EP3559294A1 - Procede de traitement d'un materiau composite superdur destine a etre utilise pour la realisation d'outils de coupe - Google Patents

Procede de traitement d'un materiau composite superdur destine a etre utilise pour la realisation d'outils de coupe

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EP3559294A1
EP3559294A1 EP17829264.5A EP17829264A EP3559294A1 EP 3559294 A1 EP3559294 A1 EP 3559294A1 EP 17829264 A EP17829264 A EP 17829264A EP 3559294 A1 EP3559294 A1 EP 3559294A1
Authority
EP
European Patent Office
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binder
composite material
superhard composite
superhard
depleted
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP17829264.5A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Félix BALIMA
Alain Largeteau
Dominique Michau
Angéline POULON
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Bordeaux
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Bordeaux
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Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Universite de Bordeaux filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of EP3559294A1 publication Critical patent/EP3559294A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C22C2026/003—Cubic boron nitrides only

Definitions

  • the invention relates to the field of superhard composite materials and more particularly superhard composite materials that can be used in particular in cutting tools, machining or drilling.
  • the invention relates to a method for manufacturing such superhard composite materials, superhard composite materials obtainable by such a manufacturing method as well as cutting, machining or drilling tools comprising such superhard composite materials.
  • Superdurs composite materials that exist on the market, including cermets (name given to Ceramic-Metal materials), generally comprise a polycrystalline microstructure, whose grain boundaries are filled by a binder. These materials have a high mechanical strength and are generally used as cutting tool elements, machining or drilling. Such use subjects them to severe conditions of temperature and pressure. In fact, impacts on the work surface during cutting, machining or drilling processes generate a significant increase in temperature and pressure. Typically, the temperature oscillates around 500 ° C but can rise on certain applications up to a value higher than 900 ° C. While the pressure resistance depends on the mechanical properties of the superhard composite material, the temperature can damage the material by chemical transformation of the polycrystalline microstructure.
  • the damage of the superhard composite material can also be amplified in case of poor thermal conductivity, the heat being poorly evacuated. Indeed, over the high temperature uses, the differences in thermal expansion coefficients between the binder and the polycrystalline microstructure lead to the formation of cracks in the composite material, mainly due to the excessive binder content in the joints of the grain and can also generate a phenomenon of loosening grains.
  • Another method for removing the binder is to use a high power laser to remove the metal binder from the surface of a polycrystalline microstructure.
  • a high power laser to remove the metal binder from the surface of a polycrystalline microstructure.
  • the high temperature generated by the laser can cause damage to the superhard composite materials comprising a polycrystalline diamond, tungsten carbide or boron nitride microstructure.
  • the existing methods have several disadvantages such as, for example, the need for high temperatures that some polycrystalline microstructures can not withstand, or the use of pollutants.
  • most of these methods do not allow the creation of a continuous gradient of binder content over a large depth.
  • the object of the invention is to propose a novel process for treating a superhard composite material, said process not producing toxic waste, permitting recycling of the binder, not requiring an excessive increase in temperature, which is typically inferior at 1200 ° C and significantly reduce the treatment time compared to conventional methods such as chemical etching.
  • the invention also aims to propose a new superhard composite material, said superhard composite material having improved thermal and mechanical properties (such as for example an improvement in the resistance to wear or erosion, good elasticity, and very good impact resistance).
  • the invention relates to a process for treating a superhard composite material comprising a polycrystalline microstructure and a binder, said process comprising the following steps:
  • the implementation of this manufacturing process is fast and does not generate toxic substance.
  • the use of an absorbent material makes it possible to temporarily capture a portion of the binder present in the superhard composite material, which can then be recycled.
  • the implementation of this manufacturing method makes it possible to obtain a binder depleted zone comprising a continuous gradient of binder content over a large depth. This depleted zone by binding is obtained thanks to the implementation of an electromigration.
  • Electromigration is a phenomenon generally observed in microelectronics and corresponds to the migration of metal ions under the effect of a large displacement of electrons following the application of an electric current.
  • the application of an electric current to move the atoms constituting the binder in its solid form (and not in liquid form, which would require a temperature too high) can deplete by binding a portion of the superhard composite material.
  • the polycrystalline microstructure comprises crystals selected from the crystals of: tungsten carbide, diamond, silicon carbide, silicon nitride and boron nitride.
  • the polycrystalline microstructure comprises, preferably consists essentially of, tungsten carbide crystals.
  • the binder comprises at least one element selected from the following elements: iron, ruthenium, osmium, hassium, cobalt, rhodium, iridium, meitnerium, nickel, palladium, platinum, darmstadium, molybdenum, and titanium.
  • the binder comprises cobalt. It can for example be used in combination with other chemical elements such as iron or nickel. More preferably, the binder consists essentially of cobalt.
  • the absorbent material is capable of interacting with the binder so as to form binary, ternary or quaternary compounds.
  • the absorbent material will make it possible to avoid binder accumulation on the surface of the superhard composite material.
  • the absorbent material is disposed on a surface adjacent to an area to be unfolded by binding.
  • the electric current applied to the superhard composite material comprises an electrical current density of between 0.8 and 20 A / mm 2 .
  • the electric current is applied over a period of at least five minutes.
  • the electric current is applied to the superhard composite material by means of electrodes positioned on the one hand on a surface adjacent to an area to be depleted by binding and on the other hand on a surface opposite to the zone to be unfolded by binding.
  • the treatment process is carried out at a temperature below the melting temperature of the binder.
  • the treatment process is carried out in a device generating an electric current across two electrodes between which the material to be treated is placed, such as for example a Spark Plasma Sintering (SPS) device.
  • a device generating an electric current across two electrodes between which the material to be treated is placed, such as for example a Spark Plasma Sintering (SPS) device.
  • SPS Spark Plasma Sintering
  • the present invention makes it possible to obtain functionally superhard materials with improved mechanical and thermal properties, for example for cutting purposes. These improved properties are achieved through the creation in the composite material of a binder depleted zone having a continuous binder content gradient.
  • the binder content gradient is continuous over a large depth, for example example of 500 ⁇ or more, this reduces the risk of delamination and peeling layers.
  • the invention also relates to a superhard composite material having a binder depleted zone, characterized in that the depleted binder zone comprises a continuous binder content gradient extending over a depth greater than or equal to 500 ⁇ .
  • the invention further relates to a cutting tool, machining or drilling comprising superdur composite material according to the invention.
  • the tools according to the invention have a longer life expectancy than traditional tools.
  • FIG. 2 is a sectional view of a superhard composite material on which electrodes and an absorbent material according to one embodiment of the invention are positioned.
  • FIG. 2A schematizes the arrangement before the application of an electric current
  • FIG. 2B schematizes the arrangement after the application of an electric current according to the invention and in particular the superhard composite material comprising a continuous gradient of content. by binding.
  • the lighter area in the superhard composite material corresponds to a lower binder content.
  • FIGS. 3A to 3C show curves of the binder content as a function of the depth from the cutting surface for a polycrystalline-cobalt superhard composite material comprising a continuous gradient of binder content according to the invention.
  • the absorbent material used in the process according to the invention is respectively (FIG. 3A) a niobium plate, (FIG. 3B) a niobium powder, (FIG. 3C) a copper plate.
  • Absorbent material used being a niobium plate.
  • the dotted line corresponds to a line of linear regression and it presents in this figure a slope of 0.1% m.mnr 1 .
  • the term "superdur composite material” a very low compressible material comprising an assembly of at least two immiscible components.
  • this superhard material has at least one zone having a Vickers hardness of 20 gigapascals or more and more preferably 40 gigapascals or more.
  • the method of measuring Vickers hardness is well known to those skilled in the art and can be measured for example by the standardized method EN ISO 6507-1. Given its hardness, this material is of great interest for many industrial applications, including abrasives, cutting and polishing tools, or protective coatings.
  • a superhard composite material may for example be a Cermet material (Ceramic-Metal) comprising an assembly of a polycrystalline ceramic microstructure and a metal binder.
  • polycrystalline microstructure a structure or a matrix composed of a plurality of grains or crystals of varying size and orientation and being partially interconnected.
  • the crystals have a nanometric or micrometric size, for example between 50 nm and 100 ⁇ .
  • ceramic material is meant a composite material composed of a polycrystalline ceramic microstructure whose grain boundaries are filled by a metal binder.
  • the ceramic microstructure can be composed of various elements such as oxides, carbides, nitrides or borides.
  • the polycrystalline ceramic microstructure may correspond to a microstructure comprising crystals or grains made of magnesium oxide, beryllium oxide, aluminum oxide, tungsten carbide, titanium carbide or titanium boride.
  • binder is meant one or more compounds which are associated with the polycrystalline microstructure so as to improve the mechanical characteristics of the composite material.
  • the binder is preferentially disposed in the interstices of the polycrystalline microstructure, that is to say at the grain boundaries of this microstructure. This binder generally allows to reduce the fragility of the composite material and its sensitivity to cracking, and increase the strength and toughness of the composite material.
  • the binder may correspond to a chemical element, to a chemical compound comprising several chemical elements or to several chemical compounds.
  • absorbent material is meant a material capable of collecting the binder from the superhard composite material. This is possible because of the interaction of the chemical elements or chemical compounds included in the absorbent material with the binder.
  • the depleted binder zone according to the invention comprises a continuous gradient of binder content.
  • the "zone to be depleted by binder” corresponds to a part or a volume of the superhard composite material capable of presenting, following the implementation of the method according to the invention, a continuous gradient of binder content.
  • cutting surface a surface of the depleted zone binder being adapted to be used in a cutting tool, machining or drilling as a cutting surface because it has improved mechanical and thermal properties, including a Vickers hardness high, for example greater than 40 gigapascals. These improvements are particularly related to a very low concentration of binder.
  • concentration of binder in the cutting surface is less than or equal to 3% by weight, preferably less than or equal to 2% by weight.
  • continuous gradient of binder content means a continuous modification, preferably linear, of the concentration of binder within an area or part of the composite material. That is, the change in binder concentration is not done in successive steps.
  • a continuous gradient of binder content may have a linear correlation coefficient between the depth and the binder content greater than 0.7, preferably greater than 0.8, and this for example over a distance of more than 200 ⁇ preferably more than 500 ⁇ , more preferably more than 1 mm.
  • the continuous gradient of binder content can also be defined by its slope corresponding to the degree of variation of the binder content per unit of distance.
  • the continuous gradient of binder content is positioned between the surface section, area having a very low concentration of binder, and the area at nominal binder concentration.
  • Adjacent means a separation less than 10 mm, preferably less than 5 mm, and even more preferably a contact between the two objects considered.
  • essentially consisting of is meant a concentration greater than 90% by weight, preferably greater than 95%, and more preferably greater than 99%.
  • substantially constant a value varying from less than 20%, preferably less than 10%, relative to the average value over the area considered.
  • FIG. 1 shows the essential and optional steps of an embodiment of the treatment method according to the invention.
  • the treatment method according to the invention makes it possible to obtain a superhard composite material comprising a continuous gradient 221 of binder content.
  • This superhard composite material comprising a continuous gradient 221 binder content is particularly advantageous because it has improved mechanical and thermal characteristics.
  • the treatment method according to the invention requires a superhard composite material 21.
  • the superhard composite material 21 comprises a polycrystalline microstructure and a binder. More particularly, the crystals or grains of the polycrystalline microstructure form an interstitial network containing the binder.
  • the polycrystalline microstructure may consist of a large variety of crystals.
  • the polycrystalline microstructure may comprise crystals selected from the following crystals: tungsten carbide, diamond, silicon carbide, boron carbide, titanium carbide, tantalum carbide, silicon nitride, boron nitride (especially cubic boron nitride), rhenium boride, tungsten boride, ruthenium boride, Iridium boride, boron oxide, alumina, silicon nitride, titanium nitride, aluminum nitride, boron phosphide .
  • the polycrystalline microstructure comprises crystals selected from the crystals of: tungsten carbide, diamond, silicon carbide, silicon nitride and boron nitride (especially cubic boron nitride). More preferably, the polycrystalline microstructure comprises tungsten carbide crystals. Even more preferably, the polycrystalline microstructure consists essentially of tungsten carbide crystals.
  • the polycrystalline microstructure comprises crystals of diamond, tungsten carbide or boron nitride (especially cubic boron nitride). Indeed, these crystals may not support the methods of the prior art using high temperatures. More particularly, the polycrystalline microstructure comprises diamond crystals, or boron nitride (especially cubic boron nitride). In fact, these crystals are more sensitive to high temperatures than tungsten carbide crystals and thus fully benefit from the possibility of carrying out the process according to the invention at low temperatures (for example below 700 ° C.).
  • the polycrystalline microstructure is preferably formed of a single species of crystals, it is possible to implement the invention on a superhard composite material comprising a polycrystalline microstructure consisting of a mixture of crystals of different composition.
  • the presence of the binder generally reduces the fragility of the composite material and its sensitivity to cracking. In addition, it increases the strength and toughness of the composite material. It is able to be placed preferentially in the interstices of the polycrystalline microstructure and to improve the mechanical characteristics of the superhard composite material.
  • the binder comprises metal elements.
  • the binder may comprise at least one element selected from the following elements: iron, ruthenium, osmium, hassium, cobalt, rhodium, iridium, meitnerium, nickel, palladium, platinum, darmstadium, molybdenum, and titanium.
  • the binder comprises at least one element selected from the following elements: cobalt, nickel, iron and molybdenum. More preferably, the binder comprises cobalt, for example associated with other chemical elements. Even more preferably, the binder consists essentially of cobalt.
  • the binder is preferably made of a single metal element, it is possible to implement the invention on a superhard composite material comprising a binder consisting of a mixture of different chemical elements, including metal.
  • the superhard composite material 21 is preferably a Cermet type material (Ceramic-Metal). In this case, it more particularly comprises a polycrystalline ceramic microstructure and a metal binder.
  • the superhard composite material 21 according to the invention may comprise a compound capable of acting as a reinforcement.
  • This reinforcement may for example be selected from fibers, filaments or particles.
  • the superhard composite material 21 according to the invention may comprise carbon nanotubes.
  • the superhard composite material 21 is composed mainly of its polycrystalline microstructure.
  • the polycrystalline microstructure represents a content greater than 50% by weight of the superhard composite material.
  • the superhard composite material 21 comprises between 50% and 98% by weight of polycrystalline microstructure, and even more preferably between 70% and 95%.
  • the different elements composing superhard 21 composite material can be quantified by methods known to those skilled in the art such as microscopic analysis or fluorescence.
  • the superhard composite material 21 may comprise between 2% and 40% by weight of binder (i.e. mass fraction).
  • binder i.e. mass fraction
  • the superhard composite material 21 comprises between 2% and 30% by weight of binder.
  • the superhard composite material 21 comprises between 3% and 14% by weight of binder.
  • the binder content in mass fraction is for example measured by wavelength dispersive spectrometry.
  • the superhard composite material 21 described above and used as starting material in the treatment process according to the invention can be obtained by various methods described in the prior art (see Kanyanta, Microstructure-Property Correlations for Hard). , Superhard, and Ultrahard Materials, 2016).
  • the preferred method is sintering.
  • Sintering is a method of densifying and consolidating a powder shaped by the effect of temperature and resulting in a bonding of the grains of the polycrystalline microstructure and an increase in the contact interfaces between the grains or crystals due to the movement of the atoms inside and between the grains of the polycrystalline microstructure. Sintering allows the consolidation of pulverulent materials at temperatures below their melting points.
  • the process according to the invention may comprise a step 100 of preparation (PREP) of a superhard composite material 21 by sintering.
  • PREP preparation
  • the superhard composite material 21 is preferably prepared by flash sintering. Indeed, this process makes it possible to obtain densified materials in a homogeneous manner, and a fast execution (a few minutes instead of a few hours by natural sintering).
  • a second step 200 the superhard composite material 21 is brought into contact with an absorbent material 30.
  • an absorbent material 30 is used, placed in contact with the superhard composite material and comprising chemical elements capable of combining with the binder.
  • the absorbent material 30 comprises one or more elements capable of interacting with one or more elements of the binder so as to form new chemical compounds such as binary, ternary or quaternary compounds.
  • the absorbent material 30 is disposed on a surface adjacent to the area to be depleted by binder. More particularly, the absorbent material 30 is brought into contact with the zone to be depleted by binding, that is to say the zone which will comprise, after implementation of the treatment method according to the invention, the continuous gradient 221 of content by binding.
  • the absorbent material 30 may comprise at least one element selected from the following elements: scandium, yttrium, titanium, zirconium, hafnium, rutherfordium, vanadium, niobium, tantalum, dubnium, chromium, molybdenum, tungsten, seaborgium, manganese, technetium ,stenium, bohrium, iron, ruthenium, osmium, hassium, cobalt, rhodium, iridium, meitnium, nickel, palladium, platinum, darmstadium, copper, silver, gold, roentgenium, zinc, cadmium, mercury, copernicium, boron, aluminum, gallium , indium, thallium, carbon, silicon, germanium, tin, lead, nitrogen, phosphorus, arsenic, antimony and bismuth.
  • the absorbent material 30 comprises at least one chemical element selected from the following chemical elements: niobium, copper,
  • the binder comprises cobalt and the absorbent material 30 comprises at least one chemical element selected from the following chemical elements: niobium, copper, molybdenum, tantalum, titanium, zinc, aluminum and iron.
  • the absorbent material 30 can take different forms.
  • the absorbent material 30 may for example be used in massive form, for example a plate, or in powder form. Indeed, as shown in the examples, for polycrystalline diamond (PCD) a niobium plate is more effective than niobium powder.
  • PCD polycrystalline diamond
  • the absorbent material 30 is used in the form of a plate, said plate possibly having a thickness greater than 50 ⁇ , for example a thickness of between 0.1 mm and 10 mm.
  • the absorbent material 30 is used in the form of a powder because it can adapt to the surface of the superhard composite material, for example to the cutting surface, and thus it makes it possible to treat superhard composite materials. presenting complex shapes.
  • the method according to the invention then comprises a step 300 (CRT) for applying an electric current to the superhard composite material 21, causing the binder to migrate from the superhard composite material 21 to the absorbent material 30 so as to creating a continuous gradient 221 of binder content within the superhard composite material 21.
  • CRT step 300
  • the electric current is preferably a continuous electric current. Indeed, a symmetrical alternating current will have little influence on the movement of the binder.
  • the electric current is not applied in the form of brief pulses but is implemented over a period of at least five minutes.
  • the electric current is implemented for a duration greater than or equal to 5 minutes, more preferably over a period greater than or equal to 30 minutes, even more preferably over a period greater than or equal to 60 minutes.
  • the electric current can be implemented over a period of between five minutes and twenty-four hours.
  • the potential difference applied at the superhard composite material has little influence on the process according to the invention. It is the intensity of the current and more particularly the current density which has a strong influence on the efficiency of the method.
  • the electric current passing through superhard composite material 21 has a current density of between 0.1 and 50 A / mm 2 , even more preferably it is between 0.4 and 25 A / mm. 2 .
  • the electric current can be implemented through the superhard composite material by different means.
  • the electric current applied to the superhard composite material 21 may be a current induced by an electric field.
  • the application of the electric current can also be achieved by means of a generator coupled to electrodes and capable of delivering a DC current of intensity at least equal to 500 A and a voltage of at least 2V.
  • the electric current can be applied to the superhard composite material 21 via electrodes including an anode 301 positioned at a surface adjacent to the area to be depleted by binding, for example, to an absorbent material 30. in contact with the superhard composite material 21.
  • the electric current is applied to the superhard composite material 21 by means of electrodes positioned on the one hand at a surface adjacent to an area to be depleted by binding and on the other hand at the of a surface opposite to the area to be depleted by binding.
  • the anode 301 is positioned at a surface adjacent to the area to be depleted while the cathode 302 is positioned at a surface opposite to the area to be depleted.
  • the anode 301 is in contact with the absorbent material 30, the latter itself being positioned in contact with the zone to be depleted by bonding so as to form therein the continuous gradient 221 of binder content .
  • the application of this electric current can lead to an increase in the temperature within the superhard composite material 21.
  • Such a rise in temperature advantageously facilitates the migration of the chemical elements of the binder and therefore increases the efficiency of the process according to the invention.
  • the process according to the invention is carried out at a temperature greater than or equal to 300 ° C.
  • the intensity of the applied electric current can be advantageously adjusted so that the temperature within the superhard composite material is a temperature greater than or equal to 300 ° C.
  • the temperature must not be too high either. Indeed, it has been observed that the process according to the invention is more effective when the temperature of the superhard composite material is kept below the melting temperature of the binder. Thus, preferably, the process according to the invention is carried out at a temperature below the melting temperature of the binder.
  • the intensity of the applied electric current is advantageously adjusted so that the temperature within the superhard material is less than the melting temperature of the binder.
  • the method according to the invention is preferably carried out at a temperature below 1500 ° C, more preferably less than 1000 ° C. This is particularly advantageous because some polycrystalline microstructures are sensitive to too high temperatures. For example, a polycrystalline diamond, tungsten carbide, or boron nitride microstructure can be damaged if exposed to too high temperatures. Thus, preferably, the process according to the invention is carried out at a temperature below 700 ° C. when the polycrystalline microstructure comprises diamond or boron nitride (in particular cubic boron nitride).
  • the temperature of the superhard composite material is controlled so that the temperature is sufficient, that is to say greater than a low threshold temperature T S B, in order to be able to observe the electromigration, and sufficiently low, that is to say less than a high threshold temperature T S H, to avoid degradation of the polycrystalline microstructure.
  • the threshold temperatures are dependent on the elements constituting the superhard composite material 21.
  • T S B may be equal to 300 ° C and T S H at 1200 ° C, preferably 1 150 ° C whereas for a superhard composite material 21 of polycrystalline diamond and cobalt, T S B may be equal to 300 ° C and T S H at 700 ° C.
  • the measured temperature is preferably the temperature of the superhard composite material 21. More preferably, it is the temperature measured at a surface of the superhard composite material 21, preferably adjacent to the area to be bindered. This temperature can for example be measured using a thermocouple at low temperatures (for example up to 1200 ° C.), or by an optical pyrometer at high temperatures (for example from 600 ° C. to 2000 ° C. ).
  • the temperature of the superhard composite material 21 can be modulated by means of the regulation of an external heating source and / or by means of the electric power (for example the intensity of the electric current) applied to the superhard composite material 21.
  • the intensity of the electric current is adjusted so that the temperature is between a low threshold temperature T S B and a high threshold temperature T S H determined.
  • T S B low threshold temperature
  • T S H high threshold temperature
  • FIG. 1 where, if the temperature controlled in step 400 is not between T S B and T S H (N), then the process returns to step 300 so as to modify the applied electrical power (for example, the intensity of the electric current), until the temperature is between the desired terminals T S B and T S H (O).
  • the electrical power that can be applied to the superhard composite material can be between 200 W and 2000 W.
  • the method according to the invention may preferably be implemented under a controlled atmosphere adapted according to the nature of the treated materials.
  • the process according to the invention can be carried out in a resistance furnace, an induction furnace, or a microwave oven, under a protective atmosphere and / or under vacuum.
  • the protective atmosphere is, for example, argon, a mixture of argon and hydrogen, nitrogen, hydrogenated nitrogen or hydrogen.
  • the expression "vacuum” may designate a primary vacuum ( ⁇ 1 Pa) or secondary ( ⁇ 10 ⁇ 2 Pa).
  • the method according to the invention may further comprise a step 500 (VAR) of electric power, temperature and / or pressure cycles. Such cycles are defined by climb speeds, dwell times and descent speeds.
  • the method according to the invention comprises at least two cycles of electric current, said cycle of electric current comprising an increase and a decrease in the electrical power applied to the superhard composite material.
  • the method according to the invention may comprise at least two temperature cycles, each of said temperature cycles comprising an increase and a decrease in the temperature applied to the superhard composite material.
  • the creation of such a depleted zone by bonding in the superhard composite material may be the final step in the process for treating the material intended for cutting, machining or drilling tools. Nevertheless, it can also be followed by a complementary treatment such as a coating to further improve the mechanical, chemical and / or thermal properties of the materials.
  • the method according to the invention may comprise an additional coating step, said coating preferably comprising the deposition of a nanocrystalline or microcrystalline diamond layer.
  • the coating may for example be deposited by a method of PVD (Physical Vapor Deposition) or CVD (Chemical Vapor Deposition) type, preferably by a CVD type process.
  • PVD Physical Vapor Deposition
  • CVD Chemical Vapor Deposition
  • the invention relates to a superhard composite material comprising a depleted zone 22 by binder, characterized in that the depleted zone 22 by bonding comprises a continuous gradient 221 of binder content extending over a greater depth or equal to 500 ⁇ .
  • the continuous gradient 221 of binder content extends over depth greater than or equal to 700 ⁇ , more preferably greater than or equal to 1000 ⁇ , and even more preferably greater than or equal to 5000 ⁇ . .
  • the continuous gradient 221 binder content advantageously has a continuous profile and a lack of bearing. This can be translated by the fact that, advantageously, the continuous gradient of binder content 221 has a linear correlation coefficient between the depth and the binder content greater than 0.7, more preferably greater than 0.8.
  • the linear correlation coefficient of the continuous gradient 221 of binder content can be measured over a depth greater than or equal to 500 ⁇ , preferably greater than or equal to 700 ⁇ , and even more preferably greater than or equal to 1000 ⁇ , for example greater than or equal to 5000 ⁇ .
  • the superhard composite material comprising a depleted zone 22 by binder according to the invention also comprises a zone 24 retaining the nominal binder content.
  • the superhard composite material comprising a binder depleted area 22 according to the invention does not have areas having a binder concentration much higher than the nominal binder concentration in the original superhard composite.
  • the manufacturing method of the invention does not concentrate the binder within the composite material.
  • the binder content in the superhard composite material having a binder depleted zone 22 is generally less than or equal to 120% of the nominal binder content in the original superhard composite.
  • the superhard composite material comprising a depleted zone 22 by binder according to the invention does not comprise a zone having a binder content greater than 120%, preferably greater than more than 1 10%, of the nominal binder content. in the original superhard composite material.
  • the nominal binder content corresponds to the meaning of the invention at the concentration of binder in the composite material before the implementation of the method according to the invention. This may also correspond to the most stable binder concentration in the superhard composite material, that is to say that which is found most frequently in the superhard composite material according to the invention.
  • the superhard composite material comprises a zone 24 retaining the nominal binder content and having a substantially constant concentration of binder.
  • the zone 24 with a substantially constant concentration of binder may extend over several hundred micrometers and preferably it is at least one millimeter deep, preferably at least two millimeters deep.
  • the zone 24 with a substantially constant concentration of binder may have a binder content of greater than 4% by weight (in mass fraction), preferably greater than 6% by weight.
  • the superhard composite material comprising a depleted zone 22 by binder may comprise a cutting surface having a binder content of less than 3% by weight (in mass fraction), preferably less than 2%, more preferably preferred less than 1%.
  • the superhard composite material having a binder depleted zone 22 comprises a cutting surface having a non-zero binder content (strictly greater than 0%).
  • the treatment method and the treated material obtained are particularly useful for the manufacture of superhard parts or cutting tools for cutting applications such as machining of wood or metals, drills for deep drilling. and all applications where it is necessary to use super cutting tools. These tools or parts are particularly advantageous when used in severe conditions.
  • the invention relates to a cutting tool, machining or drilling comprising superdur composite material having a depleted zone 22 by binder, according to the invention.
  • the invention also relates to a part comprising the superhard composite material, comprising a depleted zone 22 by binding, according to the invention.
  • These parts may for example be dies, molds or punches.
  • the superhard composite material is located at at least one cutting, machining or drilling surface of said tool.
  • the invention relates to a drilling tool (for example a drill bit) comprising a head surmounted by at least one cutter based on a superhard composite material comprising a continuous gradient 221 of binder content according to US Pat. invention.
  • Composite material Polvcrystalline diamond - Cobalt including a depleted zone 1 .1 Formation of a depleted zone by binding
  • the superhard composite material used for this example is a composite material based on polycrystalline diamond and cobalt binder.
  • a superhard composite material can be synthesized under high pressure and high temperature (from 1400 ° C, 5GPa).
  • the diamond particles are generally associated with a source rich in Co binder and subjected to high pressure. Heating at a temperature at least equal to the liquidus of the Co under pressure allows the binder to diffuse, and after cooling and decompression, the structure of the composite is formed.
  • the binder Co makes it possible to bind the diamond particles, but it is also a catalyst which makes it possible to create bonds between the diamond grains.
  • the absorbent material used consists of niobium in the form of a plate, niobium in the form of a powder, or copper in the form of a plate.
  • the superhard composite material was subjected to an electric current of 60 amps, at a temperature of 500 ° C and for a period of 90 minutes.
  • the binder concentration in the superhard composite material having a binder depleted zone was measured by energy dispersive spectrometry and wavelength dispersive spectrometry.
  • FIGS. 3A to 3C respectively show a graph of the cobalt distribution in the superhard composite material comprising a depleted zone by binder as a function of the depth from the cutting surface during the use of a niobium plate ( Figure 3A), a niobium powder ( Figure 3B), or a copper plate ( Figure 3C).
  • FIG. 3A shows that in the presence of a niobium plate, the invention allows the formation, within a composite material comprising cobalt at about 7.5% of the mass fraction, of an area depleted by binding to a depth of more than 1 millimeter. The uncertainty in the measurement is estimated at ⁇ 1% m.
  • this depleted zone comprises a continuous binder gradient having a slope of about 6.12% m.mnr 1 (ie mass fraction per millimeter) over a depth of more than 700 ⁇ .
  • FIG. 3B shows that, in the presence of niobium powder, the invention allows the formation, within a composite material comprising cobalt at about 7.5% of the mass fraction, of a zone depleted by binding to a depth of almost 1 millimeter. The uncertainty in the measurement is estimated at ⁇ 1% m.
  • this area depleted has a continuous binder gradient having a slope of about 3% m.mnr 1 over a depth of more than 500 ⁇ .
  • FIG. 3C shows that in the presence of a copper plate, the invention allows the formation, within a composite material comprising cobalt at about 7.5% of the mass fraction, of an area depleted by binding to a depth of almost 1 millimeter. Uncertainty in the measurement is estimated to ⁇ 0.9% m.
  • this depleted zone comprises a continuous binder gradient having a slope of about 2.7% m.mnr 1 over a depth of more than 700 ⁇ . 2.
  • Polycrystalline-cobalt tungsten carbide composite material comprising a depleted zone
  • the superhard composite material used for this example is a composite material based on tungsten carbide and cobalt binder.
  • An absorbent material based on nobium was used in the form of a plate and placed between the superhard composite material and the anode.
  • the superhard composite material was subjected to an electric current of 520 amps, at a temperature of 700 ° C and for a period of 50 minutes.
  • the binder concentration in the superhard composite material having a binder depleted zone was measured by wavelength dispersive spectrometry.
  • FIG. 4 shows that, in the presence of nobium, the invention allows formation, within a composite material comprising cobalt at about 13% of the mass fraction, of a depleted zone by binding on a depth of almost 10 millimeters.
  • this depleted zone comprises a continuous binder gradient having a slope of about 0.1% m.mnr 1 over a depth of more than 8 millimeters.

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Abstract

L'invention porte sur un procédé de traitement d'un matériau composite superdur (21) comprenant une microstructure polycristalline et un liant, ledit procédé comprenant les étapes suivantes : - mettre (200) une surface dudit matériau composite superdur (21) en contact avec un matériau absorbant (30), et - appliquer (300) un courant électrique sur le matériau composite superdur (21), entraînant un déplacement du liant depuis le matériau composite superdur (21) vers le matériau absorbant (30) de façon à créer un gradient continu (221) de teneur en liant au sein du matériau composite superdur (21).

Description

PROCEDE DE TRAITEMENT D'UN MATERIAU COMPOSITE SUPERDUR DESTINE A
ETRE UTILISE POUR LA REALISATION D'OUTILS DE COUPE
[0001 ] L'invention concerne le domaine des matériaux composites superdurs et plus particulièrement des matériaux composites superdurs pouvant être utilisés notamment dans des outils de coupe, d'usinage ou de forage. L'invention concerne un procédé de fabrication de tels matériaux composites superdurs, les matériaux composites superdurs susceptibles d'être obtenus par un tel procédé de fabrication ainsi que des outils de coupe, d'usinage ou de forage comportant de tels matériaux composites superdurs. rArt antérieur!
[0002] Les matériaux composites superdurs qui existent sur le marché, notamment les cermets (nom donné aux matériaux Céramique-Métal), comprennent généralement une microstructure polycristalline, dont les joints de grains sont comblés par un liant. Ces matériaux présentent une grande résistance mécanique et sont généralement utilisés comme éléments d'outils de coupe, d'usinage ou de forage. Une telle utilisation les soumet à des conditions sévères de température et de pression. En effet, les impacts sur la surface de travail lors des processus de coupe, d'usinage ou de forage génèrent une augmentation significative de la température et de la pression. Typiquement, la température oscille autour de 500 °C mais peut monter sur certaines applications jusqu'à une valeur supérieure à 900 °C. Alors que la résistance à la pression dépend des propriétés mécaniques du matériau composite superdur, la température peut endommager le matériau par transformation chimique de la microstructure polycristalline. L'endommagement du matériau composite superdur peut également être amplifié en cas de mauvaise conductivité thermique, la chaleur étant mal évacuée. En effet, au fil des utilisations à haute température, les différences des coefficients d'expansion thermique entre le liant et la microstructure polycristalline entraînent la formation de fissures au sein du matériau composite, principalement dues à la trop grande teneur en liant dans les joints de grain et peuvent aussi générer un phénomène de déchaussement des grains.
[0003] Il existe dans la littérature des méthodes visant à réduire la concentration en liant au niveau de la surface de coupe (par exemple US6410085) du matériau composite superdur et ainsi créer une zone déplétée en liant. Il est connu qu'une telle réduction de la concentration en liant entraîne une amélioration des propriétés mécaniques et thermiques du matériau composite telles qu'une bonne élasticité et une excellente résistance à l'impact. Par exemple, le document US6410085 décrit un matériau composite superdur comportant une microstructure polycristalline en diamant dont les joints de grains dans un premier volume proche de la surface de coupe sont substantiellement dépourvus de liant et, dans un second volume, sont comblés par un liant. Toutefois, un tel procédé ne permet pas d'atteindre des profondeurs importantes (de l'ordre de 100 μηι à 200 μηι) au sein du matériau composite superdur.
[0004] Parmi les méthodes visant à créer une zone déplétée en liant, il est possible de citer :
- l'attaque chimique qui vise à lixivier le liant. Un tel procédé de déplétion par attaque chimique est plus particulièrement décrit dans le document US20120152064. Cette attaque consiste à utiliser des acides forts (par exemple l'acide fluorhydrique, l'acide nitrique ou l'acide sulfurique) pour lixivier le liant sur une couche mince de l'outil de coupe adjacent à la surface de travail. Cette technique entraîne la formation d'un matériau composite superdur présentant deux zones ayant une teneur en liant différente : une première zone à teneur nominale et une seconde zone à faible teneur. Cette méthode présente toutefois les désavantages d'une part de créer un changement abrupt en concentration en liant au sein du matériau, favorisant la survenue de ruptures, et d'autre part de générer des déchets néfastes pour l'environnement.
Un autre procédé pour éliminer le liant consiste à utiliser un laser de forte puissance pour éliminer le liant métallique de la surface d'une microstructure polycristalline. Bien que cette technique ait un temps de traitement court, la haute température générée par le laser peut entraîner un endommagement des matériaux composites superdurs comprenant une microstructure polycristalline en diamant, carbure de tungstène ou nitrure de bore.
Une préparation de matériau de carbure de tungstène cémenté gradué fonctionnellement par traitement thermique dans un environnement de gaz cémenté a été proposée dans la demande de brevet US201 101 16963. Ce document propose de traiter thermiquement du carbure de tungstène cémenté fritté à des températures élevées. Du cobalt liquide migre alors que le carbone est absorbé par le cermet chauffé. La teneur en liant est directement influencée par l'absorption de carbone et a montré un épuisement en liant à la surface du matériau. Toutefois, la déplétion en liant requiert des températures très élevées et les gradients ne sont pas toujours continus sur une profondeur importante.
Des procédés de fabrication d'un matériau composite superdur présentant un gradient de liant à partir de l'infiltration d'un matériau de type cermet ont également été proposés (EP1975264 et Hulbert et al., 2008, Materials Science and Engineering: A, Volume 488, Issues 1-2, 15 August 2008, Pages 333-338). L'infiltration augmente la teneur du cermet en phase liante et ce phénomène peut se poursuivre jusqu'à ce qu'il y ait saturation en phase liante du cermet. Néanmoins, cette infiltration se fait généralement à la température de fusion du liant et peut entraîner des dégradations du matériau. En outre, elle peut entraîner la formation de zones à fortes concentrations en liant fragilisant le matériau.
[0005] Ainsi, les méthodes existantes présentent plusieurs inconvénients tels que, par exemple, la nécessité de températures élevées, que certaines microstructures polycristallines ne peuvent pas supporter, ou l'utilisation de substances polluantes. En outre, la plupart de ces méthodes ne permettent pas la création d'un gradient continu de teneur en liant sur une profondeur importante.
[0006] Ainsi, il existe un besoin pour de nouveaux procédés de fabrication de matériaux composites superdurs capables de répondre aux problèmes engendrés par les méthodes existantes. roblème technique!
[0007] L'invention a donc pour but de remédier aux inconvénients de l'art antérieur. En particulier, l'invention a pour but de proposer un nouveau procédé de traitement d'un matériau composite superdur, ledit procédé ne produisant pas de déchets toxiques, permettant un recyclage du liant, ne nécessitant pas une augmentation excessive de la température, typiquement inférieure à 1200°C et permettant de diminuer considérablement le temps de traitement par rapport aux méthodes classiques telles que l'attaque chimique. [0008] L'invention a en outre pour but de proposer un nouveau matériau composite superdur, ledit matériau composite superdur présentant des propriétés thermiques et mécaniques améliorées (telles que par exemple une amélioration de la résistance à l'usure ou à l'érosion, une bonne élasticité, et une très bonne résistance aux impacts). Γ Brève description de l'inventionl
[0009] À cet effet, l'invention porte sur un procédé de traitement d'un matériau composite superdur comprenant une microstructure polycristalline et un liant, ledit procédé comprenant les étapes suivantes :
- mettre une surface dudit matériau composite superdur en contact avec un matériau absorbant, et
- appliquer un courant électrique sur le matériau composite superdur, entraînant un déplacement du liant depuis le matériau composite superdur vers le matériau absorbant de façon à créer un gradient continu de teneur en liant au sein du matériau composite superdur.
[0010] La mise en œuvre de ce procédé de fabrication est rapide et ne génère pas de substance toxique. Au contraire, l'utilisation d'un matériau absorbant permet de capter temporairement une partie du liant présent dans le matériau composite superdur, lequel peut ensuite être recyclé. En outre, la mise en œuvre de ce procédé de fabrication permet d'obtenir une zone déplétée en liant comportant un gradient continu de teneur en liant sur une profondeur importante. Cette zone déplétée en liant est obtenue grâce à la mise en œuvre d'une électromigration. L'électromigration est un phénomène observé généralement en microélectronique et correspond à la migration d'ions métalliques sous l'effet d'un déplacement important d'électrons suite à l'application d'un courant électrique. Ici, l'application d'un courant électrique pour déplacer les atomes constituant le liant sous sa forme solide (et non pas sous forme liquide, ce qui nécessiterait une température trop élevée) permet de dépléter en liant une partie du matériau composite superdur.
[001 1 ] Selon d'autres caractéristiques optionnelles du procédé :
- la microstructure polycristalline comporte des cristaux sélectionnés parmi les cristaux de : carbure de tungstène, diamant, carbure de silicium, nitrure de silicium et nitrure de bore. De façon préférée, la microstructure polycristalline comprend des, de préférence est constituée essentiellement de, cristaux de carbure de tungstène. le liant comporte au moins un élément sélectionné parmi les éléments suivants : fer, ruthénium, osmium, hassium, cobalt, rhodium, iridium, meitnerium, nickel, palladium, platine, darmstadtium, molybdène, et titane. De préférence, le liant comporte du cobalt. Il peut par exemple être utilisé en association avec d'autres éléments chimiques tels que du fer ou du nickel. De façon plus préférée, le liant est constitué essentiellement de cobalt. - le matériau absorbant est apte à interagir avec le liant de façon à former des composés binaires, ternaires ou quaternaires. Ainsi, le matériau absorbant va permettre d'éviter une accumulation de liant en surface du matériau composite superdur. - le matériau absorbant est disposé sur une surface adjacente à une zone à dépléter en liant.
- le courant électrique appliqué au matériau composite superdur comporte une densité de courant électrique comprise entre 0,8 et 20 A/mm2. le courant électrique est appliqué sur une durée d'au moins cinq minutes.
- le courant électrique est appliqué au matériau composite superdur par l'intermédiaire d'électrodes positionnées d'une part sur une surface adjacente à une zone à dépléter en liant et d'autre part sur une surface opposée à la zone à dépléter en liant.
Le procédé de traitement est réalisé à une température inférieure à la température de fusion du liant.
Le procédé de traitement est réalisé dans un dispositif générant un courant électrique aux bornes de deux électrodes entre lesquels le matériau à traiter est placé, tel que par exemple un dispositif de Spark Plasma Sintering (SPS).
[0012] La présente invention permet d'obtenir des matériaux fonctionnellement superdurs avec des propriétés mécaniques et thermiques améliorées par exemple à des fins de coupe. Ces propriétés améliorées sont obtenues grâce à la création dans le matériau composite d'une zone déplétée en liant comportant un gradient continu de teneur en liant. Le gradient de teneur en liant étant continu sur une profondeur importante, par exemple de 500 μηι ou plus, cela permet de réduire les risques de délamination et d'écaillage des couches.
[0013] Ainsi, l'invention porte en outre sur un matériau composite superdur comportant une zone déplétée en liant, caractérisé en ce que la zone déplétée en liant comporte un gradient continu de teneur en liant s'étendant sur une profondeur supérieure ou égale à 500 μηι.
[0014] L'invention porte en outre sur un outil de coupe, d'usinage ou de forage comprenant le matériau composite superdur selon l'invention. Les outils selon l'invention présentent notamment une durée de vie plus longue que les outils traditionnels. [0015] D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif, en référence aux figures annexées qui représentent :
• Figure 1 , une représentation schématique du procédé de fabrication selon un mode de réalisation de l'invention. Les étapes en pointillés sont facultatives. · Figure 2, une vue en coupe d'un matériau composite superdur sur lequel sont positionnés des électrodes et un matériau absorbant selon un mode de réalisation de l'invention. La figure 2A schématise l'agencement avant l'application d'un courant électrique tandis que la figure 2B schématise l'agencement après l'application d'un courant électrique selon l'invention et notamment le matériau composite superdur comportant un gradient continu de teneur en liant. La zone plus claire dans le matériau composite superdur correspond à une plus faible teneur en liant.
• Figures 3A à 3C, des courbes de la teneur en liant en fonction de la profondeur depuis la surface de coupe pour un matériau composite superdur diamant polycristallin - cobalt comportant un gradient continu de teneur liant selon l'invention. Le matériau absorbant utilisé dans le cadre du procédé selon l'invention étant respectivement (Figure 3A) une plaque de niobium, (Figure 3B) une poudre de niobium, (Figure 3C) une plaque de cuivre.
• Figure 4, une courbe de la teneur en liant en fonction de la profondeur depuis la surface de coupe pour un matériau composite superdur carbure de tungstène - cobalt comportant un gradient continu de teneur liant selon l'invention. Le matériau absorbant utilisé étant une plaque de niobium. La droite en pointillés correspond à une droite de régression linéaire et elle présente sur cette figure une pente de 0,1 %m.mnr1.
[Description de l'inventionl [0016] Dans la suite de la description, on entend par « matériau composite superdur » un matériau très peu compressible comprenant un assemblage d'au moins deux composants non miscibles. De préférence, ce matériau qualifié de superdur présente au moins une zone ayant une dureté Vickers de 20 gigapascals ou plus et de façon plus préférée de 40 gigapascals ou plus. La méthode de mesure de la dureté Vickers est bien connue de l'homme du métier et elle peut être mesurée par exemple par la méthode normalisée EN ISO 6507-1 . Au regard de sa dureté, ce matériau est d'un grand intérêt pour beaucoup d'applications industrielles, dont les abrasifs, les outils de découpe et de polissage, ou les revêtements de protection. Un matériau composite superdur peut par exemple être un matériau Cermet (Céramique-Métal) comprenant un assemblage d'une microstructure polycristalline en céramique et d'un liant métallique.
[0017] On entend par « microstructure polycristalline », une structure ou une matrice composée d'une pluralité de grains ou cristaux de taille et d'orientation variées et étant partiellement liés entre eux. De préférence, dans le cadre de la microstructure polycristalline selon l'invention, les cristaux présentent une taille nanométrique ou micrométrique, par exemple entre 50 nm et 100 μηι.
[0018] On entend par « matériau cermet » un matériau composite composé d'une microstructure polycristalline en céramique dont les joints de grains sont comblés par un liant métallique. La microstructure céramique peut être composée de divers éléments tels que des oxydes, des carbures, des nitrures ou des borures. Par exemple, la microstructure polycristalline en céramique peut correspondre à une microstructure comportant des cristaux ou grains en oxyde de magnésium, oxyde de béryllium, oxyde d'aluminium, carbure de tungstène, carbure de titane ou borure de titane.
[0019] On entend par « liant », un ou plusieurs composés qui sont associés à la microstructure polycristalline de façon à améliorer les caractéristiques mécaniques du matériau composite. Dans le matériau composite superdur selon l'invention, le liant est disposé préférentiellement dans les interstices de la microstructure polycristalline, c'est-à- dire au niveau des joints de grains de cette microstructure. Ce liant permet généralement de réduire la fragilité du matériau composite et sa sensibilité à la fissuration, et augmenter la résistance et la ténacité du matériau composite. Le liant peut correspondre à un élément chimique, à un composé chimique comportant plusieurs éléments chimiques ou bien à plusieurs composés chimiques. [0020] On entend par « matériau absorbant », un matériau capable de collecter le liant provenant du matériau composite superdur. Cela est possible grâce à l'interaction des éléments chimiques ou des composés chimiques compris dans le matériau absorbant avec le liant. Ce matériau absorbant est essentiel pour éviter une accumulation de liant en surface du matériau composite superdur. [0021 ] On entend par « zone déplétée en liant », une partie ou un volume du matériau composite superdur présentant une concentration en liant réduite par rapport à la concentration initiale (ou concentration nominale). La zone déplétée en liant selon l'invention comporte un gradient continu de teneur en liant. De même, la « zone à dépléter en liant » correspond à une partie ou un volume du matériau composite superdur apte à présenter, suite à la mise en œuvre du procédé selon l'invention, un gradient continu de teneur en liant.
[0022] On entend par « surface de coupe », une surface de la zone déplétée en liant étant apte à être utilisée dans un outil de coupe, usinage ou forage comme surface de coupe car elle présente des propriétés mécaniques et thermiques améliorées, dont une dureté Vickers élevée, par exemple supérieure à 40 gigapascals. Ces améliorations sont notamment liées à une concentration très faible en liant. Par exemple, la concentration en liant dans la surface de coupe est inférieure ou égale à 3 % en poids, de préférence inférieure ou égale à 2 % en poids.
[0023] On entend par « gradient continu de teneur en liant », une modification continue, de préférence linéaire, de la concentration en liant au sein d'une zone ou d'une partie du matériau composite. C'est-à-dire que la modification de la concentration en liant ne se fait pas par paliers successifs. Par exemple, un gradient continu de teneur en liant peut présenter un coefficient de corrélation linéaire entre la profondeur et la teneur en liant supérieur à 0,7, de préférence supérieur à 0,8 et cela par exemple sur une distance de plus de 200 μηι, de préférence de plus de 500 μηι, de façon encore plus préférée de plus de 1 mm. Le gradient continu de teneur en liant peut également être défini par sa pente correspondant au degré de variation de la teneur en liant par unité de distance. Dans le cadre de l'invention, le gradient continu de teneur en liant est positionné entre la surface de coupe, zone ayant une concentration très faible en liant, et la zone à concentration nominale de liant.
[0024] On entend par « adjacent », une séparation inférieure à 10 mm, de préférence inférieure à 5 mm, et de façon encore plus préférée un contact entre les deux objets considérés.
[0025] On entend par « constitué essentiellement », une concentration supérieure à 90 % en poids, de préférence supérieure à 95 %, et de façon plus préférée supérieure à 99%.
[0026] On entend par « sensiblement constante », une valeur variant de moins de 20 %, de préférence de moins de 10 %, par rapport à la valeur moyenne sur la zone considérée.
[0027] Dans la suite de la description, les mêmes références sont utilisées pour désigner les mêmes éléments.
[0028] La Figure 1 représente les étapes essentielles et optionnelles d'un mode de réalisation du procédé de traitement selon l'invention. [0029] Le procédé de traitement selon l'invention permet d'obtenir un matériau composite superdur comportant un gradient continu 221 de teneur en liant. Ce matériau composite superdur comportant un gradient continu 221 de teneur en liant est particulièrement avantageux car il présente des caractéristiques mécaniques et thermiques améliorées. [0030] Le procédé de traitement selon l'invention nécessite un matériau composite superdur 21 . Le matériau composite superdur 21 comprend une microstructure polycristalline et un liant. De façon plus particulière, les cristaux ou grains de la microstructure polycristalline forment un réseau interstitiel contenant le liant.
[0031 ] La microstructure polycristalline peut être constituée par une grande diversité de cristaux. Par exemple, sans être limitée à cette liste particulière, la microstructure polycristalline peut comporter des cristaux sélectionnés parmi les cristaux de : carbure de tungstène, diamant, carbure de silicium, carbure de bore, carbure de titane, carbure de tantale, nitrure de silicium, nitrure de bore (notamment nitrure de bore cubique), borure de rhénium, borure de tungstène, borure de ruthénium, borure d'Iridium, oxyde de bore, alumine, nitrure de silicium, nitrure de titane, nitrure d'aluminium, phosphure de bore. De préférence, la microstructure polycristalline comporte des cristaux sélectionnés parmi les cristaux de : carbure de tungstène, diamant, carbure de silicium, nitrure de silicium et nitrure de Bore (notamment nitrure de bore cubique). De façon plus préférée, la microstructure polycristalline comporte des cristaux de carbure de tungstène. De façon encore plus préférée, la microstructure polycristalline est constituée essentiellement de cristaux de carbure de tungstène.
[0032] De façon particulière, la microstructure polycristalline comprend des cristaux de diamant, de carbure de tungstène ou de nitrure de Bore (notamment nitrure de bore cubique). En effet, ces cristaux peuvent ne pas supporter les méthodes de l'art antérieur utilisant de fortes températures. De façon plus particulière, la microstructure polycristalline comprend des cristaux de diamant, ou de nitrure de Bore (notamment nitrure de bore cubique). En effet, ces cristaux sont plus sensibles aux hautes températures que les cristaux de carbure de tungstène et ainsi bénéficient pleinement de la possibilité de réaliser le procédé selon l'invention à de basses températures (par exemple inférieures à 700°C).
[0033] Bien que la microstructure polycristalline soit de préférence formée d'une seule espèce de cristaux, il est possible de mettre en œuvre l'invention sur un matériau composite superdur comportant une microstructure polycristalline constituée d'un mélange de cristaux de composition différente. [0034] La présence du liant permet généralement de réduire la fragilité du matériau composite et sa sensibilité à la fissuration. En outre, il augmente la résistance et la ténacité du matériau composite. Il est apte à se placer préférentiellement dans les interstices de la microstructure polycristalline et à améliorer les caractéristiques mécaniques du matériau composite superdur. [0035] Avantageusement, le liant comporte des éléments métalliques. Par exemple, le liant peut comporter au moins un élément sélectionné parmi les éléments suivants : fer, ruthénium, osmium, hassium, cobalt, rhodium, iridium, meitnerium, nickel, palladium, platine, darmstadtium, molybdène, et titane.
[0036] De façon préférée, le liant comporte au moins un élément sélectionné parmi les éléments suivants : cobalt, nickel, fer et molybdène. De façon davantage préférée, le liant comporte du cobalt, par exemple associé à d'autres éléments chimiques. De façon encore plus préférée, le liant est constitué essentiellement de Cobalt. [0037] Bien que le liant soit de préférence constitué d'un seul élément métallique, il est possible de mettre en œuvre l'invention sur un matériau composite superdur comportant un liant constitué d'un mélange d'éléments chimiques différents, notamment métalliques.
[0038] Le matériau composite superdur 21 est de préférence un matériau de type Cermet (Céramique-Métal). Dans ce cas, il comprend plus particulièrement une microstructure polycristalline en céramique et un liant métallique.
[0039] Outre le liant et la microstructure polycristalline, le matériau composite superdur 21 selon l'invention peut comporter un composé apte à jouer le rôle de renfort. Ce renfort peut par exemple être sélectionné parmi des fibres, des filaments ou des particules. Par exemple, le matériau composite superdur 21 selon l'invention peut comporter des nanotubes de carbone.
[0040] En général, le matériau composite superdur 21 est composé en majorité de sa microstructure polycristalline. Ainsi, de façon préférée, la microstructure polycristalline représente une teneur supérieure à 50 % en poids du matériau composite superdur. De façon plus préférée, le matériau composite superdur 21 comporte entre 50 % et 98 % en poids de microstructure polycristalline, et de façon encore plus préférée entre 70 % et 95 %. Les différents éléments composant le matériau composite superdur 21 peuvent être quantifiés par les méthodes connues de l'homme du métier telles que les analyses microscopiques ou la fluorescence. [0041 ] Le matériau composite superdur 21 peut comporter entre 2 % et 40 % en poids de liant (i.e. fraction massique). Par exemple, lorsque la microstructure polycristalline comporte un mélange de cristaux, le pourcentage en liant peut dépasser les 30%. De préférence, le matériau composite superdur 21 comporte entre 2 % et 30% en poids de liant. De façon plus préférée, le matériau composite superdur 21 comporte entre 3 % et 14 % en poids de liant. La teneur en liant en fraction massique est par exemple mesurée par spectrométrie dispersive en longueur d'onde.
[0042] Le matériau composite superdur 21 décrit ci-dessus et utilisé comme matériau de départ dans le procédé de traitement selon l'invention peut être obtenu par différentes méthodes décrites dans l'art antérieur (cf. Kanyanta, Microstructure-Property Corrélations for Hard, Superhard, and Ultrahard Materials, 2016). Parmi ces méthodes, la méthode préférée est le frittage. Le frittage correspond à procédé de densification et de consolidation d'une poudre mise en forme sous l'effet de la température et aboutissant à une liaison des grains de la microstructure polycristalline et à un accroissement des interfaces de contact entre les grains ou les cristaux dus au mouvement des atomes à l'intérieur et entre les grains de la microstructure polycristalline. Le frittage permet la consolidation de matériaux pulvérulents à des températures inférieures à leurs points de fusion. Ainsi, le procédé selon l'invention peut comprendre une étape 100 de préparation (PREP) d'un matériau composite superdur 21 par frittage.
[0043] Plusieurs méthodes de frittage ont été développées parmi lesquelles le frittage flash. Lors du frittage flash, une poudre est comprimée de manière uniaxiale et rapidement chauffée par des impulsions de courant continu à travers la poudre ou le matériau. Ainsi, dans le cadre de l'étape 100 de préparation du matériau composite superdur 21 , le matériau composite superdur 21 est de préférence préparé par frittage flash. En effet, ce procédé permet l'obtention de matériaux densifiés de façon homogène, et une exécution rapide (quelques minutes au lieu de quelques heures par frittage naturel).
[0044] Dans une seconde étape 200 (CONTACT), le matériau composite superdur 21 est mis en contact avec un matériau absorbant 30.
[0045] Il a été observé une possible formation d'agrégats de liant à la surface du matériau composite superdur 21 lors de la mise en œuvre d'un procédé similaire à celui de l'invention, mais en absence de matériau absorbant. Cette formation d'agrégats a lieu au niveau de la surface par laquelle le courant électrique sort du matériau composite superdur 21 . Afin d'éviter cette formation d'agrégats pouvant dégrader les propriétés du matériau composite superdur, on utilise un matériau absorbant 30, placé au contact du matériau composite superdur et comprenant des éléments chimiques susceptibles de se combiner avec le liant. De façon préférée, le matériau absorbant 30 comporte un ou plusieurs éléments aptes à interagir avec un ou plusieurs éléments du liant de façon à former de nouveaux composés chimiques tels que des composés binaires, ternaires ou quaternaires. Ainsi, la présence du matériau absorbant 30 permet d'éviter une accumulation de liant au niveau d'une des extrémités du matériau composite superdur 21 .
[0046] Le matériau absorbant 30 est disposé sur une surface adjacente à la zone à dépléter en liant. De façon plus particulière, le matériau absorbant 30 est mis en contact avec la zone à dépléter en liant, c'est à dire la zone qui comprendra, après mise en œuvre du procédé de traitement selon l'invention, le gradient continu 221 de teneur en liant. [0047] Le matériau absorbant 30 peut comporter au moins un élément sélectionné parmi les éléments suivants : scandium, yttrium, titane, zirconium, hafnium, rutherfordium, vanadium, niobium, tantale, dubnium, chrome, molybdène, tungstène, seaborgium, manganèse, technétium, thénium, bohrium, fer, ruthénium, osmium, hassium, cobalt, rhodium, iridium, meitnérium, nickel, palladium, platine, darmstadtium, cuivre, argent, or, roentgenium, zinc, cadmium, mercure, copernicium, bore, aluminium, gallium, indium, thallium, carbone, silicium, germanium, étain, plomb, azote, phosphore, arsenic, antimoine et bismuth. De façon préférée, le matériau absorbant 30 comporte au moins un élément chimique sélectionné parmi les éléments chimiques suivants : niobium, cuivre, molybdène, tantale, titane, zinc, aluminium et fer.
[0048] Avantageusement, le liant comporte du cobalt et le matériau absorbant 30 comporte au moins un élément chimique sélectionné parmi les éléments chimiques suivants : niobium, cuivre, molybdène, tantale, titane, zinc, aluminium et fer.
[0049] Le matériau absorbant 30 peut prendre différentes formes. Le matériau absorbant 30 peut par exemple être utilisé sous forme massive, par exemple une plaque, ou sous forme de poudre. En effet, comme cela est présenté dans les exemples, pour le diamant polycristallin (PCD) une plaque en niobium est plus efficace que de la poudre de niobium. Ainsi, avantageusement le matériau absorbant 30 est utilisé sous la forme d'une plaque, ladite plaque pouvant présenter de préférence une épaisseur supérieure à 50 μηι, par exemple une épaisseur comprise entre 0,1 mm et 10 mm. Néanmoins, de préférence, le matériau absorbant 30 est utilisé sous la forme d'une poudre car il peut s'adapter à la surface du matériau composite superdur, par exemple à la surface de coupe, et ainsi cela permet de traiter des matériaux composites superdurs présentant des formes complexes.
[0050] Le procédé selon l'invention comporte ensuite une étape 300 (CRT) d'application d'un courant électrique au matériau composite superdur 21 , entraînant la migration du liant depuis le matériau composite superdur 21 vers le matériau absorbant 30 de façon à créer un gradient continu 221 de teneur en liant au sein du matériau composite superdur 21 .
[0051 ] Le courant électrique est de préférence un courant électrique continu. En effet, un courant alternatif symétrique n'aura que peu d'influence sur le déplacement du liant. [0052] De préférence, le courant électrique n'est pas appliqué sous forme de brèves impulsions mais est mis en œuvre sur une durée d'au moins cinq minutes. De préférence, le courant électrique est mis en œuvre sur une durée supérieure ou égale à 5 minutes, de façon plus préférée sur une durée supérieure ou égale à 30 minutes, de façon encore plus préférée sur une durée supérieure ou égale à 60 minutes. Par exemple, le courant électrique peut être mis en œuvre sur une durée comprise entre cinq minutes et vingt- quatre heures. [0053] La différence de potentiel appliquée au niveau du matériau composite superdur n'a que peu d'influence sur le procédé selon l'invention. C'est l'intensité du courant et plus particulièrement la densité de courant qui a une forte influence sur l'efficacité de la méthode. Ainsi, de façon préférée, le courant électrique passant au travers matériau composite superdur 21 présente une densité de courant comprise entre 0,1 et 50 A/mm2, de façon encore plus préférée elle est comprise entre 0,4 et 25 A/mm2.
[0054] Le courant électrique peut être mis en œuvre au travers du matériau composite superdur par différents moyens. Par exemple, le courant électrique appliqué au matériau composite superdur 21 peut être un courant induit par un champ électrique. L'application du courant électrique peut également être réalisée grâce à un générateur couplé à des électrodes et capable de délivrer un courant continu d'intensité au moins égale à 500 A et une tension d'au moins 2V.
[0055] Le courant électrique peut être appliqué au matériau composite superdur 21 par l'intermédiaire d'électrodes avec notamment une anode 301 positionnée au niveau d'une surface adjacente à la zone à dépléter en liant, par exemple, sur un matériau absorbant 30 en contact avec le matériau composite superdur 21 .
[0056] De façon préférée, le courant électrique est appliqué au matériau composite superdur 21 par l'intermédiaire d'électrodes positionnées d'une part au niveau d'une surface adjacente à une zone à dépléter en liant et d'autre part au niveau d'une surface opposée à la zone à dépléter en liant. [0057] Comme cela est représenté à la figure 2, de façon plus particulière, l'anode 301 est positionnée au niveau d'une surface adjacente à la zone à dépléter tandis que la cathode 302 est positionnée au niveau d'une surface opposée à la zone à dépléter.
[0058] De façon plus préférée, l'anode 301 est en contact avec le matériau absorbant 30, ce dernier étant lui-même positionné au contact de la zone à dépléter en liant de façon à y former le gradient continu 221 de teneur en liant. [0059] L'application de ce courant électrique peut conduire à une augmentation de la température au sein du matériau composite superdur 21 . Une telle montée en température permet avantageusement de faciliter la migration des éléments chimiques du liant et donc d'augmenter l'efficacité du procédé selon l'invention. Ainsi, avantageusement, le procédé selon l'invention est réalisé à une température supérieure ou égale à 300 °C. Par exemple, l'intensité du courant électrique appliqué peut être avantageusement réglée de manière à ce que la température au sein du matériau composite superdur soit une température supérieure ou égale à 300 °C.
[0060] Cependant, la température ne doit pas non plus être trop élevée. En effet, il a été observé que le procédé selon l'invention est plus efficace lorsque la température du matériau composite superdur est maintenue inférieure à la température de fusion du liant. Ainsi, de façon préférée, le procédé selon l'invention est réalisé à une température inférieure à la température de fusion du liant. Par exemple, l'intensité du courant électrique appliqué est avantageusement réglée de manière à ce que la température au sein du matériau composte superdur soit inférieure à la température de fusion du liant.
[0061 ] De même, étant donné qu'une trop forte température au sein du matériau composite superdur 21 pourrait endommager la microstructure polycristalline, le procédé selon l'invention est de préférence réalisé à une température inférieure à 1500 °C, de façon plus préférée inférieure à 1000 °C. Cela est particulièrement avantageux car certaines microstructures polycristallines sont sensibles à de trop hautes températures. Par exemple, une microstructure polycristalline en diamant, en carbure de tungstène ou en nitrure de Bore peut subir des dommages si elle est exposée à des températures trop élevées. Ainsi, de façon préférée, le procédé selon l'invention est réalisé à une température inférieure à 700 °C lorsque la microstructure polycristalline comporte du diamant ou du nitrure de Bore (notamment du nitrure de bore cubique).
[0062] Ainsi avantageusement, dans une étape 400 du procédé de traitement, on contrôle la température du matériau composite superdur afin que la température soit suffisante, c'est-à-dire supérieure à une température de seuil basse TSB, pour pouvoir observer l'électromigration, et suffisamment basse, c'est-à-dire inférieure à une température de seuil haute TSH, pour éviter une dégradation de la microstructure polycristalline. Les températures de seuil sont dépendantes des éléments constituant le matériau composite superdur 21 . Par exemple, pour un matériau composite superdur 21 en carbure de tungstène et cobalt, TSB peut être égale à 300 °C et TSH à 1200 °C, de préférence 1 150°C alors que pour un matériau composite superdur 21 en diamant polycristallin et cobalt, TSB peut être égale à 300 °C et TSH à 700 °C.
[0063] La température mesurée est de préférence la température du matériau composite superdur 21 . De façon plus préférée, c'est la température mesurée au niveau d'une surface du matériau composite superdur 21 , de préférence adjacente à la zone à dépléter en liant. Cette température peut par exemple être mesurée à l'aide d'un thermocouple aux basses températures (par exemple jusqu'à 1200°C), ou par un pyromètre optique aux hautes températures (par exemple de 600 °C jusqu'à 2000°C).
[0064] Au sein du procédé selon l'invention, la température du matériau composite superdur 21 peut être modulée par l'intermédiaire de la régulation d'une source extérieure de chauffage et/ou par l'intermédiaire de la puissance électrique (par exemple de l'intensité du courant électrique) appliquée au matériau composite superdur 21 . De façon préférée, l'intensité du courant électrique est réglée pour que la température soit comprise entre une température de seuil basse TSB et une température de seuil haute TSH déterminées. Cela est par exemple représenté en figure 1 où, si la température contrôlée à l'étape 400 n'est pas comprise entre TSB et TSH (N) , alors le procédé retourne à l'étape 300 de façon à modifier la puissance électrique appliquée (par exemple l'intensité du courant électrique), jusqu'à que la température soit comprise entre les bornes TSB et TSH souhaitées (O). [0065] La puissance électrique pouvant être appliquée au matériau composite superdur peut être comprise entre 200 W et 2000 W.
[0066] Le procédé selon l'invention peut, de préférence, être mis en œuvre sous une atmosphère contrôlée adaptée en fonction de la nature des matériaux traités. Par exemple, le procédé selon l'invention peut être mis en œuvre dans un four à résistance, un four à induction, ou un four à micro-ondes, sous atmosphère protectrice et/ou sous vide. L'atmosphère protectrice est par exemple de l'argon, un mélange d'argon et d'hydrogène, de l'azote, de l'azote hydrogéné ou de l'hydrogène. L'expression « sous vide » peut désigner un vide primaire (~1 Pa) ou secondaire (~10~2Pa).
[0067] Le procédé selon l'invention peut en outre comprendre une étape 500 (VAR) de cycles de puissance électrique, de température et/ou de pression. De tels cycles sont définis par des vitesses de montée, des durées de maintien en palier et des vitesses de descente.
[0068] Ainsi, de façon particulière, le procédé selon l'invention comprend au moins deux cycles de courant électrique, ledit cycle de courant électrique comportant une augmentation et une diminution de la puissance électrique appliquée au matériau composite superdur.
[0069] De même, le procédé selon l'invention peut comprendre au moins deux cycles de température, chacun desdits cycles de température comportant une augmentation et une diminution de la température appliquée au matériau composite superdur.
[0070] La création d'une telle zone déplétée en liant dans le matériau composite superdur peut être l'étape finale du procédé de traitement du matériau destiné aux outils de coupe, d'usinage ou de forage. Néanmoins, elle peut également être suivie d'un traitement complémentaire tel qu'un revêtement pour améliorer encore les propriétés mécaniques, chimiques et/ou thermiques des matériaux. Ainsi, le procédé selon l'invention peut comprendre une étape supplémentaire de revêtement, ledit revêtement comprenant de préférence le dépôt d'une couche de diamant nanocristalline ou microcristalline.
[0071 ] Le revêtement peut par exemple être déposé par un procédé du type PVD (Physical Vapor Déposition) ou CVD (Chemical Vapor Déposition), de préférence par un procédé du type CVD.
[0072] Selon un second aspect, l'invention porte sur un matériau composite superdur comportant une zone déplétée 22 en liant caractérisé en ce que la zone déplétée 22 en liant comporte un gradient continu 221 de teneur en liant s'étendant sur profondeur supérieure ou égale à 500 μηι.
[0073] De façon préférée, le gradient continu 221 de teneur en liant s'étend sur profondeur supérieure ou égale à 700 μηι, de façon plus préférée supérieure ou égale à 1000 μηι, et de façon encore plus préférée supérieure ou égale à 5000 μηι.
[0074] Le gradient continu 221 de teneur en liant présente avantageusement un profil continu et une absence de palier. Cela peut être traduit par le fait qu'avantageusement, le gradient continu 221 de teneur en liant présente un coefficient de corrélation linéaire entre la profondeur et la teneur en liant supérieur à 0,7, de façon plus préférée supérieur à 0,8. Le coefficient de corrélation linéaire du gradient continu 221 de teneur en liant peut être mesuré sur une profondeur supérieure ou égale à 500 μηι, de préférence, supérieure ou égale à 700 μηι, et de façon encore plus préférée supérieure ou égale à 1000 μηι, par exemple supérieure ou égale à 5000 μηι. [0075] Le matériau composite superdur comportant une zone déplétée 22 en liant selon l'invention comporte également une zone 24 conservant la teneur nominale en liant. En outre, le matériau composite superdur comportant une zone déplétée 22 en liant selon l'invention ne comporte pas de zones présentant une concentration en liant fortement supérieure à la concentration nominale en liant dans le composite superdur d'origine. En effet, contrairement à certaines méthodes de l'art antérieur, le procédé de fabrication de l'invention ne concentre pas le liant au sein du matériau composite. Par exemple, la teneur en liant dans le matériau composite superdur comportant une zone déplétée 22 en liant est généralement inférieure ou égale à 120 % de la teneur nominale en liant dans le composite superdur d'origine. Ainsi, avantageusement, le matériau composite superdur comportant une zone déplétée 22 en liant selon l'invention ne comporte pas de zone présentant une teneur en liant supérieure à 120 %, de préférence supérieure à plus de 1 10 %, de la teneur nominale en liant dans le matériau composite superdur d'origine.
[0076] L'absence d'une telle zone présentant une concentration en liant fortement supérieure à la concentration nominale en liant permet d'obtenir un matériau globalement plus dur et présentant en outre une bonne tenue aux chocs thermiques. En effet, les zones présentant une concentration en liant supérieure à la concentration nominale en liant sont généralement moins dures et peuvent créer des faiblesses dans le matériau.
[0077] La teneur nominale en liant correspond au sens de l'invention à la concentration en liant dans le matériau composite avant la mise en œuvre du procédé selon l'invention. Cela peut également correspondre à la concentration en liant la plus stable dans le matériau composite superdur, c'est-à-dire celle qui est retrouvée la plus fréquemment dans le matériau composite superdur selon l'invention.
[0078] Ainsi, dans un mode de réalisation particulier, le matériau composite superdur comporte une zone 24 conservant la teneur nominale en liant et présentant une concentration sensiblement constante en liant. Par exemple, la zone 24 à concentration sensiblement constante en liant peut s'étendre sur plusieurs centaines de micromètres et de façon préférée elle présente au moins un millimètre de profondeur, de préférence au moins deux millimètres de profondeur. En outre, la zone 24 à concentration sensiblement constante en liant peut présenter une teneur en liant supérieure à 4 % en poids (en fraction massique), de préférence supérieure à 6 % en poids. [0079] En outre, le matériau composite superdur comportant une zone déplétée 22 en liant peut comprendre une surface de coupe présentant une teneur en liant inférieure à 3 % en poids (en fraction massique), de préférence inférieure à 2%, de façon davantage préférée inférieure à 1 %. Dans un mode de réalisation, le matériau composite superdur comportant une zone déplétée 22 en liant comprend une surface de coupe présentant une teneur en liant non nulle (strictement supérieure à 0%).
[0080] Le procédé de traitement et le matériau traité obtenu trouvent leur utilité notamment pour la fabrication de pièces ou d'outils de coupe superdurs pour des applications de coupe telles que l'usinage de bois ou de métaux, des forets pour les forages profonds et toutes les applications où il est nécessaire d'utiliser des outils de coupe superdurs. Ces outils ou pièces sont particulièrement avantageuses lors de leur utilisation dans des conditions sévères.
[0081 ] Ainsi, selon un autre aspect, l'invention porte sur un outil de coupe, d'usinage ou de forage comprenant le matériau composite superdur, comportant une zone déplétée 22 en liant, selon l'invention. L'invention porte également sur une pièce comprenant le matériau composite superdur, comportant une zone déplétée 22 en liant, selon l'invention. Ces pièces peuvent par exemple être des matrices, des moules ou des poinçons.
[0082] Ces outils ou pièces selon l'invention présentent une excellente résistance à l'usure, à la détérioration et à la chaleur. De préférence, le matériau composite superdur est situé au niveau d'au moins une surface de découpe, d'usinage ou de forage dudit outil. [0083] Par exemple, l'invention porte sur un outil de forage (par exemple trépan de forage) comportant une tête surmontée d'au moins un taillant à base de matériau composite superdur comportant un gradient continu 221 de teneur en liant selon l'invention.
[Exemples]
[0084] Les exemples suivants illustrent des modes de réalisation de l'invention auxquels l'invention ne se limite pas.
1. Matériau composite Diamant polvcristallin - Cobalt comprenant une zone déplétée 1 .1 Formation d'une zone déplétée en liant
[0085] Le matériau composite superdur utilisé pour cet exemple est un matériau composite à base de diamant polycristallin et de liant cobalt. Un tel matériau composite superdur peut être synthétisé sous haute pression et haute température (à partir de 1400 °C, 5GPa). Les particules de diamant sont généralement associées à une source riche en liant Co et soumis à haute pression. Un chauffage à une température au moins égale au liquidus du Co sous pression permet au liant de diffuser, et après refroidissement et décompression, la structure du composite est formée. Le liant Co permet de lier les particules de diamant, mais il est aussi un catalyseur qui permet de créer des liaisons entre les grains de diamant.
[0086] Un matériau absorbant a été utilisé et placé entre le matériau composite superdur et l'anode. Le matériau absorbant utilisé est constitué de niobium sous la forme d'une plaque, de niobium sous la forme d'une poudre, ou de cuivre sous la forme d'une plaque.
[0087] Le matériau composite superdur a été soumis à un courant électrique de 60 Ampère, à une température de 500 °C et pendant une durée de 90 minutes.
1 .2 Concentration en liant dans la zone déplétée
[0088] La concentration en liant dans le matériau composite superdur comportant une zone déplétée en liant a été mesurée par spectrométrie dispersive en énergie et par spectrométrie dispersive en longueur d'onde.
[0089] Les figures 3A à 3C montrent respectivement un graphique de la distribution en cobalt dans le matériau composite superdur comportant une zone déplétée en liant en fonction de la profondeur depuis la surface de coupe lors de l'utilisation d'une plaque en niobium (figure 3A), d'une poudre de niobium (figure 3B), ou d'une plaque de cuivre (figure 3C).
[0090] La figure 3A montre qu'en présence d'une plaque en niobium, l'invention permet la formation, au sein d'un matériau composite comprenant du cobalt à hauteur d'environ 7,5 % de la fraction massique, d'une zone déplétée en liant sur une profondeur de plus de 1 millimètre. L'incertitude sur la mesure est estimé à ±1 %m. En outre, cette zone déplétée comporte un gradient continu en liant présentant une pente d'environ 6,12 %m.mnr1 (i.e. fraction massique par millimètre) sur une profondeur de plus de 700 μηι.
[0091 ] La figure 3B montre qu'en présence de poudre de niobium l'invention permet la formation, au sein d'un matériau composite comprenant du cobalt à hauteur d'environ 7,5 % de la fraction massique, d'une zone déplétée en liant sur une profondeur de presque 1 millimètre. L'incertitude sur la mesure est estimé à ±1 %m. En outre, cette zone déplétée comporte un gradient continu en liant présentant une pente d'environ 3 %m.mnr1 sur une profondeur de plus de 500 μηι.
[0092] La figure 3C montre qu'en présence d'une plaque en cuivre, l'invention permet la formation, au sein d'un matériau composite comprenant du cobalt à hauteur d'environ 7,5 % de la fraction massique, d'une zone déplétée en liant sur une profondeur de presque 1 millimètre. L'incertitude sur la mesure est estimé à ±0,9%m. En outre, cette zone déplétée comporte un gradient continu en liant présentant une pente d'environ 2,7 %m.mnr1 sur une profondeur de plus de 700 μηι. 2. Matériau composite carbure de tungstène polvcristallin - cobalt comprenant une zone déplétée
2.1 Formation d'une zone déplétée en liant
[0093] Le matériau composite superdur utilisé pour cet exemple est un matériau composite à base de carbure de tungstène et de liant cobalt.
[0094] Un matériau absorbant à base de nobium a été utilisé sous la forme de plaque et placé entre le matériau composite superdur et l'anode.
[0095] Le matériau composite superdur a été soumis à un courant électrique de 520 Ampères, à une température de 700 °C et sur une durée de 50 minutes. 2.2 Concentration en liant dans la zone déplétée
[0096] La concentration en liant dans le matériau composite superdur comportant une zone déplétée en liant a été mesurée par spectrométrie dispersive en longueur d'onde.
[0097] La figure 4 montre qu'en présence de nobium l'invention permet la formation, au sein d'un matériau composite comprenant du cobalt à hauteur d'environ 13 % de la fraction massique, d'une zone déplétée en liant sur une profondeur de presque 10 millimètres. En outre, cette zone déplétée comporte un gradient continu en liant présentant une pente d'environ 0,1 %m.mnr1 sur une profondeur de plus de 8 millimètres.
[0098] Ces résultats montrent que le procédé selon l'invention permet de dépléter le matériau composite superdur sur de très grandes profondeurs afin de former un gradient continu en liant. En outre, les températures utilisées sont supportées par toutes microstructures polycristallines habituellement utilisées en matériaux composites superdurs et le procédé ne nécessite pas l'utilisation de substances polluantes.

Claims

Revendications
1 . Procédé de traitement d'un matériau composite superdur (21 ) comprenant une microstructure polycristalline et un liant, ledit procédé comprenant les étapes suivantes :
- mettre (200) une surface dudit matériau composite superdur (21 ) en contact avec un matériau absorbant (30), et
- appliquer (300) un courant électrique sur le matériau composite superdur (21 ), entraînant un déplacement du liant depuis le matériau composite superdur (21 ) vers le matériau absorbant (30) de façon à créer un gradient continu (221 ) de teneur en liant au sein du matériau composite superdur (21 ).
2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la microstructure polycristalline comporte des cristaux sélectionnés parmi les cristaux de : carbure de tungstène, diamant, carbure de silicium, nitrure de silicium et nitrure de bore.
3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que la microstructure polycristalline est constituée essentiellement de cristaux de carbure de tungstène.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que le liant comporte au moins un élément sélectionné parmi les éléments suivants : fer, ruthénium, osmium, hassium, cobalt, rhodium, iridium, meitnerium, nickel, palladium, platine, darmstadtium, molybdène, et titane.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que le liant comporte du cobalt.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que le matériau absorbant (30) est apte à interagir avec le liant de façon à former des composés binaires, ternaires ou quaternaires.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que le matériau absorbant (30) est disposé sur une surface adjacente à une zone à dépléter en liant.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que le courant électrique appliqué au matériau composite superdur (21 ) comporte une densité de courant électrique comprise entre 0,1 et 50 A/mm2.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que le courant électrique est appliqué sur une durée d'au moins cinq minutes.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 caractérisé en ce que le courant électrique est appliqué au matériau composite superdur (21 ) par l'intermédiaire d'électrodes positionnées d'une part sur une surface adjacente à une zone à dépléter en liant et d'autre part sur une surface opposée à la zone à dépléter en liant.
1 1 . Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 caractérisé en ce qu'il est réalisé à une température inférieure à la température de fusion du liant.
12. Matériau composite superdur comportant une zone déplétée (22) en liant caractérisé en ce que la zone déplétée (22) en liant comporte un gradient continu (221 ) de teneur en liant s'étendant sur profondeur supérieure ou égale à 500 μηι.
13. Outil de coupe, d'usinage ou de forage comprenant le matériau composite superdur selon la revendication 12.
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