EP0398776B1 - Outil composite comportant une partie active en diamant polycristallin - Google Patents

Outil composite comportant une partie active en diamant polycristallin Download PDF

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EP0398776B1
EP0398776B1 EP90401170A EP90401170A EP0398776B1 EP 0398776 B1 EP0398776 B1 EP 0398776B1 EP 90401170 A EP90401170 A EP 90401170A EP 90401170 A EP90401170 A EP 90401170A EP 0398776 B1 EP0398776 B1 EP 0398776B1
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EP
European Patent Office
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tool
active part
support
working surface
cobalt
Prior art date
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EP90401170A
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EP0398776A1 (fr
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Paul Renard
Jean Sionnet
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SUPRADIAMANT
Original Assignee
SUPRADIAMANT
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B10/00—Drill bits
    • E21B10/46—Drill bits characterised by wear resisting parts, e.g. diamond inserts
    • E21B10/56—Button-type inserts
    • E21B10/567—Button-type inserts with preformed cutting elements mounted on a distinct support, e.g. polycrystalline inserts
    • E21B10/5673—Button-type inserts with preformed cutting elements mounted on a distinct support, e.g. polycrystalline inserts having a non planar or non circular cutting face
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T407/00—Cutters, for shaping
    • Y10T407/26—Cutters, for shaping comprising cutting edge bonded to tool shank

Definitions

  • the invention relates to a composite tool comprising a support made of cemented metal carbide and an active part made of polycrystalline diamond.
  • composite tools comprising an active part made of polycrystalline diamond to carry out machining operations resulting in a mechanical attack on a hard material.
  • Such tools are used for drilling rocks in the field of mining or petroleum, for cutting coal or other natural materials from which extraction is carried out or for machining metals.
  • Composite tools comprising a support made of cemented metal carbide, for example tungsten carbide and an active part made of polycrystalline diamond having an internal surface ensuring the connection with the support and a work surface directed outwards intended to come in contact with the material which is machined.
  • connection between the active part in polycrystalline diamond and the support of the tool is a metallurgical type connection generally using a metal such as cobalt which can also be used to promote the connection between the diamond particles of the active part .
  • Composite tools with a diamond work surface are used to advantage. in the context of rock machining operations such as drilling, cutting or felling.
  • a tool for example, in FR-A-2,089,415, a tool has been proposed, the active part of which consists of diamond crystals linked directly to each other with cobalt, nickel or iron and having a very small volume relative to the volume. carbide support.
  • the cooling is ensured by circulation of a fluid coming to sweep the contact zone between the tool and the rock, it is i.e. the contact area of the working surface of the polycrystalline diamond tool.
  • the stresses applied to the tool can be such that the heating of the active part of the tool becomes excessive and generates thermal degradation of this part of the tool, by intergranular cracking or by decohesion of the junction zone between the active part and the support of the tool. This results in a reduction in the service life of tools or tool elements with a composite structure.
  • Such a tool the resistance to thermal degradation of which is improved, however has mechanical characteristics which are very clearly inferior to those of composite tools produced in dense form and comprising an active part consisting of polycrystalline diamond particles bonded together by a metal such as cobalt.
  • the working surface of composite tools of known type most often has a rounded shape, the active part in polycrystalline diamond generally being hemispherical. A good tenacity of the tool is thus obtained, but when the tool has undergone a certain wear, the cutting forces tend to increase, which results in increased heating and therefore in an increase in the thermal degradation of the active part of the tool.
  • the tools of the known technique produced in composite form generally do not allow to fractionate and eliminate very easily and very quickly the chips formed by removal of material, during machining; this results in an increase in the cutting force and in the heating of the tools.
  • a composite tool comprising a metal support and an active diamond part having a working surface facing outwards and having corrugations substantially parallel to each other and constituting successive projecting and recessed zones on at least part of the working surface.
  • this embodiment of the tool which is used to lubricate the working surface does not allow the operating conditions of the tool to be optimized.
  • the object of the invention is therefore to propose a composite tool comprising a metal carbide support and an active part in polycrystalline diamond having an internal surface of metallurgical connection to the support and a working surface directed towards the outside, comprising corrugations substantially parallel to each other constituting successive projecting and recessed zones on at least part of the working surface, which has efficient cooling during use, which can operate with reduced cutting force and which allows improved fractionation and elimination of the shavings of machined material.
  • the working surface in the form of a spherical cap has undulations in two peripheral zones and a smooth surface in a central zone.
  • Figure 1 is a perspective view of a composite tool according to the invention.
  • Figure 2 is a view along 2-2 of Figure 1.
  • Figure 3 is a sectional view along 3-3 of Figure 1.
  • FIGS. 1, 2 and 3 there is seen a composite tool according to the invention designated by the reference 1 having a generally cylindrical shape.
  • the tool 1 comprises a support 2 made of cemented tungsten carbide and an active part 3 made of polycrystalline diamond constituted by compacted and sintered diamond particles containing a certain proportion of cobalt constituting a binder.
  • the active part 3 is connected to the support 2 by means of a very thin metallurgical junction layer 4 which can be formed from of cobalt originating, by diffusion, from the cobalt-based tungsten carbide support or from a cobalt source previously deposited on this support. It can also be made up of a mixture of diamond grains, cobalt powder and tungsten carbide powder. In this case, layer 4 constitutes a diffusion barrier between the active part in polycrystalline diamond (or PCD) and the support in tungsten carbide.
  • the cemented tungsten carbide support (generally consisting of sintered tungsten carbide particles bonded by cobalt), the active part 3 of the polycrystalline diamond tool as well as the metallurgical bonding layer 4 are visible in particular in the figure. 3 which is a section of the tool by a plane parallel to its axis.
  • the working surface 5 of the active part 3, that is to say the surface of this active part directed towards the outside and opposite to the junction layer 4, has the shape of a spherical cap.
  • the working surface 5 has two sets of corrugations 7, 7 ′, in two diametrically opposite external zones and separated by a smooth central zone constituting the top of the spherical cap 5.
  • the corrugations 7 (or 7 ′) define protruding parts of the working surface 5 separated by recessed parts 8 (or 8 ′).
  • corrugations 7 and 7 ' are arranged in the extension of each other and separated by a smooth part of the spherical cap 5 whose width is approximately 3 mm for a tool of 13.5 mm in diameter.
  • the corrugations 7 and 7 ′ have a longitudinal section in the shape of an arc of a circle and a cross section in the shape of a triangle with a rounded apex.
  • the height of the corrugations and the distance between the tops of these corrugations are 0.6 mm and 2 mm respectively, in the case of a composite tool with a diameter of 19 mm intended for oil drilling.
  • the point pressures between the contact zones of the working surface of the tool and the material being machined are considerably increased during the entire service life of the 'tool. It is therefore possible to reduce the power required to apply to the tool or to increase the performance and in particular the cutting power of the tool, at constant power.
  • the overall heating of the active part of the tool is therefore lower than in the case of a rounded tool having a hemispherical working surface smooth.
  • the thermal degradation of the active part of the tool is thus reduced and delayed.
  • the reduction in the size of the chips limits the heating resulting from their elimination which is due in particular to the friction of the chip on the working surface of the tool.
  • This advantage is particularly significant in the case where the shavings or debris of material are difficult to remove and in particular in the case of drilling rocks at great depths, for example in the case of oil drilling.
  • the tool or tool element according to the invention can be produced by one of the two methods which will be described below.
  • the tool or the tool element according to the invention can be produced from a composite tool comprising a support in cemented carbide and an active part in polycrystalline diamond having a smooth working surface.
  • Such tools known from the prior art are produced by sintering at high temperature and at very high pressure diamond particles in the presence of a bonding and catalyzing metal such as cobalt and in contact with a support material of metal carbide containing a bonding metal.
  • the tool is shaped during sintering to obtain a work surface or table in the form of a spherical cap.
  • the tool according to the invention is made by machining the work surface or diamond table.
  • the machining and shaping of the diamond working surface of the tool, in order to produce successive and substantially parallel undulations on this working surface, are carried out by electro-erosion using an electrode wire ensuring the machining of the parts hollow between the corrugations or a driving-in electrode which is moved in the direction of the hollow parts separating the corrugations.
  • the tool or tool element according to the invention can also be produced directly by sintering in a high pressure and high temperature device of the same type as the devices used for the production by sintering of tools of conventional shape with a surface of smooth work.
  • a cup of refractory metal such as molybdenum or an alloy of molybdenum and zirconium is used, the internal volume of which has the shape of the tool to be produced.
  • the cup has an internal face constituting its bottom on which substantially parallel undulations are produced delimiting on this bottom protruding parts and recessed parts.
  • the recessed parts machined in the bottom of the cup correspond, in shape and dimensions, to the undulations to be produced on the diamond working surface of the tool.
  • the projecting parts correspond to the hollow parts separating the corrugations.
  • an amount of an abrasive mixture consisting of diamond particles mixed with a bonding metal and catalytic action such as cobalt.
  • the abrasive mixture is distributed uniformly over the entire surface of the cup so as to fill the hollow parts between the corrugations and to constitute, taking into account the foreseeable shrinkage during subsequent compaction and sintering, an active part of the tool of a desired size.
  • a support made of cemented tungsten carbide for example constituted by particles of tungsten carbide cemented with cobalt.
  • a diffusion barrier consisting of a mixture of tungsten carbide powder and the abrasive mixture intended to constitute the active part of the tool.
  • Densification of the abrasive mixture and possibly of the diffusion barrier is then carried out by cold pressing under very high pressure.
  • the entire support, the active part and possibly the diffusion barrier are then sintered under a pressure greater than 35 kbars and a temperature greater than 1000 ° C. in the zone of stability of the cubic phase of the carbon.
  • This sintering operation is continued for a period of 3 to 30 minutes. Care will be taken to maintain the pressure on the part which is being sintered during the rise and fall in temperature.
  • the part constituting the tool or the tool element is then removed from the mold and finalized by rectification.
  • this layer intended to constitute the metallurgical bonding layer may be constituted by cobalt deposited on the support of metallic carbide or placed above the layer of abrasive mixture .
  • This bonding layer can also be produced from the diffusion barrier consisting of a mixture of tungsten carbide powder and the abrasive mixture intended to form the active part of the tool.
  • the metallic element such as cobalt constituting both a binder and a catalyst for the diamond abrasive product can be mixed beforehand with the abrasive powder constituted by diamond or else deposited on the face of the tungsten carbide support coming into contact with the abrasive mixture before sintering.
  • the active part consists of polycrystalline diamond linked by cobalt and where the support is made of tungsten carbide also containing a certain amount of cobalt as a connecting element
  • the cobalt serving as binder and catalyst can be introduced into the abrasive mixture brought into contact with the tungsten carbide support, from this support and by infiltration.
  • the support containing an excess of cobalt which is liable to diffuse into the abrasive mixture during sintering.
  • the tool according to the invention can be obtained in a simple manner, by operations known in the context of the manufacture of carbide tools with diamond working surface.
  • the tool or tool element according to the invention has significant advantages over tools of the known technique, insofar as the cutting forces and the heating of the tool are much lower and where, simultaneously, the efficiency of the cooling fluid is considerably increased. This results in an extremely significant reduction in the thermal degradations of the tool in use, a markedly improved yield, a longer service life and conditions of use making it possible to reduce the machining times and the downtimes for maintenance or repair.
  • the corrugations may have, in longitudinal section or in cross section, shapes different from those which have been described. These undulations can have any height and spacing, depending on the desired use, the size of the tool, its operating mode and the nature of the material to be machined.
  • the invention has very advantageous applications in the case of working rocks and in particular in the case of deep drilling such as oil drilling, one can envisage other applications of tools according to the invention on machines for slaughtering or cutting, in the context of mining or on machine tools for machining metals, hard materials or any other type of material whose machining requires good cooling of the tool and involves cutting forces which can be significant.

Description

  • L'invention concerne un outil composite comportant un support en carbure métallique cémenté et une partie active en diamant polycristallin.
  • Il est connu d'utiliser des outils composites comportant une partie active en diamant polycristallin pour effectuer des opérations d'usinage se traduisant par une attaque mécanique d'un matériau dur.
  • De tels outils sont utilisés pour le forage des roches dans le domaine de l'exploitation minière ou pétrolière, pour l'abattage du charbon ou d'autres matériaux naturels dont on effectue l'extraction ou encore pour l'usinage des métaux.
  • On connait des outils composites comportant un support en carbure métallique cémenté, par exemple en carbure de tungstène et une partie active en diamant polycristallin présentant une surface interne assurant la liaison avec le support et une surface de travail dirigée vers l'extérieur destinée à venir en contact avec le matériau dont on réalise l'usinage.
  • La liaison entre la partie active en diamant polycristallin et le support de l'outil est une liaison de type métallurgique mettant généralement en oeuvre un métal tel que le cobalt qui peut être utilisé également pour favoriser la liaison entre les particules de diamant de la partie active.
  • Ces outils composites sont obtenus par des procédés de compactage et de frittage mettant en oeuvre des températures élevées et de très hautes pressions.
  • Les outils composites ayant une surface de travail diamantée sont utilisés de manière avantageuse. dans le cadre d'opérations d'usinage de roches telles que le forage, le havage ou l'abattage.
  • Pour assurer un déroulement satisfaisant de ces opérations, de même que dans le cas de toute autre opération d'usinage par enlèvement de matière, il est nécessaire d'assurer un refroidissement efficace de la zone de contact entre l'outil et le matériau en cours d'usinage.
  • On a par exemple proposé dans le FR-A-2.089.415 un outil dont la partie active est constituée par des cristaux de diamant liés directement entre eux avec du cobalt, du nickel ou du fer et présentant un volume très faible par rapport au volume du support en carbure.
  • Dans le cas du forage des roches avec des outils constitués par des picots en diamant polycristallin fritté lié par du cobalt, le refroidissement est assuré par circulation d'un fluide venant balayer la zone de contact entre l'outil et la roche, c'est-à-dire la zone de contact de la surface de travail de l'outil en diamant polycristallin.
  • Malgré ce refroidissement, les contraintes appliquées à l'outil, suivant le type de roche rencontré lors du forage, peuvent être telles que l'échauffement de la partie active de l'outil devienne excessif et engendre une dégradation thermique de cette partie de l'outil, par fissuration intergranulaire ou par décohésion de la zone de jonction entre la partie active et le support de l'outil. Il en résulte une réduction de la durée de vie des outils ou éléments d'outil à structure composite.
  • On a proposé, dans le FR-A- 2.380.845, de prévoir un réseau de pores communiquant entre eux, à travers tout le volume de l'élément d'outil réalisé de manière composite, le volume total des pores pouvant représenter de 5 à 30 % du volume de l'élément d'outil.
  • Un tel outil dont la résistance à la dégradation thermique est améliorée présente cependant des caractéristiques mécaniques très nettement inférieures à celles des outils composites réalisés sous forme dense et comportant une partie active constituée par des particules de diamant polycristallin liées entre elles par un métal tel que le cobalt.
  • La surface de travail des outils composites de type connu présente le plus souvent une forme arrondie, la partie active en diamant polycristallin étant généralement hémisphérique. On obtient ainsi une bonne ténacité de l'outil mais, lorsque l'outil a subi une certaine usure, les efforts de coupe ont tendance à augmenter, ce qui se traduit par un échauffement accru et donc par une augmentation de la dégradation thermique de la partie active de l'outil.
  • En outre, les outils de la technique connue réalisés sous forme composite ne permettent généralement pas de fractionner et d'éliminer très facilement et très rapidement les copeaux formés par enlèvement de matière, en cours d'usinage ; il en résulte une augmentation de l'effort de coupe et un échauffement des outils.
  • Dans le GB-A-2.047.308, considéré comme antériorité principale, on a proposé un outil composite comportant un support métallique et une partie active en diamant présentant une surface de travail dirigée vers l'extérieur et comportant des ondulations sensiblement parallèles entre elles et constituant des zones successives en saillie et en creux sur une partie au moins de la surface de travail.
  • Cependant cette forme de réalisation de l'outil qui est utilisée pour lubrifier la surface de travail ne permet pas d'optimiser les conditions de fonctionnement de l'outil.
  • Le but de l'invention est donc de proposer un outil composite comportant un support en carbure métallique et une partie active en diamant polycristallin présentant une surface interne de liaison métallurgique au support et une surface de travail dirigée vers l'extérieur, comportant des ondulations sensiblement parallèles entre elles constituant des zones successives en saillie et en creux sur une partie au moins de la surface de travail, dont le refroidissement en cours d'utilisation soit efficace, qui puisse fonctionner avec un effort de coupe réduit et qui permette un fractionnement et une élimination améliorés des copeaux de matière usinée.
  • Dans ce but, la surface de travail en forme de calotte sphérique comporte des ondulations dans deux zones périphériques et une surface lisse dans une zone centrale.
  • Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décrire, à titre d'exemples non limitatifs, en se référant aux figures jointes en annexe, un outil composite suivant l'invention utilisé comme picot pour le forage ou l'abattage de roches.
  • La figure 1 est une vue en perspective d'un outil composite suivant l'invention.
  • La figure 2 est une vue suivant 2-2 de la figure 1.
  • La figure 3 est une vue en coupe suivant 3-3 de la figure 1.
  • Sur les figures 1, 2 et 3, on voit un outil composite suivant l'invention désigné par le repère 1 présentant une forme générale cylindrique. L'outil 1 comporte un support 2 en carbure de tungstène cémenté et une partie active 3 en diamant polycristallin constituée par des particules de diamant compactées et frittées renfermant une certaine proportion de cobalt constituant un liant.
  • La partie active 3 est reliée au support 2 par l'intermédiaire d'une couche de jonction métallurgique 4 de très faible épaisseur qui peut être constituée à partir de cobalt provenant, par diffusion, du support en carbure de tungstène à base de cobalt ou d'une source de cobalt préalablement déposée sur ce support. Elle peut être aussi constituée par un mélange de grains de diamant, de poudre de cobalt et de poudre de carbure de tungstène. Dans ce cas, la couche 4 constitue une barrière de diffusion entre la partie active en diamant polycristallin (ou PCD) et le support en carbure de tungstène.
  • Le support en carbure de tungstène cémenté (généralement constitué par des particules de carbure de tungstène frittées et liées par du cobalt), la partie active 3 de l'outil en diamant polycristallin ainsi que la couche 4 de liaison métallurgique sont visibles enparticulier sur la figure 3 qui est une coupe de l'outil par un plan parallèle à son axe.
  • La surface de travail 5 de la partie active 3, c'est-à-dire la surface de cette partie active dirigée vers l'extérieur et opposée à la couche de jonction 4, présente la forme d'une calotte sphérique.
  • Selon l'invention, la surface de travail 5 présente deux ensembles d'ondulations 7, 7', dans deux zones externes opposées diamétralement et séparées par une zone centrale lisse constituant le sommet de la calotte sphérique 5.
  • Les ondulations 7 (ou 7') définissent des parties en saillie de la surface de travail 5 séparées par des parties en creux 8 (ou 8').
  • Les ondulations 7 et 7' sont disposées dans le prolongement les unes des autres et séparées par une partie lisse de la calotte sphérique 5 dont la largeur est environ de 3 mm pour un outil de 13,5 mm de diamètre.
  • Les ondulations 7 et 7' ont une section longitudinale en forme d'arc-de-cercle et une section transversale en forme de triangle à sommet arrondi.
  • La hauteur des ondulations et la distance entre les sommets de ces ondulations sont respectivement de 0,6 mm et 2 mm, dans le cas d'un outil composite d'un diamètre de 19 mm destiné au forage pétrolier.
  • Lorsque l'outil suivant la présente invention est utilisé avec un liquide de coupe qui est mis en circulation de manière à venir balayer la surface de travail de l'outil en contact avec le matériau dont on réalise l'usinage, la discontinuité de cette surface de travail engendrée par les ondulations 7 et 7' entraîne la formation d'une zone de turbulence dans la circulation du liquide de coupe. Ce régime turbulent créé par les ondulations 7 et 7' accroît de manière notable l'efficacité du liquide de refroidissement en facilitant les échanges thermiques avec la surface de travail et avec la surface du matériau en cours d'usinage. De plus, ce régime turbulent favorise l'évacuation des calories des particules de matériaux qui sont enlevées par l'outil en cours d'usinage et échauffées sous l'effet des efforts mis en jeu.
  • La présence d'ondulations sur la surface de travail de l'outil entraîne donc une augmentation sensible des performances de l'outil, grâce à un meilleur refroidissement de la zone en cours d'usinage et de la partie active de l'outil.
  • De plus, grâce à la présence des ondulations 7 et 7', les pressions ponctuelles entre les zones de contact de la surface de travail de l'outil et le matériau en cours d'usinage sont considérablement accrues pendant toute la durée de vie de l'outil. Il est donc possible de réduire la puissance nécessaire à appliquer à l'outil ou encore d'accroître les performances et en particulier le pouvoir de coupe de l'outil, à puissance constante.
  • L'échauffement global de la partie active de l'outil est donc plus faible que dans le cas d'un outil de forme arrondie ayant une surface de travail hémisphérique lisse. On réduit et on retarde ainsi la dégradation thermique de la partie active de l'outil.
  • En outre, la présence d'ondulations ou dentures sur la surface de travail de l'outil favorise le fractionnement des copeaux de matériau en cours d'usinage qui sont arrachés par l'outil de coupe. Ces copeaux subissent en effet, en cours d'usinage, un effort supérieur à leur limite de cisaillement, dans une direction appropriée.
  • La réduction de la taille des copeaux limite l'échauffement résultant de leur élimination qui est dû en particulier au frottement du copeau sur la surface de travail de l'outil.
  • Cet avantage est particulièrement sensible dans le cas où les copeaux ou débris de matériau sont difficiles à évacuer et en particulier dans le cas du forage de roches à grandes profondeurs, par exemple dans le cas du forage pétrolier.
  • L'outil ou l'élément d'outil suivant l'invention peut être réalisé par l'un des deux procédés qui vont être décrits ci-dessous.
  • L'outil ou l'élément d'outil suivant l'invention peut être réalisé à partir d'un outil composite comportant un support en carbure cémenté et une partie active en diamant polycristallin ayant une surface de travail lisse.
  • De tels outils connus de la tehcnique antérieure sont réalisés par frittage à haute température et à très haute pression de particules de diamant en présence d'un métal de liaison et de catalyse tel que le cobalt et en contact avec un matériau support en carbure métallique renfermant un métal de liaison.
  • L'outil est mis en forme lors du frittage, pour obtenir une surface ou table de travail ayant la forme d'une calotte sphérique.
  • A partir d'un tel outil ou élément d'outil obtenu de manière classique, l'outil suivant l'invention est réalisé par usinage de la surface de travail ou table diamantée.
  • L'usinage et la mise en forme de la surface de travail diamantée de l'outil, pour réaliser des ondulations successives et sensiblement parallèles sur cette surface de travail, sont réalisés par électro-érosion en utilisant un fil électrode assurant l'usinage des parties en creux entre les ondulations ou encore une électrode d'enfonçage qui est déplacée suivant la direction des parties en creux séparant les ondulations.
  • L'outil ou élément d'outil suivant l'invention peut également être réalisé directement par frittage dans un dispositif à haute pression et à haute température du même type que les dispositifs utilisés pour la réalisation par frittage d'outils de forme classique à surface de travail lisse.
  • On utilise une coupelle en métal réfractaire tel que le molybdène ou un alliage de molybdène et de zirconium dont le volume interne présente la forme de l'outil à réaliser. La coupelle présente une face interne constituant son fond sur laquelle sont réalisées des ondulations sensiblement parallèles délimitant sur ce fond des parties en saillie et des parties en creux.
  • Les parties en creux usinées dans le fond de la coupelle correspondent, en forme et dimensions, aux ondulations à réaliser sur la surface de travail diamantée de l'outil. Les parties en saillie correspondent aux parties en creux séparant les ondulations.
  • On place dans le fond de la coupelle, en contact avec sa surface usinée, une quantité d'un mélange abrasif constitué par des particules de diamant mélangées à un métal de liaison et à action catalytique tel que le cobalt. Le mélange abrasif est réparti uniformément sur toute la surface de la coupelle de manière à combler les parties en creux entre les ondulations et à constituer, compte tenu du retrait prévisible lors du compactage et du frittage ultérieurs, une partie active de l'outil d'une dimension voulue.
  • On place ensuite, au-dessus du mélange abrasif soigneusement réparti dans le fond de la coupelle, un support en carbure de tungstène cémenté, par exemple constitué par des particules de carbure de tungstène cémentées avec du cobalt.
  • Avant de placer le support en carbure de tungstène sur la couche deméange abrasif, on dispose éventuellement sur celle-ci une barrière de diffusion constituée d'un mélange de poudre de carbure de tungstène et du mélange abrasif destinée à constituer la partie active de l'outil.
  • On réalise alors par pressage à froid sous très haute pression, la densification du mélange abrasif et éventuellement de la barrière de diffusion.
  • On réalise alors le frittage de l'ensemble du support, de la partie active et éventuellement de la barrière de diffusion sous une pression supérieure à 35 kbars et une température supérieure à 1000°C dans la zone de stabilité de la phase cubique du carbone.
  • Cette opération de frittage est poursuivie pendant une durée de 3 à 30 minutes. On prendra soin de maintenir la pression sur la pièce dont on réalise le frittage pendant la montée et la descente en température.
  • La pièce constituant l'outil ou l'élément d'outil est alors démoulée et mise en forme définitive par rectification.
  • Afin d'améliorer la liaision entre la partie active en diamant polycristallin et le support en carbure métallique, il est possible d'intercaler, entre ces deux composants, une couche de matériau destinée à constituer la couche de jonction métallurgique après frittage.
  • Dans le cas d'une partie active en diamant polycristallin lié par du cobalt, cette couche destinée à constituer la couche de liaison métallurgique pourra être constituée par du cobalt déposé sur le support en carbure métallique ou placée au-dessus de la couche de mélange abrasif.
  • Cette couche de liaison peut également être réalisée à partir de la barrière de diffusion constituée d'un mélange de poudre de carbure de tungstène et du mélange abrasif destiné à former la partie active de l'outil.
  • L'élément métallique tel que le cobalt constituant la fois un liant et un catalyseur pour le produit abrasif diamanté peut être mélangé au préalable à la poudre abrasive constituée par du diamant ou encore déposé sur la face du support en carbure de tungstène venant en contact avec le mélange abrasif avant frittage.
  • Dans le cas où la partie active est constituée par du diamant polycristallin lié par du cobalt et où le support est en carbure de tungstène renfermant également une certaine quantité de cobalt comme élément de liaison, le cobalt servant de liant et de catalyseur peut être introduit dans le mélange abrasif mis en contact avec le support de carbure de tungstène, à partir de ce support et par infiltration. Dans ce cas, il n'est pas nécessaire de prévoir une addition supplémentaire de cobalt dans le mélange ou sur la surface de contact de support, le support renfermant un excès de cobalt qui est susceptible de diffuser dans le mélange abrasif lors du frittage.
  • L'outil suivant l'invention peut être obtenu de manière simple, par des opérations connues dans le cadre de la fabrication des outils en carbure à surface de travail diamantée.
  • L'outil ou l'élément d'outil suivant l'invention présente cependant des avantages importants par rapport aux outils de la technique connue, dans la mesure où les efforts de coupe et l'échauffement de l'outil sont beaucoup plus faibles et où, simultanément, l'efficacité du fluide de refroidissement est considérablement accrue. Il en résulte une diminution extrêmement importante des dégradations thermiques de l'outil en cours d'utilisation, un rendement nettement amélioré, une durée de vie accrue et des conditions d'utilisation permettant de réduire les temps d'usinage et les arrêts pour entretien ou réparation.
  • L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation qui ont été décrits.
  • Les ondulations peuvent présenter, en section longitudinale ou en section transversale, des formes différentes de celles qui ont été décrites. Ces ondulations peuvent présenter une hauteur et un espacement quelconques, en fonction de l'utilisation recherchée, de la taille de l'outil, de son mode de fonctionnement et de la nature du matériau à usiner.
  • Bien que l'invention connaisse des applications très avantageuses dans le cas du travail des roches et en particulier dans le cas du forage à grande profondeur tel que le forage pétrolier, on peut envisager d'autres applications d'outils suivant l'invention sur des machines d'abattage ou de havage, dans le cadre de l'exploitation minière ou encore sur des machines-outils pour l'usinage de métaux, de matériaux durs ou de tout autre type de matériaux dont l'usinage requiert un bon refroidissement de l'outil et met en jeu des efforts de coupe qui peuvent être importants.

Claims (4)

  1. Outil composite comportant un support (2) en carbure métallique et une partie active (3, 13) en diamant polycristallin présentant une surface interne (4) de liaison métallurgique au support (2) et une surface de travail (5) dirigée vers l'extérieur, comportant des ondulations (7, 7') sensiblement parallèles entre elles constituant des zones successives (7, 7' ; 8, 8') en saillie et en creux sur une partie au moins de la surface de travail (5), caractérisé par le fait que la surface de travail (5) en forme de calotte sphérique comporte des ondulations (7, 7') dans deux zones périphériques et une surface lisse dans une zone centrale.
  2. Outil composite suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que les ondulations (7, 7') présentent, en section transversale, la forme d'un triangle dont le sommet est arrondi.
  3. Outil composite suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que la partie active est constituée par des particules de diamant liées par du cobalt et que le support est constitué par un mélange de particules de carbure de tungstène frittées et liées par du cobalt.
  4. Outil composite suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait qu'il comporte une couche interne de liaison métallurgique (4) entre la partie active (3) et le support (2) composée de diamant polycristallin et de carbure métallique constituant une barrière de diffusion.
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