BE1012594A3 - Elements de coupe pdc a tenacite elevee. - Google Patents
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Abstract
Couche de diamant polycristallin fixée à une structure de carbure métallique cimenté utilisé comme élément de coupe, l'élément de coupe présentant une ténacité à la rupture ou une résistance à la rupture améliorée en service par suite de l'inclusion de bore, de béryllium ou de matériaux semblables.
Description
<Desc/Clms Page number 1> ÉLÉMENTS DE COUPE PDC À TÉNACITÉ ÉLEVÉE ARRIÈRE-FOND DE L'INVENTION DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne un aggloméré composite de diamant polycristallin destiné à être utilisé dans des opérations de forage exigeant une résistance élevée à l'usure d'une surface d'un diamant. La présente invention concerne plus spécifiquement une couche de diamant polycristallin fixée à une structure de carbure métallique cimenté, utilisée comme élément de coupe dans un trépan de forage pour des opérations de forage, l'élément de coupe présentant une ténacité ou une résistance à la rupture améliorée en service. ÉTAT DE LA TECHNIQUE Les outils à diamant polycristallin pouvant être utilisés pour des opérations de forage de roches sont bien connus. Les éléments de coupe en diamant polycristallin utilisés sur de tels outils sont typiquement des agglomérés composites comprenant une couche de diamant polycristallin et une structure de support en carbure cimenté. La structure de support en carbure comprend typiquement du carbure de tungstène contenant du cobalt métallique comme composant de cémentation. Le cobalt contenu dans la structure de support en carbure fait fonction de métal de liaison pour le carbure, d'aide de frittage pour consolider les particules du diamant en une couche de diamant solidement fixée et sert à fixer la couche de diamant sur le support en carbure. Il faut veiller à doser soigneusement la quantité de cobalt utilisée, étant donné qu'une quantité excessive de cobalt infiltrée à partir de la structure de support en carbure dans la couche de diamant laisse une quantité excessive de cobalt parmi les particules de diamant, affectant ainsi les propriétés mécaniques, et risquant d'entraîner une résistance à l'abrasion non optimale de la couche de diamant. Les propriétés physiques et mécaniques de la structure de support en carbure cimenté près de la surface de jonction diamant/carbure sont en outre affectées par suite de l'appauvrissement en cobalt du support de carbure. L'appauvrissement en cobalt de la structure de support en carbure près de la surface de jonction entraîne typiquement des propriétés mécaniques réduites dans une zone critique de l'élément de coupe composé de carbure de tungstène et du diamant. <Desc/Clms Page number 2> Différents procédés sont appliqués pour contrôler l'infiltration du cobalt dans le diamant, pour empêcher une infiltration excessive dans cette couche et l'appauvrissement résultant en cobalt de la structure de support en carbure. Des éléments de coupe diamantés typiques selon la technique antérieure sont décrits dans les brevets des Etats-Unis 4988421 ; 5011514 : 5011515 : 5022894 : 5111895 ; 5151107 : et 5176720 ainsi que dans la demande de brevet européen 0246789. Des essais ont en outre été faits pour accroître la dureté des corps en carbure cimenté, ces corps englobant un renforcement en tungstène de l'aggloméré de diamant polycristallin, étant produits par frittage de poudres de carbure compactes pour fournir des ustensiles de coupe capables de conserver une arête plus vive ou d'avoir une durée de vie plus longue. De tels corps en carbure cimenté sont typiquement composés d'un mélange de carbure de tungstène et de cobalt. Lors de la production de tels corps. il faut typiquement faire un compromis entre la fragilité et la dureté. Plus le corps est dur. mieux le corps arrive à conserver son arête de coupe, mais plus le corps est fragile. Un essai tendant à empêcher un accroissement de la fragilité tout en améliorant la dureté a consisté à produire un fin revêtement ou une fine couche de surface sur le corps en carbure contenant du bore, par diffusion du bore dans la surface du corps en carbure cimenté. Lors de l'élimination du fin revêtement par l'usure, les propriétés améliorées de dureté ainsi que les autres caractéristiques sont perdues. Un autre essai a été fait pour améliorer les propriétés d'un corps en carbure cimenté, produit par frittage de poudres de carbure compactes en présence de bore, contenant un matériau permettant la diffusion du bore à une plus grande profondeur dans le corps en carbure cimenté. De tels corps en carbure cimenté sont décrits dans les brevets des Etats-Unis 4961780 et 5116416. Ces types de corps en carbure cimenté englobant du bore présentent une ténacité à la rupture améliorée par rapport aux corps ne contenant pas de bore. ABRÉGÉ DE L'INVENTION La présente invention concerne une couche de diamant polycristallin fixée à une structure de support en carbure métallique cimenté utilisée comme élément de coupe dans un trépan de forage pour des opérations de forage, l'élément de coupe présentant une ténacité ou une résistance à la rupture améliorée en service. La présente invention concerne un élément de coupe comprenant une couche de diamant polycristallin et une structure <Desc/Clms Page number 3> de support cimentée englobant du carbure de tungstène, du bore et du cobalt. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La figure 1 illustre un élément de coupe indépendant typique selon la présente invention. DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE LA FORME DE RÉALISATION ILLUSTRÉE La présente invention fournit un procédé de production d'agglomérés abrasifs renforcés présentant une ténacité ou une résistance à la rupture améliorée en service. La figure 1 représente un aggloméré composite 10 comprenant une structure de support en carbure cimenté 12 et un panneau ou une couche de diamant polycristallin 14. Les agglomérés composites utilisés dans la forage de roches et l'usinage sont bien connus dans la technique et ont par exemple été décrits dans le brevet des Etats-Unis Re. 32380. Comme décrit, l'aggloméré composite comprend une couche de diamant polycristallin, la couche de diamant étant liée par l'intermédiaire de cobalt au matériau de support composé de carbure cimenté, ayant un volume nettement supérieur au volume de la couche de diamant polycristallin. La structure de support en carbure est typiquement composée de carbure de tungstène contenant du cobalt métallique comme composant de cémentation. Comme indiqué ci-dessus, le cobalt contenu dans la structure de support en carbure peut faire fonction à la fois de métal de liaison pour le frittage du carbure de tungstène, d'aide de frittage du diamant, pour faciliter le frittage de la poudre de diamant, et peut en outre servir à fixer la couche de diamant fritté au support de carbure. Il est certes possible de limiter ou de contrôler l'appauvrissement en cobalt du support en carbure selon différents procédés, mais une certaine quantité de cobalt s'infiltre typiquement dans la couche de diamant polycristallin de l'aggloméré composite, laissant une zone appauvrie dans le support en carbure adjacent. La zone d'appauvrissement 16 est représentée dans le support en carbure 12 dans le dessin de la figure 1. Par suite de la présence de cobalt dans les interstices entre les particules de diamant, la couche de diamant 14 se décompose à une température plus basse. Une petite région entre la couche de diamant 14 et l'ensemble du support en carbure 12 présente en outre des propriétés <Desc/Clms Page number 4> mécaniques réduites, comme la résistance à la rupture, par suite d'un appauvrissement en cobalt dans la zone 16 du support en carbure 12. La zone 16 est ainsi plus exposée à la formation et à la propagation de fissures. La présente invention utilise du bore pour contrôler la résistance à la rupture de la zone 16, ayant subi un appauvrissement en cobalt au cours du frittage de la couche de diamant. L'aggloméré de diamant polycristallin présente une ténacité ou une résistance à la rupture améliorée par suite de l'inclusion de bore dans la zone 16 du support 12. La ténacité ou la résistance à la rupture améliorée de l'aggloméré est nettement améliorée dans les agglomérés utilisant des pourcentages moins élevés de cobalt dans la structure de support en carbure. La teneur en cobalt de la zone d'appauvrissement 16 est telle à entraîner une amélioration relativement importante de la ténacité. Un procédé pour contrôler la ténacité à la rupture dans la zone 16 consiste à mélanger du bore avec le matériau utilisé pour former la structure de support 12 ou à inclure du bore dans celui-ci avant le frittage. Un autre procédé pour contrôler la résistance à la rupture de la zone 16 consiste à fournir un gaz à base de bore dans l'atmosphère entourant la structure de support en carbure 12 au cours du frittage de la structure de support 12. Par suite du contrôle de la quantité de cobalt diffusée dans la couche de diamant à partir de la structure de support en carbure, le bore étant présent au moins dans la zone d'appauvrissement 16, la ténacité à la rupture ou la résistance à la rupture est particulièrement améliorée dans les structures de support en carbure à faible alliage de cobalt. Comme indiqué ci-dessus, l'utilisation de bore dans la zone constituant la surface de jonction entre la couche de diamant 14 et la structure de support en carbure 12 des agglomérés 10 semble très efficace pour améliorer la ténacité à la rupture ou la résistance à la rupture dans les agglomérés, la structure de support en carbure 12 contenant typiquement de douze à vingt pour cent (12% à 20%) de cobalt dans la zone d'appauvrissement 16 avant un quelconque appauvrissement en cobalt. Il en résulte un pourcentage de cobalt compris entre trois et treize pour cent (3% et 13%) après l'appauvrissement. <Desc/Clms Page number 5> Selon la présente invention, il est préférable que le substrat ou la structure de support en carbure 12 englobe du bore dans un intervalle de concentration compris approximativement entre 200 et 700 parties par million (ppm). La présente invention permet d'améliorer la ténacité à la rupture dans la zone 16 du support de structure 12, empêchant ainsi la fissuration dans la zone 16 et une quelconque propagation des fissures à partir de la zone 16, ou bien vers la couche de diamant 14 ou bien vers la structure de support 12 de 1'aggloméré" 10. La présente invention a certes été décrite en référence à l'utilisation de bore dans la structure de support 12, mais d'autres matériaux peuvent aussi être utilisés pour atteindre une ténacité à la rupture améliorée, comme le béryllium et d'autres matériaux semblables. Les hommes de métier comprendront que des changements, des modifications, des suppressions et des additions, compris dans l'objectif de la présente invention, sont toujours réalisables.
Claims (13)
- REVENDICATIONS 1. Aggloméré polycristallin comprenant : un substrat en carbure contenant du cobalt : une couche de matériau polycristallin assemblée au substrat de carbure ; et une certaine quantité de bore utilisée dans le substrat de carbure au cours de sa production, donnant ainsi une ténacité à la rupture améliorée dudit aggloméré polycristallin.
- 2. Aggloméré polycristallin selon la revendication 1, dans lequel le substrat de carbure contient une certaine quantité de bore.
- 3. Aggloméré polycristallin selon la revendication 1, dans lequel la quantité de bore dans le substrat de carbure comprend une certaine quantité adjacente à la couche de matériau polycristallin.
- 4. Aggloméré polycristallin selon la revendication 1, dans lequel la couche polycristalline comprend du diamant.
- 5. Aggloméré polycristallin selon la revendication 1. dans lequel le substrat de carbure comprend du carbure de tungstène.
- 6. Aggloméré polycristallin selon la revendication 5, dans lequel le substrat de carbure comprend en outre du carbure de tungstène et du cobalt.
- 7. Aggloméré polycristallin selon la revendication 6, dans lequel le substrat de carbure comprend en outre du carbure de tungstène, du cobalt et la quantité déterminée de bore.
- 8. Aggloméré polycristallin selon la revendication 1, dans lequel le substrat de carbure comprend moins de sept pour cent de cobalt.
- 9. Aggloméré polycristallin selon la revendication 1. dans lequel le substrat de carbure comprend moins de dix pour cent de cobalt.
- 10. Aggloméré polycristallin selon la revendication 1, dans lequel le substrat de carbure comprend moins de vingt pour cent de cobalt.
- 11. Aggloméré polycristallin selon la revendication 1, dans lequel le substrat de carbure comprend moins de trente pour cent de cobalt.
- 12. Aggloméré polycristallin selon la revendication 1. dans lequel le substrat de carbure comprend approximativement de 200 à 700 ppm de bore.
- 13. Aggloméré polycristallin comprenant : <Desc/Clms Page number 7> un substrat de carbure contenant du cobalt ; une couche de matériau polycristallin assemblée au substrat de carbure ; et une certaine quantité de béryllium utilisée dans le substrat de carbure au cours de sa production, donnant ainsi une ténacité à la rupture améliorée dudit aggloméré polycristallin.
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Effective date: 20031231 |