CH647740A5 - Procede d'obtention de nitrure de bore cubique, produit et utilisation du produit. - Google Patents

Procede d'obtention de nitrure de bore cubique, produit et utilisation du produit. Download PDF

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CH647740A5
CH647740A5 CH4456/80A CH445680A CH647740A5 CH 647740 A5 CH647740 A5 CH 647740A5 CH 4456/80 A CH4456/80 A CH 4456/80A CH 445680 A CH445680 A CH 445680A CH 647740 A5 CH647740 A5 CH 647740A5
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Description

La présente invention concerne un procédé de fabrication de nitrure de bore cubique, ce produit et son utilisation. Le procédé comprend un procédé de prétraitement pour la poudre de nitrure de bore hexagonal et des variantes dans l'assemblage de la zone de réaction de l'appareil à haute pression - haute température connu dans la technique et décrit par exemple dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N° 2947617.
Le procédé de fabrication de nitrure de bore cubique à partir de poudre de nitrure de bore hexagonal est caractérisé selon l'invention par la combinaison des étapes de procédé indiquées à la revendication 1. Des modes de mise en œuvre avantageux du procédé résultent des revendications 2 à 7. Le produit obtenu et son utilisation sont indiqués aux revendications 8, 9 et 10.
On définit la température de reconversion comme la température à laquelle le nitrure de bore se reconvertit à partir de la structure cristalline cubique en structure hexagonale. On trouve cette température sur la ligne d'équilibre séparant la région stable du nitrure de bore hexagonal de la région stable du nitrure de bore cubique dans le diagramme de phase du nitrure de bore (voir le brevet des Etats-Unis d'Amérique N° 3212852, fig. 6 et colonne 8, ligne 66, à colonne 9, ligne 42).
Un temps recommandé pour l'étape de conversion hexagonale/ cubique est de 2 à 60 min, 3 à 10 min étant particulièrement recommandé.
Le terme poudre désigne des particules communément considérées comme granulaires aussi bien que celles considérées comme poudre.
Tout procédé (par exemple chauffage en atmosphère inerte) qui élimine l'oxyde de la surface du matériau brut est satisfaisant comme procédé de prétraitement.
Après prétraitement, on charge le nitrure de bore hexagonal dans une cellule à haute pression appropriée et on place la cellule chargée dans un appareil à haute pression - haute température. Tout d'abord la pression et ensuite la température sont accrues et maintenues aux conditions voulues pendant le temps suffisant pour la conversion en nitrure de bore cubique et pour le frittage. On laisse alors l'échantillon se refroidir sous pression pendant une courte période, et finalement on diminue la pression jusqu'à la pression atmosphérique, et on récupère la masse de nitrure de bore cubique polycristallin. On doit veiller attentivement à la conception de la cellule à haute pression pour éviter la pénétration dans l'échantillon d'impuretés provenant de parties extérieures de la cellule pendant le procédé à haute pression. On a identifié deux formes de nitrure de bore hexagonal, le nitrure de bore turbostratique et hexagonal idéal ou nitrure de bore graphitique (NBG) et le nitrure de bore pyrolytique (NBP).
On désignera le nitrure de bore cubique (NBC) obtenu à partir de NBP par NBC-P et le nitrure de bore cubique obtenu à partir de NBG par NBC-G.
La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent, respectivement:
les fig. 1 à 4, en coupe, diverses configurations pour des assemblages de zones de réaction (ou cellules) destinées à être utilisées dans des appareils haute pression - haute température tels que ceux décrits dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique Nos 2947611, 2941241 et 2941248, et la fig.5, une photomicrographie (grossissement x 50) montrant des particules abrasives de nitrure de bore cubique agglomérées typiques d'une réalisation recommandée de la présente invention.
On peut préparer la poudre de NBP en broyant des morceaux de pièces de NBP. La poudre broyée se compose de particules semblables à des plaquettes de rapport de forme élevée qui peuvent être soit tamisées à une taille de particule donnée pour conversion ultérieure ou converties à l'état non tamisé.
De préférence, le procédé de prétraitement consiste à chauffer ou cuire sous vide la poudre de NBH pour en éliminer des impuretés volatiles, en particulier les impuretés superficielles du type oxyde (oxyde de bore). La cuisson sous vide de la poudre de NBH s'effectue dans le domaine de températures de décomposition thermique de
NBH où, en plus du dégazage de l'oxyde superficiel, un mince revêtement de bore libre est engendré (à partir de la décomposition) sur les surfaces des particules de poudre exemptes d'oxyde.
La quantité de bore libre superficiel développé dépendra du vide, de la température, du temps et de la taille des particules. L'article de Dreger, L.H. et al., intitulé «Sublimation and décomposition studies on Boron Nitride and Aluminium Nitride», in « J. Phys. Chem., BG» (1962), p. 1556, donne la pression de décomposition de l'azote pour le nitrure de bore en fonction de la température et sert de guide pour les conditions nécessaires à la décomposition thermique. A une pression initiale 133 x 10-3 à 10-10 Pa, des températures de l'ordre de 1400 à 1900°C et au-dessus permettraient une décomposition thermique suffisante en un temps raisonnable (5 min à 4 h). Dans ces domaines, l'oxyde B203 superficiel serait dégazé et des quantités croissantes de bore libre superficiel seraient engendrées avec une température de cuisson ou un temps de cuisson croissant. Bien évidemment, la température est liée au temps, le traitement à des températures plus élevées prenant moins de temps qu'à des températures plus basses.
La quantité relative de bore libre développée peut être déduite visuellement à partir du changement de couleur de la poudre cuite sous vide. Aux températures de cuisson inférieures (1500 à 1650°C) où seulement une légère quantité de bore superficiel est engendrée, la poudre cuite sous vide a une teinte brun rougeâtre légère. L'intensité de la couleur s'accroît avec l'accroissement de la température de cuisson ou du temps de cuisson jusqu'à ce que, aux températures de cuisson plus élevées (1800 à 1900°C), les particules soient couvertes avec un revêtement superficiel de bore noir.
On a trouvé que le type de matériau converti obtenu à partir de NBP était fortement influencé par la quantité de bore libre engendré pendant le procédé de cuisson sous vide. Avec seulement une légère quantité de bore libre, de nombreuses interfaces de particules pourraient être encore distinguées dans le matériau converti et, après broyage, on obtient beaucoup de particules jaune-brun translucides semblables au type de particules obtenues par broyage de comprimés de NBP, eux-mêmes obtenus par le procédé de la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique N° 812283. La conversion de poudre de NBP cuite à haute température (bore libre en excès) fournit une masse noire complètement fondue, dans laquelle on ne peut distinguer aucune interface de particules et les particules broyées sont noir opaque. La performance de meulage est aussi notablement influencée par la quantité de bore libre de la poudre cuite sous vide.
Il semble que la cuisson sous vide rende passive la poudre vis-à-vis de la réoxydation lors d'une réexposition à l'atmosphère. On a émis la théorie que la couche superficielle de bore engendrée pendant la cuisson sous vide catalyse le procédé de conversion de NBH en NBC. Cette couche est nécessaire dans le cas du nitrure de bore hexagonal graphitique (NBG).
Lors de la mise en œuvre du prétraitement, on place une quantité de poudre de NBH dans un récipient non réactif (carbone, feuille de graphite, tantale, etc.), dans un four sous vide, et on chauffe sous vide pendant un temps suffisant pour vaporiser l'oxyde superficiel et former un mince revêtement de bore libre par décomposition thermique des particules de poudre. La dimension maximale des particules est habituellement d'environ 0,1 à 10 |xm pour NBG et de valeur inférieure à 1 (im à environ 3,3 mm pour NBP. Après l'étape de prétraitement par cuisson sous vide, on laisse refroidir l'échantillon sous vide, on l'enlève du four à vide, et on le chasse dans un assemblage de zones de réaction qui est placé dans un appareil à haute pression - haute température (désigné ci-après par appareil HP/HT). On accroît tout d'abord la pression et ensuite la température et on maintient aux conditions voulues pendant un temps suffisant pour que la conversion et le frittage aient lieu. On laisse alors refroidir l'échantillon sous pression pendant une courte période, et finalement on abaisse la pression à la pression atmosphérique et on récupère la masse de NBC polycristallin.
On a obtenu expérimentalement la conversion en masse polycris-
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talline noire, avec des poudres de NBH de qualité commerciale cuite sous vide, à des pressions de 55-70 kbar et des températures allant de 1800 à 2300° C.
Les assemblages de zone de réaction ou cellules des fig. 1 à 4 se composent d'un tube de carbone 1 (ou 8 pour les fig. 2 à 4) disposé à l'intérieur (ou à l'extérieur pour les fig. 2 à 4) d'un manchon cylindrique et concentrique 7 (9 pour les fig. 2 à 4). Le manchon cylindrique a pour but d'empêcher la pénétration d'impuretés à partir des pièces extérieures de la cellule dans l'échantillon pendant le procédé à haute pression - haute température. Le métal de protection dans lequel est fait le manchon est un métal réfractaire qui peut être choisi dans le groupe comprenant le zirconium, le titane, le tantale, le tungstène et le molybdène.
A l'intérieur du cylindre, et limité par le tube de carbone et le manchon métallique, sont disposés l'échantillon de NBH 4 destiné à être soumis aux pressions et températures élevées (à l'intérieur de la cavité centrale) et les autres composants de la cellule. L'échantillon est protégé au-dessus et en dessous par des disques de protection 12 faits d'un métal réfractaire qui peut être choisi dans le groupe mentionné précédemment. Des bouchons de carbone 3 sont disposés entre chaque extrémité de l'échantillon et les disques métalliques de protection en tant que charge. Les extrémités opposées des assemblages de zone de réaction sont emboîtées avec des bouchons pour la transmission de pression à l'échantillon. Les bouchons sont faits d'un matériau réfractaire qui est un isolant thermique (par exemple de la lave). Sur la fig. 1, chacun de ces bouchons est constitué d'un premier bouchon en nitrure de bore comprimé à chaud 5, adjacent aux disques métalliques de protection, d'un bouchon de carbone 6 disposé entre le premier bouchon de nitrure de bore comprimé à chaud et le second bouchon de nitrure de bore comprimé à chaud 13. Sur la fig. 2, les bouchons d'extrémité 10 sont constitués de nitrure de bore comprimé à chaud.
En variante, on dispose un enroulement de feuille métallique 11, réalisé à partir d'un métal réfractaire choisi dans le même groupe que celui utilisé pour le disque et le manchon métallique, autour des bouchons d'extrémité en nitrure de bore comprimé à chaud. L'enroulement est serti sur l'extrémité intérieure de ces bouchons, permettant la dilatation radiale de l'enroulement pendant la compression afin de remplir tout intervalle entre les disques métalliques et le manchon de protection. Sur la fig. 4, l'enroulement 12 couvre seulement une partie du bouchon d'extrémité (plutôt qu'il ne couvre complètement, comme sur la fig. 3). Le bouchon d'extrémité de la fig. 4 est constitué d'un premier bouchon de nitrure de bore comprimé à chaud 14, autour duquel est enroulée et sertie la feuille, et d'un second bouchon de nitrure de bore comprimé à chaud 15, qui remplit l'espace entre le premier bouchon et l'extrémité de la cellule.
Classiquement, du nitrure de bore comprimé à chaud disponible dans le commerce se compose de poudre de nitrure de bore mélangée avec un liant d'oxyde borique (3 à 4%) qui est comprimée à chaud à une forme commode (par exemple une tige) à des températures dépassant 2000° C et à des pressions d'environ 6895 Pa en présence d'oxygène. Il est disponible commercialement sous les marques comme Grade HBN auprès de l'Union Carbide Corporation.
On peut mélanger du graphite avec l'échantillon de NBH pour empêcher la fusion des particules.
Fait également partie de la réalisation recommandée le fait de précomprimer les échantillons de NBH (qui peuvent être duveteux) dans le manchon métallique de protection. Cette précompression s'effectue dans une presse à main, une pression convenable étant d'environ 137900 Pa.
Les conditions recommandées pour le procédé à haute température - haute pression sont de 65 à 75 kbar, 2000 à 2300°C et 8 min de temps de compression.
On peut récupérer le nitrure de bore cubique de la matrice de l'assemblage de la zone de réaction après mise en œuvre du procédé à haute pression - haute température, en rompant les extrémités de la cellule comprenant les bouchons d'extrémité; en mélangeant le matériau restant avec un mélange d'acides sulfurique et nitrique (par exemple un rapport en volume 90:10 d'acides sulfurique et nitrique); en lavant les solides non dissous dans l'eau; en mélangeant les solides avec un mélange d'acides nitrique et fluorhydrique (rapport en volume d'environ 50:50 à 90:10 NH03:HF) pour dissoudre le métal en protection restant, le carbone et le matériau de joint; en opérant un lavage final des pièces solides de NBC.
On obtient des grains de NBC en broyant les pièces récupérées en NBC. On peut également former ces grains par des opérations de réduction de taille effectuées sur des comprimés selon la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique N° 812283.
Des essais de meules en abrasif du type NBC-P ont montré une performance améliorée par comparaison à l'abrasif NBC du type à croissance catalytique couramment utilisé dans les applications de meulage. La différence dans les performances est, on le pense, principalement due aux différences de structures internes entre les particules de NBC-P et les particules d'abrasif dont la croissance a eu lieu en présence d'un catalyseur. Les particules d'abrasif dont la croissance a eu lieu en présence d'un catalyseur sont des monocristaux qui contiennent des plans de clivage relativement faibles. Le matériau NBC-P a une structure hautement défectueuse et, par conséquent, beaucoup de plans de clivage; dans cette structure, la propagation des ruptures est retardée par des défauts structuraux, ce qui se traduit par des particules plus fortes et plus tenaces.
On peut également lier la différence de performances aux différences de morphologie entre les particules de NBC-P et lesparticules dont la croissance s'est effectuée en présence de catalyseur. Les particules dont la croissance s'est effectuée en présence de catalyseur ont des surfaces lisses planes régulières dépendant des conditions de croissance du monocristal, tandis que les particules de NBC-P peuvent avoir à la fois une morphologie macro- et micro-irrégulière dépendant des conditions de traitement et du procédé de broyage.
Dans la mise en œuvre du procédé de conversion HP/HT pour la préparation de particules abrasives de NBC-P, on a trouvé que la microstructure du matériau NBC-P varie selon les conditions du procédé HP/HT. Le NBC-P fait aux températures de traitement inférieures a une structure fortement défectueuse (cristallites de petite taille). Avec des températures de traitement croissantes, la cristalli-nité augmente jusqu'à ce que, à la température la plus élevée, des cristallites individuelles de 10 n ou plus puissent être observées.
Pour mettre en évidence les effets de la structure interne du réseau sur la performance, on a choisi deux types de particules abrasives de NBC-P:
a) un matériau ayant la structure fortement défectueuse à cristallites de petite taille préparé à faible température désigné par SCS, et b) un matériau ayant de grands cristallites réalisé à des températures élevées et désigné par LCS.
La température de traitement à laquelle on peut préparer le matériau SCS par les opérations de conversion HP/HT décrites précédemment est comprise entre 2000 et 2100°C environ. On obtient le matériau LCS à des températures allant d'environ au-dessus de 2100° C jusqu'à la température de reconversion.
Dans les essais à haute pression - haute température expérimentaux, on a déterminé la température maximale à partir d'essais d'étalonnage puissance/température effectués auparavant avec une cellule du type de celle de la fig. 1. On a trouvé dans les essais d'étalonnage de température qu'il faut environ 3 à 4 min pour qu'une cellule atteigne la température maximale. Par conséquent, le temps à la température maximale sera d'environ 3 à 4 min inférieur au temps de chauffage indiqué.
Exemple 1:
On a préparé en tant que témoin une meule liée par résine en coupe évasée 11V-9 ayant un diamètre de 95,25 mm, une épaisseur de 3,18 mm et contenant 18,75% en volume de particules abrasives de NBC du commerce (Borazon type II, marque de la General Electric Company). On a préparé quatre meules similaires contenant des
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particules abrasives de NBC-P obtenues par broyage par percussion de disques comprimés de NBC-P (de diamètre d'environ 13 mm et d'épaisseur d'environ 1,3 à 2 mm). On a préparé les disques par conversion directe à haute pression - haute température de plaques de NBP à 65 à 70 kbar, 1900 à 2500°C pendant 3 à 10 min. Avant le s broyage par percussion, on a sablé les comprimés de NBC-P pour enlever tout matériau adhérant à la surface du comprimé. Après broyage par percussion, on a tamisé la poudre obtenue.
Afin de mettre en évidence l'effet de la structure interne du réseau, on a choisi deux types de particules abrasives de NBC-P, une io ayant une structure à cristallites de petite taille préparée à basse température (SCS) et l'autre ayant de grandes cristallites préparée à haute température (LSC).
Tous ces abrasifs ont été revêtus de nickel, avec environ 60% en poids de nickel. Le procédé d'application du revêtement de nickel sur des particules de nitrure de bore cubique est bien connu dans la technique (voir le brevet britannique N° 1278184).
On a adapté les meules à une machine Cincinnati Milacron N° 2 modifiée pour un fonctionnement automatique et on a testé, en meulant à sec, une pièce simulant un acier pour outil M2 (dureté Rockwell C 60-62). On a fait fonctionner la machine à une vitesse de meule de 120 m/min à une vitesse de table de 2,62 m/min et à des avances de 0,051 et 0,076 mm. On a pris des mesures pour déterminer le rapport de meulage et la finition de surface pour chaque jeu de conditions. Les résultats des mesures prises sont indiqués dans le tableau 1.
Tableau 1 Résultats des essais
Cristal
Avance 0,050 mm
Avance 0,076 mm
Meule
Désignation
Granulométrie
Rapport de meulage
Finition de surface (AA)
Rapport de meulage
Finition de surface (AA)
12866 12838
12834 12837
12835
Témoin NBC-P SCS NBC-P LCS NBC-P SCS NBC-P LCS
250/180 250/180 250/180 180/120 180/120
148 259 140 354 108
60 40 55 50 65
45 90 49 72 32
70 60 65 67 80
Le matériau à petites cristallites se comporte mieux dans chaque 30 cas.
Exemple II:
Afin de mettre en évidence les effets de la forme des particules sur la performance de meulage, on a séparé en fractions de particu- 35 les à prédominance en forme de bloc (faible rapport de forme) et à prédominance plate (rapport de forme élevé) (partage de forme 50:50) une quantité de NBC-P à cristallites de petite taille, qui avaient été préparées à partir de poudre de NBC-P ci-dessus, selon les procédés indiqués à l'exemple I (150:125 um). La séparation de 40 formes était faite sur une machine de triage de formes. Des machines de ce genre sont bien connues dans la technique, mais on pourra en trouver une description dans Dyer, H.B., «EMB Natural Diamonds», in «Industriai Diamond Review», août 1964, p. 192.
Les résultats des essais effectués sur diverses pièces, sur l'équipe- « ment et dans les conditions indiquées dans l'exemple I, sont donnés dans le tableau 3.
La fraction bloc se comporte mieux que la fraction plate dans chaque cas et est meilleure que le témoin dans tous les cas sauf un.
Exemple III:
On a produit une certaine quantité de poudre de NBP par broyage de pièces de grande taille en matériau de NBP. Le NBP consistait en morceaux de pièces de NBP façonnées telles que des creusets et des plats. La poudre broyée consistait principalement en particules analogues à des plaquettes à rapport de forme élevée allant de 1,40 mm jusqu'à la taille de poussières.
Afin de nettoyer la poudre de NBP de l'oxyde superficiel avant la conversion en NBC-P, la poudre de NBP broyée est chauffée sous vide à diverses températures. On a effectué divers essais de cuisson sous vide sur la poudre de NBP contenue dans des nacelles de tantale. Après avoir placé les échantillons dans le four à vide et mis le système sous un vide de 133 x 10~5 à 10-6 Pa, on a chauffé les échantillons à la température voulue pendant le temps voulu et on a laissé refroidir sous vide. On a réalisé un total de 9 essais de cuisson sous vide contenant de 5 à 41 g de poudre à des températures de cuisson allant de 1750 à 1860°C pendant des temps de 60 à 80 min. Après cuisson sous vide, la poudre initiale blanche de NPB était recouverte d'une couche noire de bore élémentaire.
Tableau 2
Pièce
Composition (% en poids)
Dureté (Rockwell C)
C
Mn
Si
Cr
V
W
Mo
Co
H 11 Acier pour outil
0,30
0,20
0,80
4,75
0,30
1,25
53
de travail à chaud
0,40
0,40
1,20
5,50
0,50
1,75
55
M 2 Acier pour outil
0,78
0,20
0,20
3,75
1,60
5,50
4,50
à coupe rapide,
0,88
0,40
0,40
4,50
2,20
6,75
5,50
base molybdène
T 15 Acier pour outil
1,50
0,20
0,20
4,50
4,75
12,00
4,75
60
à coupe rapide
1,60
0,40
0,40
5,00
5,25
13,00
5,25
62
base tungstène
On a utilisé une partie de la poudre cuite sous vide ci-dessus telle qu'elle est pour la conversion HP/HT en NBC en utilisant les cellules haute pression de la fig. 1. On a chargé les échantillons dans les cellules et on a effectué l'essai dans un appareil HP/HT à 65-70 kbar
«5 et à environ 2000° C pendant un temps total de chauffage de 10 min. Les masses de NBC polycristallin résultantes obtenues étaient physiquement enlevées de la cellule haute pression, traitées avec de l'acide (environ 10% HN03/90% H2S04) pour éliminer tout carbone
647 740 6
Tableau 3 Résultats des essais
Avance 0,050 mm
Avance 0,076 mm
Pièce
Nuance d'acier
Désignation du cristal
Rapport de meulage
Rapport de meulage relatif
Finition (AA)
Rapport de meulage
Rapport de meulage relatif
Finition (AA)
H-11 H-11 H-11 M-2 M-2 M-2 T-15 T-15 T-15
Témoin
NBC-P-BL
NBC-P-FL
Témoin
NBC-P-BL
NBC-P-FL
Témoin
NBC-P-BL
NBC-P-FL
475 145 95 140 440 330 36 148 140
1,0 0,3 0,2
1.0 3,2
2.1
1.0
4.1 3,9
55-60 80-85
45-60 30-40 55-65 25-41 35-41 28-44
40 49 33
1,0 1,2 0,8
57-67 70-75 25-32
BL = fraction bloc FL = fraction plate adhérent, et broyées par percussion jusqu'à la forme de poudre. On a séparé la fraction 250/180 |im par tamisage, on a nettoyé dans un bain d'eau au moyen d'ultrasons et on a séché à l'air pour des essais de meule, échantillon X-7A.
On a traité une seconde partie de NBP cuite sous vide ci-dessus avec de l'acide nitrique pour enlever le bore engendré pendant la cuisson sous vide avant la conversion HP/HT. Les masses de NBC polycristallin résultantes (X-7B) ont été traitées comme ci-dessus pour des essais de meule.
Le matériau X-7C a été obtenu en utilisant de la poudre de NBP cuite sous vide à 1580-1615°C pendant 60 à 90 min en utilisant la même conversion HP/HT et un traitement de postconversion comme décrit ci-dessus.
Exemple IV:
Les fractions 250/180 |im des particules abrasives de l'exemple III ont été testées dans des meules du type coupe de manière similaire aux exemples I et II. Un témoin semblable à celui de l'exemple I et un échantillon 250/180 |im de poudre de NBC-P non mise en forme (préparée par broyage de plaquettes de NBP converties à haute pression - haute température) désigné par NBC-P-SU a été également testé, pour des raisons de comparaison. Les résultats apparaissent dans le tableau 4. Celui-ci montre l'effet de la couche de bore et prouve qu'une légère couche est recommandée.
Tableau 4 Résultats des essais
Pièce
Désignation du cristal
Avance 0,050 mm Rapport de meulage
Rapport de meulage relatif
M-2
Témoin
209
1,0
M-2
NBC-P-SU
388
1,8
M-2
X-7A
221
1,1
M-2
X-7B
378
1,8
M-2
X-7C
456
2,2
T-15
Témoin
75
1,0
T-15
NBC-P-SU
160
2,2
T-15
X-7A
110
1,5
T-15
X-7B
200
2,6
T-15
X-7C
240
3,2
L'examen des meules utilisant des particules abrasives NBC-G, fabriquées à partir de NBG selon les étapes données dans le préambule, a indiqué qu'une expulsion apparaissait tôt dans la vie du po-lycrystal et que les grains apparaissaient émoussés par l'usure par friction, ce qui expliquerait l'expulsion précoce. Ces observations concordent avec la nature des particules abrasives polycristallines. Les polycristaux sont formés par la conversion et la fusion de particules de NBH de la taille de lu. L'usure de polycristal par microcli-25 vage aux interfaces des particules de taille du micron conduit à un arrondissement des points de coupe aigus initiaux, la force sur le polycristal devenant suffisante pour expulser la particule de la liaison avant qu'une macrofracture de régénération de point aigu de la particule n'apparaisse.
30 Par conséquent, le mode recommandé de l'invention, lorsque NBG est le matériau brut, comprend en outre la modification suivante. Entre les étapes A et B, la poudre de NBG cuite sous vide est mélangée avec une quantité de particules de NBC monocristallines, ayant une dimension maximale allant de 50 à 150 |im (de préférence 35 12 à 50 um), en une concentration de 5 à 30% en volume de NBC monocristallin dont la croissance s'est effectuée en présence de catalyseur (de préférence 10 à 15% en volume). On convertit alors le mélange résultant selon l'étape B conduisant à une masse de NBC agglomérée composée de particules de NBC monocristallines noyées 40 dans une matrice de NBC polycristalline riche en bore.
Le but de cette modification est d'incorporer des particules de NBC monocristallines dans les polycristaux afin d'altérer avantageusement les caractéristiques de rupture des polycristaux de manière à améliorer leurs performances de meulage.
45 Le brevet des Etats-Unis d'Amérique N° 3852078 décrit des corps de NBC liés, dans lequel NBH est mélangé avec NBC avant le traitement HP/HT, mais aucun prétraitement de NBH n'est nécessaire.
50 Exemple V:
Production de grains de NBC-G agglomérés
La poudre de NBG utilisée dans ces expériences était de la poudre Carborundum Company, qualité HPF. On l'a cuite sous 55 vide à 1760-1770°C pendant 55 min. La pression, initialement de 133 x 10~6 à 10~5 Pa, a été augmentée jusqu'au-dessus de 133 x 10-3 Pa pendant le chauffage dû au dégagement d'azote résultant de la décomposition thermique superficielle de la poudre de NBH. Après cuisson sous vide, la poudre initialement blanche a un 60 aspect gris dû au revêtement superficiel de bore libre.
On a mélangé alors la poudre cuite sous vide avec l'additif de NBC monocristallin. On a effectué une série de conversions haute pression - haute température sur divers mélanges en utilisant la cellule haute pression de la fig. 2 ayant des disques de feuilles de 65 tantale 2 et un tube de titane 9. Des échantillons ont été comprimés dans le tube de titane à 137,9 kPa et traités dans un appareil à haute pression à environ 65-75 kbar pendant 8 min à une température suffisante pour la conversion et la fusion de la poudre cuite sous vide.
7
647 740
Les masses composites résultantes étaient noir opaque avec des par percussion en une poudre, que l'on a tamisée, nettoyée dans un particules de NBC monocristallines visibles et fermement noyées bain d'eau par ultrasons et séchée à l'air. Le tableau 5 rassemble dans la matrice de NBC polycristalline.'De gros blocs ont été broyés trois essais types.
Tableau 5
Abrasifs agglomérés
Désignation
Dimension agrégats (|im)
Dimension monocristaux (um)
Concentration monocristaux (%)
Nombre moyen de monocristaux/grain
X-7D2 X-7D1 X-7D3
250/180 250/180 250/180
110/90 75/62 53/45
30 20 30
3,2 6,4 26
Exemple VI:
Essais de meulage de NBC-G
On a soumis à un essai de meulage à sec d'acier pour outil M-2 la fraction 250-180 |im des essais de compression de l'exemple V. En tant que témoin, on a testé dans les mêmes conditions du NBC dont la croissance s'était effectuée en présence de catalyseurs monocristallins de même granulométrie (obtenue en tant que Borazon type II, une marque de la General Electric Company).
On a fabriqué deux meules de chacun des quatre types d'abrasifs; toutes les meules étaient des meules liées par résine de type tasse évasée 11V9 de 9,5 mm classiques (voir les brevets des Etats-Unis d'Amérique Nos 3645706 et 3518068) contenant le NBC 250/180 fim à une concentration de 18,75% en volume dans un liant de résine classique. Les essais de meulage à sec ont été effectués dans les conditions suivantes.
Tableau 6
Condition N° 1
Condition N° 2
Vitesse de meule (m/s)
20
20
Vitesse de table (m/s)
2,44
2,44
Matériau (8 pièces) (6,4 x 203 mm2)
M-2
M-2
Avance (mm)
0,050
0,076
Taux d'enlèvement du matériau
(cm3-min-1)
0,79
1,18
Avance 0,050 mm
Avance 0,076 mm
Rapport de
Rapport de
Rapport de
Rapport de
Abrasif meulage meulage meulage meulage
moyen relatif moyen relatif
Témoin
170
1,0
64
1,0
X-7D1
205
1,2
90
1,4
X-7D2
195
1,2
76
1,2
X-7D3
255
1,5
110
1,7
Les rapports de meulage (rapport du volume de la pièce enlevée au volume d'usure de la meule) obtenus pour chaque condition sont indiqués dans le tableau 7 pour chaque type d'abrasif.
Tableau 7
même que l'addition de NBC monocristallin, c'est-à-dire altérer les caractéristiques de rupture des polycristaux et/ou améliorer la rétention des polycristaux dans les meules.
20 Pour cette modification, entre les étapes A et B, la poudre de NBG cuite sous vide est mélangée avec une certaine quantité d'une poudre de métal réfractaire choisie. Le mélange résultant est ensuite converti selon l'étape B, conduisant à une masse agglomérée constituée de particules de poudre de métal réfractaire fermement noyée 25 dans une matrice de NBC polycristallin riche en bore.
Les métaux réfractaires utilisés ne doivent pas interférer avec la conversion de NBG ou le frittage de la matrice de NBC polycristallin. Les exemples de matériaux convenables sont le tantale, le molybdène et le tungstène. Les propriétés de l'agrégat seront influencées 30 par la taille des particules et la concentration des inclusions.
En outre, une géométrie superficielle fortement irrégulière peut être obtenue en lixiviant les inclusions métalliques du produit pour obtenir des particules ayant de grandes vacuoles et indentations superficielles. Le nombre et la taille de ces vacuoles et indentations 35 seront déterminés par la taille et la concentration des inclusions métalliques. Cette étape de lixiviation peut s'effectuer après broyage des masses de NBC récupérées avec un réactif approprié (par exemple HN03/H2S04 pour le molybdène et HNO3/HF pour le tantale).
40 Exemple VII:
On a cuit sous vide dans un certain nombre d'essais séparés à 1760-1770°C pendant 5 min une quantité de poudre NBG obtenue auprès de Carborundum Company, qualité HPF. Après cuisson, la poudre initialement blanche avait un aspect gris dû au revêtement 45 superficiel de bore libre.
La poudre cuite sous vide a été alors mélangée avec diverses poudres de métal réfractaire indiquées ci-dessous.
Tableau 8
On a examiné visuellement toutes les meules avec un microscope optique (jusqu'à 80 x ) après l'essai. Les hauteurs des abrasifs expérimentaux étaient nettement plus grandes que celle du témoin. De plus, on n'a observé aucun développement d'aplanissement par usure des abrasifs expérimentaux.
Un autre mode recommandé de la présente invention, lorsque NBC-G est le matériau de départ, comprend l'incorporation d'inclusions de métal réfractaire dans la masse de NBG polycristallin pendant le traitement HP/HT. Le but de cette modification est le
Métal réfractaire
Molybdène
Tungstène Tantale
Granulométrie (um)
106/45
150/75 106/45
Concentration (% en poids) (% en volume)
20 30 40 65 80 60 75
8,2
12.8
18.5 25,1
41.9 23,9
38.6
On a effectué une série d'expériences de conversion HP/HT sur des échantillons des mélanges ci-dessus en utilisant les cellules haute pression représentées aux fig. 1 et 2. Avec la cellule de la fig. 1, on a chargé les échantillons dans la cellule et on a fait fonctionner l'appa-65 reil à haute pression à environ 65-70 kbar pendant 8 min à une température suffisante pour la conversion et la fusion de la poudre cuite sous vide. Dans la cellule de la fig. 2, on a précomprimé des échantillons dans le tube de titane à environ 138 kPa avant la conversion
647 740
8
HP/HT. Les masses composites résultantes étaient opaques, avec des inclusions métalliques nettement visibles sous forme d'îlots discrets dans la matrice de NBC polycristallin.
On a préparé des quantités suffisantes de matériau à 12,8% en volume de molybdène et 23,9% en volume de tantale, et on les a broyées par percussion sous forme de poudre et tamisées pour obtenir des particules abrasives pour l'évaluation de meules. Après broyage et tamisage, on a éliminé les inclusions métalliques par traitement acide (HN03/H2S04 pour le molybdène et HN03/HF pour les inclusions de tantale) à partir des fractions granulométriques choisies pour les essais comme indiqué dans le tableau 9. La poudre était revêtue de nickel.
La fig. 5 est une photomicrographie du matériau du type tantale lixivié à l'acide.
A partir des résultats obtenus avec des mélanges de NBG cuits sous vide avec soit du NBC monocristallin, soit des métaux réfrac-taires, on pense que d'autres matériaux en poudre qui n'interfèrent pas avec la conversion et le frittage de NBC peuvent être utilisés pour obtenir des masses de NBC abrasives agglomérées ayant des caractéristiques de rupture améliorées. Les exemples de matériau que l'on a trouvé comme n'interférant pas avec la conversion ou le frittage sont le carbure de tungstène, le carbure de titane, le carbure de bore et le carbure de silicium. Les exemples de matériaux qui sont appropriés pour ces mélanges sont le manganèse, le borure de man-5 ganèse et le nickel.
Tableau 9 Echantillons pour essai de meules
Désignation échantillon
Granulo-mêtrie (|tm)
Type (% en volume)
Métal
Niveau de revêtement en poids
X-7DM
420/250
12,8
Mo
23,9
X-7DM
420/250
12,8
Mo
38,9
X-7DM
420/250
12,8
Mo
59,5
X-7DM
250/180
12,8
Mo
59,8
X-7DT
420/250
23,9
Ta
60,1
X-7DT
420/180
23,9
Ta
59,4
20
R
2 feuilles dessins

Claims (10)

  1. 647740
    2
    REVENDICATIONS
    1. Procédé de fabrication de nitrure de bore cubique à partir de poudre de nitrure de bore hexagonal, qui consiste à soumettre du nitrure de bore hexagonal à un procédé à haute pression - haute température:
    i) à une pression de 55 à 80 kbar,
    ii) à une température de 1600°C jusqu'à la température de reconversion,
    iii) pendant un temps suffisant pour convertir le nitrure de bore hexagonal en nitrure de bore cubique et fritter le nitrure de bore cubique, et iv) en l'absence des impuretés qui interfèrent avec la conversion en nitrure de bore cubique ou avec le frittage du nitrure de bore cubique,
    procédé caractérisé en ce qu'il comprend une étape de prétraitement consistant à éliminer l'oxyde borique de la surface de la poudre de nitrure de bore hexagonal avant la conversion en nitrure de bore cubique.
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de prétraitement s'effectue par un procédé choisi parmi la cuisson sous vide et le chauffage sous atmosphère inerte.
  3. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou. 2, caractérisé en ce que l'étape de prétraitement s'effectue à une température se trouvant dans le domaine de décomposition thermique du nitrure de bore hexagonal, et en ce qu'un revêtement de bore est engendré sur les surfaces du nitrure de bore hexagonal exempt d'oxyde.
  4. 4. Procédé de fabrication de nitrure de bore cubique à partir de poudre de nitrure de bore hexagonal, qui consiste à soumettre du nitrure de bore hexagonal à un procédé à haute pression - haute température:
    i) à une pression de 55 à 80 kbar,
    ii) à une température de 1600° C jusqu'à la température de reconversion,
    iii) pendant un temps suffisant pour convertir le nitrure de bore hexagonal en nitrure de bore cubique et fritter le nitrure de bore cubique, et iv) en l'absence des impuretés qui interfèrent avec la conversion en nitrure de bore cubique ou avec le frittage du nitrure de bore cubique,
    procédé caractérisé en ce qu'il comprend une étape de prétraitement consistant à éliminer l'oxyde borique de la surface de la poudre de nitrure de bore hexagonal avant la conversion en nitrure de bore cubique, cette étape de prétraitement comprenant la cuisson sous vide de la poudre de nitrure hexagonal:
    i) dans un récipient non réactif,
    ii) à une pression initiale de 133 x 10~3 à 10~10 Pa,
    iii) à une température de 1400 à 1900°C, et iv) pendant un temps allant de 5 min à 4 h,
    en ce que les conditions du procédé à haute pression - haute température sont:
    i) une pression de 65 à 75 kbar,
    ii) une température de 2000 à 2300° C, et iii) un temps d'environ 8 min,
    et en ce que la masse de nitrure de bore cubique est récupérée après la conversion à haute pression - haute température.
  5. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le nitrure de bore hexagonal est du nitrure de bore pyrolytique.
  6. 6. Procédé de fabrication de nitrure de bore cubique à partir de poudre de nitrure de bore hexagonal, qui consiste à soumettre du nitrure de bore hexagonal à un procédé à haute pression - haute température:
    i) à une pression de 55 à 80 kbar,
    ii) à une température de 1600°C jusqu'à la température de reconversion,
    iii) pendant un temps suffisant pour convertir le nitrure de bore hexagonal en nitrure de bore cubique et fritter le nitrure de bore cubique, et iv) en l'absence des impuretés qui interfèrent avec la conversion en nitrure de bore cubique ou avec le frittage du nitrure de bore cubique, procédé caractérisé en ce qu'il comprend une étape de prétraitement consistant à éliminer l'oxyde borique de la surface de la poudre de nitrure de bore hexagonal avant la conversion en nitrure de bore cubique, cette étape de prétraitement comprenant la cuisson sous vide de la poudre de nitrure hexagonal :
    i) dans un récipient non réactif,
    ii) à une pression initiale de 133 x 10~3 à 10-10 Pa,
    iii) à une température de 1400 à 1900° C, et iv) pendant un temps allant de 5 min à 4 h,
    en ce que la poudre de nitrure de bore hexagonal cuite sous vide est mélangée avec une quantité de particules de nitrure de bore cubique monocristallin ayant une dimension maximale de 5 à 150 um en une concentration de 5 à 30% en volume de cristaux de nitrure de bore cubique monocristallin,
    en ce que les conditions du procédé à haute pression - haute tempé- ■ rature sont:
    i) une pression de 65 à 75 kbar,
    ii) une température de 2000 à 2300° C, et iii) un temps d'environ 8 min,
    et en ce que la masse de nitrure de bore cubique est récupérée après la conversion à haute pression - haute température sous forme de masse de nitrure de bore cubique agglomérée constituée de particules de nitrure de bore cubique monocristallin noyées dans une matrice de nitrure de bore cubique polycristallin riche en bore.
  7. 7. Procédé de fabrication de nitrure de bore cubique à partir de poudre de nitrure de bore hexagonal, qui consiste à soumettre du nitrure de bore hexagonal à un procédé à haute pression - haute température:
    i) à une pression de 55 à 80 kbar,
    ii) à une température de 1600° C jusqu'à la température de reconversion,
    iii) pendant un temps suffisant pour convertir le nitrure de bore hexagonal en nitrure de bore cubique et fritter le nitrure de bore cubique, et iv) en l'absence des impuretés qui interfèrent avec la conversion en nitrure de bore cubique ou avec le frittage de nitrure de bore cubique,
    procédé caractérisé en ce qu'il comprend une étape de prétraitement consistant à éliminer l'oxyde borique de la surface de la poudre de nitrure de bore hexagonal avant la conversion en nitrure de bore cubique, cette étape de prétraitement comprenant la cuisson sous vide de la poudre de nitrure hexagonal:
    i) dans un récipient non réactif,
    ii) à une pression initiale de 133 x 10~3 à 10~ 10 Pa,
    iii) à une température dè 1400 à 1900°C, et iv) pendant un temps allant de 5 min à 4 h,
    en ce que la poudre de nitrure de bore hexagonal cuite sous vide est mélangée avec une quantité de matériau poudreux qui n'interfère pas avec la conversion du nitrure de bore hexagonal ou le frittage de nitrure de bore cubique,
    en ce que les conditions du procédé à haute pression - haute température sont:
    i) une pression de 65 à 75 kbar,
    ii) une température de 2000 à 2300° C, et iii) un temps d'environ 8 min,
    et en ce que la masse de nitrure de bore cubique est récupérée après la conversion à haute pression - haute température sous forme de masse de nitrure de bore cubique agglomérée constituée de nitrure de bore cubique polycristallin avec des inclusions.
  8. 8. Nitrure de bore cubique obtenu par un procédé selon l'une des revendications 1 à 7.
  9. 9. Grains abrasifs comprenant du nitrure de bore cubique selon la revendication 8 sous forme de particules ayant des vacuoles et des indentations superficielles.
  10. 10. Masse comprenant du nitrure de bore cubique selon la revendication 8.
    5
    10
    15
    20
    25
    30
    35
    40
    45
    50
    55
    60
    65
    3
    647 740
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