Procédé de fabrication d'outils diamantés L'invention se rapporte à un procédé de fabrica tion d'outils diamantés constitués d'une matrice-support métallique dans laquelle sont enchâssés un ou plusieurs diamants, de grosseur appropriée au travail auquel est destiné l'outil et placés de façon orientée ou non dans la matrice constituée par du fer ou par un alliage fer reux et contenant un certain pourcentage de cuivre.
Les outils diamantés sont couramment utilisés dans l'industrie, où ils sont employés pour des usages divers tels que l'usinage par coupe, le tronçonnage, le meulage, le perçage, le forage, le dressage de meules, entre autres. Les outils à grains de diamant de petites dimensions sont de plus en plus employés à la place des outils à diamants solitaires pour des raisons économiques et techniques. Les gros diamants sont d'un prix élevé et ils doivent être sertis avec une certaine précision d'orien tation pour obtenir une coupe correcte.
L'emploi de petits diamants bon marché mélangés d'une façon homo gène dans la masse de la, matrice métallique ne néces site pas d'orientation particulière, car un nombre suf fisant d'entre eux se trouve toujours correctement orienté avec le maximum d'efficacité. En outre, après usure complète des premiers grains en contact, d'autres grains de diamant noyés dans la matrice se présentent et per mettent à l'outil de continuer son travail jusqu'à usure complète. Dans tous les cas, la qualité des outils est fonction de l'efficacité de l'enchâssement des diamants, c'est-à-dire de la façon dont ils sont liés au support métallique.
En dehors du procédé par fixation mécanique limité aux gros diamants isolés et des matrices constituées de dépôts électrolytiques, de nombreux modes d'enchâsse ment de diamant sont utilisés; ils procèdent pour beau coup du frittage sous pression à chaud ou du frittage à précompression à froid. Les alliages de liaison les plus souvent utilisés en frittage sous pression à chaud sont constitués de bronze dont la poudre, pour être frittée, ne nécessite pas de températures trop élevées.
Les frais d'outillage restent cependant élevés pour cette technique et par ailleurs il est apparu nécessaire de recourir à un matériau plus tenace que le bronze pour améliorer la qualité de sertissage et la tenue mécanique du support. On a préconisé pour cette raison à la place du bronze les métaux les plus divers contenant souvent du cobalt et des charges dures de borures, carbures, nitrures ; mais si la qualité de ces outils est améliorée dans certains cas par rapport aux outils en bronze, leur prix de revient est prohibitif et le développement industriel de fabrication en série limité.
Les outils produits par les procédés de fabrication à matrice frittée après compression à froid ont une porosité résiduelle jamais inférieure à 10 %, et pour cette raison leurs caractéristiques mécaniques sont faibles et la qualité de sertissage du diamant médiocre.
Quand, remplaçant le bronze comme métal de liaison par un autre métal plus tenace mais à point de fusion plus élevé, on cherche à améliorer la cohésion de la matrice par élévation de la température de frittage, on est vite limité dans cette voie par la perte des propriétés de coupe du diamant aussi bon que soit le choix de l'atmosphère du four que l'on puisse faire.
Le procédé selon l'invention pour la fabrication d'outils diamantés constitués de un ou plusieurs diamants naturels ou synthétiques noyés dans une matrice métal lique permet de remédier à ces inconvénients. Il com prend une gamme de fabrication réduite à deux opéra tions essentielles 1. compression à froid de la poudre de fer contenant le au les diamants ; 2. opération de frittage - imprégnation simultanée en un seul cycle thermique, consistant en un chauffage de l'aggloméré mis en contact d'une quantité suffi sante de cuivre non ou faiblement allié.
Le chauffage s'opère sous atmosphère réductrice, constitué en général par une température au moins égale à la température de fusion du cuivre mais inférieure à la température d'altération des propriétés de coupe du diamant. A cette température, le cuivre fondu comble pratiquement la totalité des pores de l'aggloméré de fer.
L'invention permet de réaliser des outils diamantés, le plus souvent directement à leur forme définitive dans lesquels une liaison particulièrement tenace existe entre les diamants et la matrice métallique frittée compacte. Cette liaison est obtenue sans que la qualité des dia mants ait été altérée par chauffage excessif en cours de fabrication. Les avantages ci-dessus sont obtenus en outre à bas prix de revient résultant pour une grande part de la simplicité du cycle de fabrication et dans une proportion moindre de la nature des matériaux consti tuant la matrice qui est à base de fer.
L'invention est applicable à la fabrication d'outils à gros diamant uni que ou en petit nombre isolé, elle est toutefois particu lièrement intéressante pour les outils à grand nombre de diamants plus petits répartis dans la matrice, outils dont l'emploi se développe au détriment des précédents.
Avant la phase de moulage, les diamants peuvent être soit introduits dans la poudre de métal ferreux, soit en dispersion homogène, soit placés d'une façon orien tée dans la poudre au moment du remplissage du moule.
Pour la mise en aeuvre du procédé selon l'invention, on adoptera de préférence les conditions suivantes 1. Compression à froid de la poudre de métal ferreux contenant le ou les diamants - surface spécifique de la poudre de métal ferreux mesurée selon la méthode de P.J. RIGDEN (publiée dans Journal of the Society of Che- mical Industry Transactions and Communica tions, janvier 1943) et calculée selon l'équation de KOSENY modifiée:
1000 à 8000 cm2/cm3 - Pression de moulage : 20 à 40 kgf/mm2 2. Opération de frittage - imprégnation simultanée - Addition de cuivre pur ou faiblement allié en quantité suffisante pour que la teneur en cuivre de la matrice soit finalement entre 15 et 25 % en poids - Montée en température en cours de chauffage à partir de 9100 C : 5000 C/h - Température d'imprégnation: 1083 à 1130o C - Maintien en température: _G 10 mn - Atmosphère du four: hydrogène.
Le procédé selon l'invention permet d'obtenir des propriétés d'emploi et une aptitude au sertissage du dia mant particulièrement bonnes, très supérieures à celle qui est obtenue en appliquant les opérations suivantes frittage de 1100 à 1250() pendant une heure du fer avec son diamant, ce qui correspond aux conditions habi tuelles de frittage de fer, puis imprégnation avec ou sans refroidissement intermédiaire.
De plus étant donné la température atteinte et son maintien, cette façon de procéder provoque infailliblement un début de dégra dation du diamant amenuisant ses propriétés de coupe, ce que des essais pratiques ont nettement démontré.
Selon une variante de la mise en aeuvre du nouveau procédé la poudre de métal ferreux peut être initiale ment mélangée jusqu'à 4% de poudre de cuivre de gra nulométrie inférieure ou égale à 80 microns. Il est pos- sible d'utiliser du fer seul ou du fer allié ou du fer mé langé avec les éléments suivants: carbone jusqu'à 2%, nickel de 1 à 5%, chrome 0,2 à 13%, molybdène 0,1 à 4%, les pourcentages étant exprimés en poids.
La dimension de ces grains d'éléments d'addition, dans le cas d'alliages réalisés par juxtaposition de poudre, doit être inférieure dans tous les cas à 50 microns. Ces élé ments étant pris séparément ou conjointement permet tent de réaliser une matrice de ténacité plus grande dont la composition peut être celle des aciers utilisés couramment dans l'industrie et susceptible de traite ments thermiques, après frittage-imprégnation dans les mêmes conditions que les aciers connus correspon dants.
La surface spécifique du fer utilisé non allié ou avec additions reste identique aux limites déjà préci sées ci-dessus. Après incorporation des diamants dans la poudre de fer avec ou sans additions, le mélange est comprimé à des pressions comprises entre 20 et 80 kg/mm2. Quelle que soit la composition de la pou dre métallique utilisée, les agglomérés obtenus aux for mes et concentrations de diamants désirés sont intro duits dans un four chauffé par un moyen quelconque mais sous atmosphère d'hydrogène.
On met en con tact avec chaque aggloméré le poids de cuivre sous forme quelconque en un ou plusieurs morceaux, cor respondant approximativement au volume des pores à boucher, soit généralement de 15 à 25% en poids de l'aggloméré. L'emploi de cuivre faiblement allié jusqu'à 12% par exemple, peut convenir également sans pour cela qu'il en résulte un avantage supplémentaire. Pour le cycle thermique à réaliser, deux zones de tempéra tures sont à considérer, la première de l'ambiante à environ 9100 peut être de durée quelconque, il est même possible de procéder à un refroidissement après chauf fage jusqu'à cette température, toutefois cette opération ne se justifie que si,
l'état préfritté ainsi obtenu, des retouches de formes sont à faire. Pour la deuxième zone correspondant au frittage-imprégnation simultané, la température d'environ 1130C ne doit pas être dépas sée, il est évident par contre que la température de fusion du cuivre de 10831)C ou de l'alliage cuivreux doit être atteinte. La vitesse de chauffe entre environ 910oC et environ 113011C doit être supérieure à envi ron 50011C/heure avec un maintien à environ 11300C d'environ 10 minutes au plus. Le cycle thermique est réalisable dans un four à poussée continue.
Le procédé décrit permet, même dans le cas où les diamants sont enchâssés dans la masse, d'obtenir dans un même moulage une partie de l'aggloméré complè tement exempte de diamants et constituée de la seule matrice; ii suffit pour cela de séparer, au moment du remplissage du moule, la poudre avec et sans diamants par une paroi constituée par exemple d'un papier qui est retiré ensuite après remplissage avant compression. L'imprégnation au cuivre pendant le frittage est réalisée sur l'ensemble de l'aggloméré.
Un avantage supplé mentaire du procédé réside dans le fait que, les varia tions de cote entre l'aggloméré moulé et le produit im prégné fritté étant négligeables, les formes moulables sont réalisées directement aux cotes définitives sans retouches ultérieures ou après préfrittage.
A titre d'exemple d'application et de mise en oeuvre, on indiquera maintenant un mode de fabrication d'un frottoir diamanté destiné à affûter une meule A 54 Q 5V suivant désignation internationale de machine à recti fier des vilebrequins. On mélange 79 g de poudre de fer de surface spécifique 2200 cm2/cm3 humidifiée par 1 cm3 d'essence de pétrole avec 21 g, soit environ 30 % en volume, de diamants naturels ou synthétiques de granulométrie comprise entre 650 et 1200 microns, le mélange homogène est obtenu au mélangeur rotatif en 5 minutes.
On prélève 4,95 g de ce mélange correspondant au poids de la partie diamantée du frottoir, cette quan tité est introduite dans le moule de forme et comprimé à une pression de 40 kg/mm2. L'aggloméré obtenu étant placé dans un four à atmosphère d'hydrogène, on place sur lui un ou plusieurs morceaux de cuivre de forme quelconque d'un poids de 1,78 g. On chauffe jusqu'à 1100 C en 20 minutes, la température de 11000C étant maintenue 2 minutes, puis le chauffage du four est arrêté, le refroidissement étant effectué ensuite en 30 minutes environ.
Le produit composite compact fer-cuivre est ensuite brasé à une température comprise entre 800 et 9000C sur un embout en acier, à la suite de quoi il est prêt pour l'usage prévu.
Des frottoirs réalisés de cette façon assurent l'affû tage de meules permettant la rectification de 3200 vile- brequins sur machine à rectifier contre 2400 pour :les meilleurs frottoirs fabriqués par les méthodes habi tuelles.
Process for manufacturing diamond tools The invention relates to a process for manufacturing diamond tools consisting of a metal support matrix in which are embedded one or more diamonds, of appropriate size for the work for which the tool is intended. and placed in an oriented or non-oriented manner in the matrix constituted by iron or by an iron alloy reux and containing a certain percentage of copper.
Diamond tools are commonly used in industry, where they are used for various purposes such as machining by cutting, parting off, grinding, drilling, drilling, dressing grinding wheels, among others. Small-sized diamond grit tools are increasingly being used instead of solitary diamond tools for economic and technical reasons. Large diamonds are expensive and must be set with some precision in orientation to achieve a proper cut.
The use of small inexpensive diamonds mixed homogeneously in the mass of the metal matrix does not require any particular orientation, since a sufficient number of them are always correctly oriented with the maximum amount of 'efficiency. In addition, after complete wear of the first grains in contact, other diamond grains embedded in the matrix appear and allow the tool to continue its work until complete wear. In all cases, the quality of the tools is a function of the efficiency of the setting of the diamonds, that is to say of the way in which they are linked to the metal support.
Apart from the mechanical fixing process limited to large isolated diamonds and matrices made up of electrolytic deposits, many diamond embedding methods are used; they mostly carry out hot pressure sintering or cold precompression sintering. The bonding alloys most often used in hot pressure sintering consist of bronze, the powder of which, in order to be sintered, does not require excessively high temperatures.
However, the tooling costs remain high for this technique and, moreover, it appeared necessary to use a material more tenacious than bronze to improve the quality of crimping and the mechanical strength of the support. For this reason, the most diverse metals, often containing cobalt and hard loads of borides, carbides, nitrides, have been recommended instead of bronze; but if the quality of these tools is improved in certain cases compared to bronze tools, their cost price is prohibitive and the industrial development of production in series limited.
The tools produced by the sintered die manufacturing processes after cold compression have a residual porosity never less than 10%, and for this reason their mechanical characteristics are poor and the quality of diamond setting poor.
When, replacing bronze as the bonding metal with another more tenacious metal but with a higher melting point, one seeks to improve the cohesion of the matrix by raising the sintering temperature, one is quickly limited in this way by the loss diamond cutting properties as good as the choice of furnace atmosphere one can make.
The process according to the invention for the manufacture of diamond tools consisting of one or more natural or synthetic diamonds embedded in a metal matrix makes it possible to remedy these drawbacks. It comprises a production range reduced to two essential operations 1. cold compression of the iron powder containing the diamonds; 2. sintering operation - simultaneous impregnation in a single thermal cycle, consisting of heating the agglomerate brought into contact with a sufficient quantity of unalloyed or low-alloyed copper.
The heating takes place in a reducing atmosphere, generally consisting of a temperature at least equal to the melting temperature of copper but less than the temperature at which the cutting properties of diamond are altered. At this temperature, the molten copper substantially fills all of the pores of the iron agglomerate.
The invention makes it possible to produce diamond tools, most often directly in their final shape, in which a particularly tenacious bond exists between the diamonds and the compact sintered metal matrix. This bond is obtained without the quality of the diamonds having been impaired by excessive heating during manufacture. The above advantages are further obtained at a low cost resulting largely from the simplicity of the manufacturing cycle and to a lesser extent from the nature of the materials constituting the matrix which is based on iron.
The invention is applicable to the manufacture of tools with a single large diamond or in a small isolated number, it is however particularly interesting for tools with a large number of smaller diamonds distributed in the die, tools whose use is developing. to the detriment of the previous ones.
Before the molding phase, the diamonds can either be introduced into the ferrous metal powder, or in a homogeneous dispersion, or placed in an oriented manner in the powder when the mold is filled.
For the implementation of the process according to the invention, the following conditions will preferably be adopted 1. Cold compression of the ferrous metal powder containing the diamond (s) - specific surface area of the ferrous metal powder measured according to the method of PJ RIGDEN (published in Journal of the Society of Chemical Industry Transactions and Communica tions, January 1943) and calculated according to the modified KOSENY equation:
1000 to 8000 cm2 / cm3 - Molding pressure: 20 to 40 kgf / mm2 2. Sintering operation - simultaneous impregnation - Addition of pure or low-alloyed copper in sufficient quantity so that the copper content of the matrix is finally between 15 and 25% by weight - Temperature rise during heating from 9100 C: 5000 C / h - Impregnation temperature: 1083 to 1130 ° C - Temperature maintenance: _G 10 min - Furnace atmosphere: hydrogen.
The process according to the invention makes it possible to obtain particularly good working properties and a crimping ability of the diamond, much better than that obtained by applying the following operations: sintering from 1100 to 1250 () for one hour of the iron with its diamond, which corresponds to the usual conditions for sintering iron, then impregnation with or without intermediate cooling.
In addition, given the temperature reached and its maintenance, this procedure inevitably causes the start of degradation of the diamond reducing its cutting properties, which practical tests have clearly demonstrated.
According to a variant of the implementation of the new process, the ferrous metal powder can be initially mixed up to 4% copper powder with a grain size of less than or equal to 80 microns. It is possible to use iron alone or alloyed iron or mixed iron with the following elements: carbon up to 2%, nickel from 1 to 5%, chromium 0.2 to 13%, molybdenum 0, 1 to 4%, the percentages being expressed by weight.
The size of these grains of addition elements, in the case of alloys produced by juxtaposition of powder, must be less than 50 microns in all cases. These elements, being taken separately or together, allow a higher tenacity matrix to be produced, the composition of which may be that of steels commonly used in industry and capable of heat treatment, after sintering-impregnation under the same conditions as steels. known correspondents.
The specific surface of the iron used unalloyed or with additions remains identical to the limits already specified above. After incorporation of the diamonds into the iron powder with or without additions, the mixture is compressed at pressures of between 20 and 80 kg / mm2. Whatever the composition of the metal powder used, the agglomerates obtained in the shapes and concentrations of the desired diamonds are introduced into an oven heated by any means but under a hydrogen atmosphere.
The weight of copper in any form in one or more pieces, corresponding approximately to the volume of the pores to be closed, is brought into contact with each agglomerate, ie generally 15 to 25% by weight of the agglomerate. The use of low alloy copper up to 12%, for example, may also be suitable without resulting in any additional advantage. For the thermal cycle to be carried out, two temperature zones are to be considered, the first from ambient to around 9100 can be of any duration, it is even possible to carry out cooling after heating up to this temperature, however this operation is only justified if,
the pre-sintered state thus obtained, shape alterations have to be made. For the second zone corresponding to the simultaneous sintering-impregnation, the temperature of about 1130C must not be exceeded, it is obvious on the other hand that the melting temperature of the copper of 10831) C or of the copper alloy must be reached. The heating rate between approximately 910oC and approximately 113011C should be greater than approximately 50011C / hour with a hold at approximately 11300C for approximately 10 minutes at most. The thermal cycle can be carried out in a continuous thrust furnace.
The method described makes it possible, even in the case where the diamonds are embedded in the mass, to obtain in the same casting a part of the agglomerate completely free of diamonds and consisting of the single matrix; It suffices for this to separate, when filling the mold, the powder with and without diamonds by a wall consisting for example of a paper which is then removed after filling before compression. The copper impregnation during sintering is carried out on the whole of the chipboard.
An additional advantage of the process resides in the fact that, the variations in dimension between the molded agglomerate and the sintered impregnated product being negligible, the moldable shapes are produced directly to the final dimensions without subsequent retouching or after pre-sintering.
By way of example of application and implementation, we will now indicate a method of manufacturing a diamond scraper intended to sharpen an A 54 Q 5V grinding wheel according to the international designation of a crankshaft grinding machine. 79 g of iron powder with a specific surface area of 2200 cm2 / cm3, moistened with 1 cm3 of petroleum gasoline, are mixed with 21 g, i.e. approximately 30% by volume, of natural or synthetic diamonds with a particle size of between 650 and 1200 microns, the homogeneous mixture is obtained with a rotary mixer in 5 minutes.
4.95 g of this mixture are taken, corresponding to the weight of the diamond part of the friction pad, this quantity is introduced into the forming mold and compressed at a pressure of 40 kg / mm 2. The agglomerate obtained being placed in an oven with a hydrogen atmosphere, one or more pieces of copper of any shape weighing 1.78 g are placed on it. Heated to 1100 ° C. in 20 minutes, the temperature of 11000C being maintained for 2 minutes, then the heating of the oven is stopped, the cooling then being carried out in approximately 30 minutes.
The compact iron-copper composite product is then brazed at a temperature between 800 and 9000C to a steel ferrule, after which it is ready for its intended use.
Wipers produced in this way ensure the sharpening of grinding wheels allowing the grinding of 3200 crankshafts on a grinding machine against 2400 for: the best rubbers manufactured by the usual methods.