant entre 1300 et 1800 klos pour les matières d'alumine plus denses (supérieures à 3, 4 g/cm). On peut comparer ces résultats à une dureté d'environ 2100 klos pour l'alumine brune fondue standard, qui a une densité d'environ 4,0 g/cm et une porosité nulle. Si l'on combine les résultats des figures 1,2 et 3, on peut dire qu'une vitesse de chauffage rapide donne une matière dense avec un volume d'intrusion presque nul et une dureté élevée.
On donne les Exemples 34 à 37 pour illustrer la figure 4, qui met en évidence une élévation de la densité avec une élévation de la température de frittage pour l'alumine de haute pureté, frittée de la présente invention. Cette relation se vérifie tout aussi bien pour l'alumine calcinée que pour l'alumine non calcinée à différentes vitesses de chauffage. La figure 4 montre des matières d'alumine ayant des densités se situant en-
EMI29.1
3 tre environ 3, 4 et 3, 6 après avoir été chauffées rapidement en 1-5 minutes et frittées à des températures se situant entre 14000 et 1600 C.
En utilisant les résultats des figures 1,2, 3 et 4, une vitesse de chauffage rapide de seulement quelques minutes combinée à une température de frittage au-dessus de 1400 C, donne une matière dense avec un volume d'intrusion pratiquement nul et une dureté élevée.
Les Exemples 22 à 33 illustrent la figure 5, qui montre que le temps de frittage n'a que peu d'effet sur la densité de l'alumine frittée, de haute pureté de
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la présente invention. La figure 5 donne des valeurs pour de l'alumine non calcinée, et de l'alumine calcinée à 600 C, qui sont frittées à 1400 C, et rapidement chauffées en 15-30 secondes. Cette relation entre le temps de frittage et la densité se vérifie aussi bien pour l'alumine calcinée que pour l'alumine non calcinée à différentes vitesses de chauffage et températures de frittage.
La figure 5 relate des densités d'alumine dans une gamme étroite d'environ 3,35 à 3,5 g/cm3 pour une gamme étendue de temps de frittage allant de moins d'une minute à 30 minutes. D'après les résultats des figures 1,4 et 5, on peut voir que la présente invention permet d'obtenir des économies de coût directes en combustible utilisé pour le four. Les matières d'alumine nécessitent simplement d'être rapidement chauffées en une courte période de temps jusqu'à une température de frittage relativement faible, et maintenues à cette température de frittage pendant seulement quelques minutes, pour obtenir une matière d'alumine dense avec un volume d'intrusion pratiquement nul et une dureté élevée.
Il doit être entendu que la présente invention n'est en aucune façon limitée aux formes de réalisation ci-dessus, et que bien des modifications peuvent y être apportées sans sortir du cadre du présent brevet.