CH646346A5 - Procede de fabrication d'un comprime de diamant composite. - Google Patents
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Description
La présente invention concerne des comprimés de diamant poly-cristallin fabriqués par des procédés à haute pression/haute température (HP/HT) et à leur utilisation dans des trépans rotatifs.
Un comprimé est une masse polycristalline de particules abrasi-ves (par exemple de diamant et de nitrure de bore cubique) liées ensemble pour former une masse d'une seule pièce, cohérente, tenace, de résistance mécanique élevée. Les brevets des Etats-Unis N°s 3136615, 3141746, 3239321, 3744982, 3816085 et 3913280 concernent plus particulièrement des comprimés de diamant de ce type.
Un comprimé composite est un comprimé lié à un substrat, tel que du carbure de tungstène cémenté (voir le brevet des Etats-Unis N° 3745623).
Les outils de coupe à comprimés réalisés à partir de diamant polycristallin que l'on a fait croître à partir de graphite sont décrits dans le brevet des Etats-Unis N° 3850053. Le brevet des Etats-Unis N° 3850591 décrit des comprimés de diamant fabriqués à partir de diamant mélangé avec du graphite, et le brevet des Etats-Unis N° 3297407 décrit la croissance du diamant sur un cristal servant de germe.
Le brevet des Etats-Unis N° 3164527 enseigne la fabrication d'une pièce superdure à partir d'une briquette faite de diamant et d'une matrice en alliage dur emboîtée dans une enveloppe externe ayant un coefficient de contraction plus élevé que la briquette.
Les brevets des Etats-Unis Nos 3831428, 4129052 et 4144739 décrivent des filières d'étirage de fil faites à partir de diamant. Un comprimé pour filière d'étirage de fil se compose en général d'une masse interne, qui est de façon prédominante du diamant polycristallin, et d'une bague annulaire externe en carbure lié par du métal, lié et entourant la masse interne de façon à réaliser un support symétrique. La masse de carbure liée par du métal est choisie dans le groupe comprenant le carbure de tungstène, le carbure de titane, le carbure de tantale et leurs mélanges, le matériau de liaison métallique représentant une quantité d'environ 6 à 25% en poids est choisi parmi le cobalt, le nickel, le fer et leurs mélanges.
Les brevets des Etats-Unis Nos 3407445, 3938599, 4006788, 4073354,4098362 (couronne faite de poudre de métal et d'alliage de brasage), 4109737 (élément de coupe en comprimé avec pointe conique emboîtée dans des creux) et 4156329 (brasage au four) décrivent des trépans utilisant des éléments de coupe en comprimés.
La plupart des essais de l'art antérieur pour l'utilisation de comprimés de diamant dans des applications aux trépans utilisent des comprimés sous forme de cylindres droits avec une mince couche de diamant polycristallin liée à un substrat de carbure cémenté: L'élément de coupe est formé en attachant le comprimé au trépan par brasage ou soudure du substrat de carbure à une broche de carbure cémenté qui est insérée dans des douilles dans la couronne du trépan. La couche de diamant est généralement orientée dans une direction radiale par rapport au centre de rotation du trépan et pénètre dans la roche essentiellement comme un outil de coupe, avec des angles de coupe essentiellement nuls ou d'environ 5° négatifs. Dans la conception, les éléments de coupe saillent du corps du trépan et fournissent ainsi une action de coupe agressive. Les contraintes sur chaque élément de coupe sont sévères, et des ruptures apparaissent par gros écaillages ou fissuration du comprimé. Le problème de la rupture est bien souvent dû à un manque de support de la couche de diamant polycristallin qui a une résistance au cisaillement ou à la traction de seulement environ 100 kg/mm2.
La présente invention fournit donc un procédé de fabrication de comprimés de diamant composites semblables à des comprimés de filière d'étirage de fil et que l'on peut utiliser en tant qu'élément de coupe dans des trépans. Le support fourni par le métal qui l'entoure aide à empêcher les ruptures qui avaient lieu avec les éléments de coupe du type à couche mince décrits précédemment.
Cette invention représente une amélioration sur les procédés connus, représentée par la combinaison des brevets des Etats-Unis Nos 3831428 et 3850053 et consiste à a) placer dans une enceinte un échantillon comprenant une masse formée creuse de métal contenant un catalyseur de formation du diamant et une masse de carbone non sous forme de diamant à l'intérieur de la masse de métal mise en forme et en contact avec celle-ci, b) soumettre l'échantillon à des conditions de pression et de température dans la région de stabilité du diamant et au-dessus du point de fusion du catalyseur, c) réduire la température et la pression de l'échantillon, et d) récupérer le comprimé de diamant composite résultant, l'amélioration consistant à disposer des cristaux de germes de diamant à l'interface entre la masse extérieure de métal et la masse intérieure de carbone non sous forme de diamant dans l'étape a.
Le comprimé de diamant composite ainsi formé croîtrait directement à partir du graphite ou d'un mélange de graphite ou de diamant dans la partie centrale d'un cylindre creux de carbure
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cémenté ou d'acier où le cylindre creux fournit le catalyseur pour convertir le graphite en diamant. Un corps métallique cylindrique creux tel que décrit est rempli directement avec la tige de graphite et les cristaux de germes de diamant.
La masse métallique extérieure est faite d'un matériau choisi dans le groupe comprenant un carbure lié par un métal choisi parmi le groupe comprenant le carbure de tungstène, le carbure de titane et le carbure de tantale lié à un matériau choisi parmi le cobalt, le nickel et le fer, un cermet de nickel lié à du carbure de chrome; un alliage d'acier contenant du chrome, du nickel et du cobalt; un alliage à base de nickel; un alliage à base de cobalt et un acier allié contenant au moins 10% en poids d'éléments formant des carbures choisis parmi le chrome, le titane, le zirconium, le vanadium, le tungstène et le silicium. Ces aciers alliés contenant du chrome, du nickel et du cobalt peuvent être exemplifiés par la série des Inconel (marque de fabrique de la International Nickel Company). Les alliages à base de nickel ou de cobalt sont exemplifiés par les alliages Rene (marque de fabrique de Allvac Metals Company, Monroe, Caroline du Nord). Les aciers alliés contenant du carbure formant des éléments sont exemplifiés par les séries A, D, H, T et M des aciers pour outils.
Le trou dans la masse de métal extérieure peut être borgne ou débouchant, mais l'on recommande un trou borgne.
On recommande des pressions dans la gamme de 55 à 80 kbar combinées avec des températures de 1300 à 1800°C.
La mise en place des cristaux de diamant sur l'interface entre le cylindre métallique et le graphite améliore la germination et la croissance. L'utilisation de diamant comme agent de germination assure une croissance rapide d'un comprimé à haute teneur en diamant à grains fins.
La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement:
— fig. 1 une photomicrographie (grossissement environ 82 x ) de la partie diamant polycristallin d'un comprimé composite fait selon le brevet des Etats-Unis N° 3831428, et
— fig. 2 une photomicrographie (grossissement environ 82 x ) montrant la partie diamant polycristallin d'un comprimé composite fait par le procédé perfectionné de la présente invention et montrant le grain plus fin qui en résulte.
De préférence, la masse intérieure de carbone non sous forme de diamant est un cylindre droit de graphite. Les matériaux recommandés pour le cylindre métallique creux sont des cermets et alliages métalliques ayant des coefficients de dilatation thermique légèrement supérieurs au diamant, de sorte que le composite de diamant soit placé en compression radiale lorsque ce composite est refroidi à partir de la température élevée utilisée pour la formation.
D'autres propriétés souhaitables et recommandées du cylindre de métal seraient des résistances élevées à la compression (par exemple de 2,8 à 5,5 x 10® kPa) pour fournir un support maximum au diamant. Un module d'élasticité élevé E est également recommandé pour permettre la déformation élastique sans développement de déformation de traction dans le noyau de diamant polycristallin de module élevé. Des matériaux satisfaisant à ces deux critères sont l'acier et les alliages d'acier (E = 2,1 x 108 kPa), du carbure cémenté (E = 4,8 à 6,6 x 108 kPa) et du tungstène et du molybdène (E = respectivement 3,7 et 2,9 x 108 kPa).
Une considération particulièrement importante pour le choix de la composition du cylindre métallique est qu'il doit avoir une résistance à l'abrasion relativement élevée après traitement à haute pression et haute température. Cela sera mieux obtenu si le métal a une teneur stable en carbure d'au moins 10% en poids. Cela a pour but d'assurer que le carbone libre (graphite) ne précipite pas dans le métal après trempe à partir de la phase liquide à haute pression/ haute température et fragilisation de la structure. Les cermets comme du carbure de tungstène cémenté par du cobalt et du carbure de chrome lié par du cobalt sont des exemples de bons matériaux, et on recommande également des aciers alliés contenant environ 10% d'éléments formant des carbures, Cr, Ti, Zr, V, Mo, W et Si.
Un appareil recommandé à haute pression/haute température dans lequel on peut préparer les comprimés de la présente invention est décrit dans le brevet des Etats-Unis N° 2941248. Cet appareil comprend une paire de poinçons opposés en carbure de tungstène cémenté et une ceinture intermédiaire ou matrice du même matériau. La matrice comporte une ouverture dans laquelle est placé un réacteur conformé pour contenir un assemblage de zone de réaction. Entre chaque poinçon et la matrice se trouve un ensemble de joints comprenant une paire d'éléments en pyrophyllite thermiquement isolants et non conducteurs électriquement et un joint métallique intermédiaire.
Le réacteur, dans une forme recommandée, comprend un cylindre creux. Le cylindre peut être fait d'un matériau inerte tel que du sel, du talc ou de la lave qui 1) n'est pas notablement converti pendant l'opération à haute pression/haute température en un état plus résistant et plus rigide (tel que par transformation de phase et/ou compactage), et 2) est essentiellement exempt de discontinuités volu-miques apparaissant lors de l'application des hautes températures- et pressions. Des matériaux satisfaisant à ces critères sont décrits dans le brevet des Etats-Unis N° 3030662.
Placé concentriquement dans le cylindre et adjacent à celui-ci se trouve un tube chauffant à résistance électrique en graphite. Dans le tube chauffant en graphite se trouve placée concentriquement une chemise inerte cylindrique. Les extrémités de la chemise sont fermées par des bouchons inertes disposés au sommet et au fond.
Le tube chauffant en graphite est isolé électriquement de l'échantillon et on appelle cela un chauffage indirect. Une cellule de réaction chauffée directement est préférable pour le traitement à haute pression/haute température pour fournir un gradient de température radial. Dans le chauffage direct, le courant électrique du chauffage passe directement à travers l'échantillon, la résistance de l'échantillon elle-même fournissant la production de chaleur. Pour le chauffage direct, il est nécessaire qu'il y ait conductivité électrique. Ainsi, pour fabriquer des comprimés du type à couche mince, aucun chauffage direct n'est possible, car la couche de diamant n'est pas initialement électriquement conductrice. Cela bien évidemment n'est pas vrai avec la masse métallique elle-même ou en forme de coupelle. Le chauffage direct facilite la croissance du diamant sans surchauffe du cylindre métallique.
Les disques terminaux en métal électriquement conducteur sont utilisés à chaque extrémité du cylindre pour assurer la connexion électrique du tube de chauffage en graphite ou de la masse métallique extérieure. Adjacent à chaque disque se trouve un capuchon d'extrémité. Chacun de ces capuchons comprend un bouchon ou disque de pyrophyllite entouré par une bague électriquement conductrice.
Les techniques opératoires pour l'application simultanée de hautes pressions/hautes températures dans ce type d'appareil sont bien connues des spécialistes. L'assemblage de zone de réaction (ou cellule) s'adapte dans l'espace délimité par la chemise et les bouchons. L'assemblage de zone de réaction se compose d'un manchon cylindrique en métal de protection choisi dans le groupe contenant le zirconium, le titane, le tantale, le tungstène et le molybdène. A l'intérieur du manchon métallique servant d'écran se trouve un sous-ensemble confiné dans un disque métallique servant d'écran et une coupelle métallique servant d'écran.
Disposé dans la cavité définie par le disque métallique servant d'écran et la coupelle se trouve un anneau (ou coupelle) fait d'une poudre de carbure frittable comprimée à froid (mélange de poudre de carbure et d'un milieu de liaison métallique approprié). Le cas échéant, l'anneau peut être fait de carbure lié par un métal préfritté ou de carbure lié par un métal totalement fritte. A l'intérieur de l'anneau ou coupelle est disposée une masse de carbone non sous forme de diamant (par exemple du graphite). Un catalyseur qui convertit le carbone non sous forme de diamant en diamant peut être présent en contact avec le graphite. Cela s'effectue en utilisant un métal de cémentation du carbure dans l'anneau qui est également un
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catalyseur pour la formation du diamant (par exemple du cobalt, du nickel ou du fer).
On peut faire adhérer des cristaux de diamant servant de germes au graphite en pressant physiquement le graphite avec les germes. Une monocouche de cristaux servant de germes sur la surface est recommandée avec l'espacement des cristaux servant de germes égal à deux diamètres de cristaux ou moins. Le reste du volume de l'assemblage de zone de réaction peut être occupé par un disque fait du même matériau que le cylindre (par exemple de la pyrophyllite) et des disques faits de nitrure de bore hexagonal pour réduire l'entrée de substances non souhaitées dans le sous-ensemble défini par le disque et la coupelle en métal servant d'écran.
Les conditions pour le procédé à haute pression/haute température sont:
— Les particules de diamant servant de germes ont une dimension comprise entre 0,1 et 500 |i. 1 à 50 |J. est optimum pour améliorer les sites de germination étroitement espacés et la croissance d'un comprimé. Si les germes sont trop gros, on ne peut obtenir une germination rapprochée; s'ils sont trop fins, ils se dissolvent.
— Des conditions de pression et de température à l'intérieur de la région de stabilité du diamant et au-dessus du point de fusion du catalyseur typiquement à des pressions de 60 à 80 kbar et des températures de 1300 à 1500°C. Ces conditions de pression et de température se trouvent bien à l'intérieur de la région de stabilité du diamant. Un temps de réaction de 3 à 15 min.
— La région de stabilité du diamant est la gamme de conditions de pression et de température dans laquelle le diamant est thermody-namiquement stable. Sur-le diagramme de phases haute pression/ haute pression, c'est généralement le côté haute pression au-dessus de la courbe d'équilibre entre le diamant et le graphite. Les conditions de température et de pression sont choisies pour être déplacées de la courbe d'équilibre afin d'assurer une croissance rapide du comprimé de diamant. Ces conditions diffèrent de celles utilisées pour le diamant fritté dans l'art antérieur car, dans le procédé de frittage du diamant, la position à l'intérieur de la région de stabilité du diamant n'est pas critique.
— L'assemblage de zone de réaction est chargé dans le réacteur qui est placé dans l'appareil à haute pression/haute température. Premièrement la pression et ensuite la température sont accrues et maintenues aux conditions voulues pendant un temps suffisant pour que le frittage ait lieu. On laisse alors refroidir l'échantillon sous
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pression pendant une courte période de temps et, finalement, on abaisse la pression à la pression atmosphérique et on récupère le comprimé.
Le comprimé de diamant composite résultant peut être récupéré
5 par divers procédés. Le manchon de métal servant d'écran peut être éliminé mécaniquement. Ce métal servant d'écran adhérent peut être dissous dans l'acide (par exemple un mélange d'acides fluorhydrique et nitrique) avec soin pour éviter de dissoudre le corps métallique. En variante, on peut enlever à la meule ou par polissage tout métal io adhérent de la coupelle métallique ou du disque métallique servant d'écran ou les éliminer avec un fin jet de particules abrasives.
On a fait croître le diamant polycristallin directement à partir du métal servant de catalyseur dans des compositions de carbure de tungstène cémenté ayant une teneur en cobalt de 6 à 35% en poids
15 lorsqu'il est en contact avec du graphite. On a également fait croître du diamant en démarrant avec des alliages de chrome/nickel et des alliages de carbure de chrome cémenté par du nickel contenant 5 à 30% en poids de chrome.
Exemple
On a fermé à une extrémité un corps cylindrique en carbure de tungstène cémenté par du cobalt ayant les dimensions approximatives suivantes: diamètre interne 2,5 mm, diamètre externe 8 mm, longueur 4 mm, avec un bouchon de carbure cémenté pour former un cylindre à extrémités fermées. Une tige de graphite, usinée pour s'adapter étroitement à l'intérieur du cylindre de carbure, a été imprégnée sur les surfaces en contact avec le carbure avec une petite quantité de poudre de diamant de dimension d'environ 50 fi suffisante pour former une monocouche partielle de diamant sur cette interface. Cela s'effectue aisément en roulant ou poussant le graphite contre une surface plane sur laquelle était répartie de la poudre de diamant. On a soumis l'échantillon à des pressions d'environ 65 kbar à des températures d'environ 1500 à 1600°C pendant 10 min. Il apparaissait une croissance très rapide du diamant qui remplissait pratiquement complètement la cavité avec une masse polycristalline de diamant dans un appareil classique à haute pression/haute température. On estimait la teneur du diamant supérieure à environ 90% en volume. L'examen de la microstructure, comme le montrent les fig. 1 et 2, illustre la teneur élevée en diamant et la structure relativement uniforme. En meulant et polissant l'échantillon pour l'analyse de la structure, on a trouvé qu'il résistait extrêmement bien à l'abrasion par les abrasifs à base de diamant utilisés.
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Claims (9)
1. Procédé de fabrication d'un comprimé de diamant composite ayant une masse de diamant polycristalline intérieure entourée par une masse métallique extérieure et liée à celle-ci, ce procédé consistant à a) placer dans une enceinte un échantillon comprenant une masse formée creuse de métal contenant un catalyseur de formation du diamant et une masse de carbone non sous forme de diamant à l'intérieur de la masse de métal mise en forme et en contact avec celle-ci, b) soumettre l'échantillon à des conditions de pression et de température dans la région de stabilité du diamant et au-dessus du point de fusion du catalyseur, c) réduire la température et la pression de l'échantillon, et d) récupérer le comprimé de diamant composite résultant, procédé caractérisé en ce qu'on dispose des cristaux de germes de diamant ayant une dimension de 0,1 à 500 |i. à l'interface entre la masse extérieure de métal et la masse intérieure de carbone non sous forme de diamant dans l'étape a.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la masse intérieure se trouve sous la forme d'un cylindre droit et la masse métallique extérieure sous la forme d'une coupelle.
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REVENDICATIONS
3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le carbone non sous forme de diamant est du graphite.
4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la masse de métal extérieure est faite d'un matériau choisi dans le groupe comprenant du carbure lié par du métal choisi parmi le groupe comprenant le carbure de tungstène, le carbure de titane et le carbure de tantale lié avec un matériau choisi parmi le cobalt, le nickel et le fer; un cermet de carbure de chrome lié par du nickel; un acier allié contenant du chrome, du nickel et du cobalt; un alliage à base de nickel; un alliage de cobalt et un acier allié contenant au moins 10% d'éléments formant des carbures choisis parmi le chrome, le titane, le zirconium, le vanadium, le tungstène et le silicium.
5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la pression dans l'étape b va de 55 à 80 kbar et la température de 1300 à 1800°C, et en ce que les cristaux de germes de diamant ont une plus grande dimension allant de 1 à 50 p..
6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que les conditions de l'étape b sont obtenues par chauffage direct de la cellule de réaction.
7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le cylindre creux a un coefficient de dilatation thermique légèrement supérieur à celui du diamant afin de placer la masse intérieure en compression radiale.
8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la masse de métal en forme de coupelle est faite d'un matériau ayant une résistance à la compression de 2,8 à 5 x 106 kPa et un module d'élasticité allant de 2,1 à 6,6 x 10e kPa choisi dans le groupe comprenant l'acier, les alliages d'acier et les carbures cémentés.
9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la masse de métal en forme de coupelle a une teneur en carbure stable d'au moins 10% en poids.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PL | Patent ceased |