FR2498962A1

FR2498962A1 - Pastille frittee composite destinee a etre utilisee dans un outil et procede pour sa fabrication

Info

Publication number: FR2498962A1
Application number: FR8101839A
Authority: FR
Inventors: Tetsuo Nakai; Shuji Yazu; Akio Hara
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1981-01-30
Filing date: 1981-01-30
Publication date: 1982-08-06
Also published as: FR2498962B1

Abstract

L'INVENTION CONCERNE LES PASTILLES FRITTEES COMPOSITES. LE PROBLEME POSE CONSISTE A FOURNIR UNE TELLE PASTILLE DE DIAMANT COMPOSITE DANS LAQUELLE LA RESISTANCE DE LIAISON ENTRE LA COUCHE FRITTEE ET LE SUBSTRAT DE CARBURE CEMENTE RESISTE AU CHAUFFAGE. SUIVANT L'INVENTION, UNE PASTILLE FRITTEE DURE CONTENANT DU DIAMANT OU DU NITRURE DE BORE CUBIQUE DANS LA PROPORTION DE PLUS DE 20 EN VOLUME EST LIEE A UN SUBSTRAT DE CARBURE CEMENTE AVEC INTERPOSITION D'UNE COUCHE DE LIAISON INTERMEDIAIRE DE MOINS DE 2MM D'EPAISSEUR, COMPRENANT DU NITRURE DE BORE CUBIQUE DANS UNE PROPORTION NE DEPASSANT PAS 70 EN VOLUME, LE RESTE ETANT CONSTITUE PRINCIPALEMENT DE CARBURES NITRURES, CARBO-NITRURES OU BORURES DES METAUX DE TRANSITION DES TROUPES 4A, 5A ET 6A DE LA CLASSIFICATION PERIODIQUE. L'INVENTION EST PRINCIPALEMENT UTILISEE SUR LES PASTILLES FRITTEES POUR OUTILS.

Description

Pastille frittée composite destinée a être utilisée dans un outil, et procédé pour sa fabrication.

La présente invention con une pastille frittée composite présentant une résistance son élevée destinée à être utilisée dans un outil, et sa fabrication.

Le diamant et le nitrure de bdre cubique (désigné ci-apres par CBN), sont connus en raison de leurs bonnes propriétés de dureté, de conductibilité thermique et de stabilité chimique a température élevée, comme les maté- riaux résistants à l'usure les plus appropriés au travail des métaux, et ils ont été utilisés comme particules de eaeur lage et dans des outils de coupe.

On trouve depuis peu dans le commerce des pastilles dans lesquelles des particules flièsfde diamant ou des particules de CBN sont liées par des métaux comprenant principalement du Co, et diverses pastilles frittes liées par des céramiques fabriquées par une technique deffrittage sous pression ultra-élevée.

lier, l'attentionEdes milieux industriels s'est portée sur la pastille frittée de diamant du commerce, en tant que matériau capable d'élargir la gamme d'utilisation des outils diamantés en raison de'na résistance supérieure aux chocs par comparaison avec un cris- tal unique de diamant. Cette pastille frittée de diamant, ic liée par un métal, comporte une couche de diamant d'environ 0,5 mm d'épaisseur directement liée à un substrat WC-Co.

Comme il est décrit dans la "Patent Laying-Open Gazette n0
SHO 52-12126, cette pastille frittée de diamant liée par un métal est fabriquée par le procédé suivant : une poudre de diamant est mise en contact avec un mélange de poudres WC-Co ou du WC-Co obtenu en frittant au préalable ce mélange de poudres, le tout étant chauffé sous une pression élevée dans un appareil à pression ultra-élevée pour dissoudre le Co du mélange de poudres WC-Co ou le WC-Co qui doit être amené sous la forme d'un substrat, ce qui permet de faire passer le
le constituant Co dissous dans la poudre de diamant od il
devient une matière de liaison pour celle-ci.

La pression et la chaleur sont appliquées dans des conditions dans lesquelles le diamant est thermo-dynamiquement stable. Le Co dissous, agissant comme un solvant du diamant, . lie la pastille frittée de diamant ainsi que le substrat de carbure cémenté. Dans la pastille frittée ainsi obtenue, les particules de diamant sont directe meqt liées les unes aux autres, tandis que le substrat de carbure cémenté et la couche de pastille frittée de diamant sont constitués du même métal, ce qui permet d'obtenir une liaison rigide intégrée.

Lorsqu'on fabrique un outil d'usi- nage en utilisant une pastille frittée de diamant du commerce,ou une pastille frittée dans laquelle des particules fines de CBN sont liées par des métaux constitues principalement de Co, ou une pastille frittée de CBN liée par des céramiques, un procédé satisfaisant permettant d'améliorer la résistance de l'ou- til consiste à prévoir une couche dure contenant du diamant ou du CBN exclusivement sur la partie devant être transformée en arête coupante, cette couche dure étant liée à un substrat ayant une rigidité élevée de façon à obtenir un outil composite.

Comme exemple d'un tel outil composite, on citera un outil de coupe dans lequel un substrat de carbure cémenté à base de WC est recouvert par du TiC ou du
TiN, qui est d'un usage général depuis quelques années. Le carbure cémenté à base de WC, bien qu'utilisé sur une grande échelle comme outil de coupe, convient particulièrement comme substrat de cet outil composite en raison de ses bonnes pro priétés de rigidité, de solidité et de conductibilité thermique. Cependant, l'outil de coupe présente les inconvén-ents suivants.

On décrira d'abord le cas dans lequel du diamant est contenu dans la couche dure. Lorsqu'un outil de coupe est fabrique en utilisant une pastille frittée de diamant du commerce, liée par du Co métallique, le substrat de carbure cémenté auquel la couche de pastille frittée de diamant est liée, est soudé à une tige d'acier. Bien# des soudures à l'argent très diverses destinées à être uti pour souder du carbure cémenté à l'acier aient été mises point, la température de soudage est généralement de 750 r & 8000C. Dans cet intervalle de températures,cependant, il arrive occasionnellement que la couche de diamant s'exfolie de l'interface entre çette couche de diamant et le substrat de carbure cémenté.

Même lorsqu'aucune difficulté n'apparat lors d'une opération unique de soudage, l'exfoliation se produit après chauffage répété. Dans le but d'établir ce phénomène, deux pastilles frittées de diamant directement liées a des substrats de carbure cémenté, respectivement, ont été mainte nues dans un four à vide, sous un vide de 10 4 mm de Hq a 800 C, pendant trente minutes. Dans un des deux échantillons ainsi traités,l'interface entre la couche s'tille frittée de diamant et le substrat de carbure cémenté, s'est complbte- ment exfoliée, tandis que re échantillon, linter face présentaits f es et s'exfoliait aisément lorsqu'on lui appliquait une force.

L'exfoliation s'est produite#1'in- terface entre la couche de pastille frittée de diamant etele substrat de carbure cémenté, et ceci était apparemment da ##.

la détérioration de la résistance de liaison de l'interface sous l'effet du chauffage.

La Fig. 1 est une photomicrographie (grossissement 1500) de l'interface de liaison entre la couche de pastille frittée et le substrat de carbure cémenté d'une pastille frittée de diamant du commerce. La couche noire continue de pastille frittée de diamant présente une structure dans laquelle des particules de diamant sont reliées les unes aux autres, les. parties blanches se trouvant entre celles-ci étant du Co métalliçue destiné à lier la pastille frittée de diamant. On observe une couche dans laquelle le Co s'est enrichi à l'interface entre la couche de pastille frittée de diamant et le substrat gris, les particules de diamant étant liées au WC-Co avec interposition de Co.

Conformément aux découvertes de la demanderesse, lorsque des particules dé diamant sont frittées sous une pression ultra-élevée et à , température élevée en utilisant un métal catalytique-solvant, par exemple un métal du groupe du fer, dans des conditions dans lesquelles le diamant est dissous mais est thermo-dynamiquement stable, la pastille frittée de diamant voit sa résistance détériorée à une température relativement basse si on la, chauffe à nouveau sous la pression normale.

Ceci est probablement dû au fait que les métaux du groupe du ~fer qui sont présents au contact des particules de diamant ont une action catalytique et favorisent la retransformation du diamant en graphite.

Dans une pastille frittée dans laquelle une liaison directe entre les particules de diamant s'est développée dans la couche de pastille frittée de diamant, l'interface de contact entre cette couche et les métaux du groupe du fer est notablement réduit,. ce qui réduit la détérioration de la résistance lorsqu'on chauffe à nouveau la pastille frittée.

Dans le cas d'une pastille frittée du commerce, bien qu'une raison ertre particules apparaisse dans la couche de pastille frittée de diamant, l'interface entre cette couche et le substrat de carbure cémenté constitue un interface de liaison entre les particules de diamant et le
Co. On peut s'attendre à une détérioration de cette pastille frittée lorsqu'elle est soumise à un nouveau chauffage, car la réduction ds résistance est élevée à l'interface entre la couche de pastille frittée et le substrat. Ceci est un des plus grands# inconvénients de la pastille frittée composite.

La détérioration de la résistance à l'interface de liaison peut être évitée en abaissant la température de chauffage lors de la fabrication de l'outil, par exemple en choisissant une soudure dure ayant un point de fusion plus bas Cependant, lorsqu'on fabrique un outil de coupe en utilisant une matière de soudure à basse temphrature, la matière de soudure se ramollit si la température de l'arête tranchante de l'outil s'élève au cours de l'ope de coupe, jusqu'à dislocation de la pièce soudée. Ceci i inévitablement les applications d'un tel outil.

La demanderesse a effectué une s*t rie d'expériences pour trouver un procédé permettant d'obtenir une pastille frittée de diamant composite dans laquelle la résistance de liaison entre la couche de pastille frittée et le substrat de carbure cémenté n'est jamais réduite même lorsqu'elle est soumise à un chauffage. Par exemple, la demanderesse a fabriqué, à titre d'essai, une pastille frittée dans laquelle la couche de pastille frittée de diamant contient un métal du groupe du fer comme solvant du diamant, ce qui permet.de lier directement les particules de diamant le unes aux autres, alors qu'une couche intermédiaire de Cu qui ne dissolvait pas le diamant était produite à l'interface encre la cou- che de pastille frittée et le substrat de carbure cémenté.

Avec cette pastille frittée composite, il ne se produit pas d'exfoliation entre la couche ï,vi frittée de diamant et le substrat de carbure cémenté même lorsqu'elle est chaud- fée à 1000 C sous vide.

Un outil de coupe fabriqué à patio de cette pastille frittée composte comportant une termédiaire, qui présente une faible résistance à températutv élevée, à l'interface entre la couche de pastille frittée et le substrat de carbure cémenté, présente l'inconvénient que la couche intermédiaire est susceptible de déformation plastique compte tenu de la contrainte et de la chaleur appliquées à la couche de pastille frittée de diamant constituant l'arête coupante.

I1 existe deux procédés pour fabriquer une pastille frittée composite contenant du CBN dans sa couche dure comme dans le cas de la pastille frittée de diamant décrite ci-dessus : l'un consiste à lier la pastille frittée dure contenant du CBN directement au carbure cémenté, tandis que l'autre consiste à lier la pastille frittée dure contenant du CBN au carbure cémenté avec interposition d'une couche interdiaire.

Dans le premier cas, la pastille frittée dure contenant du CBN adhère peu au substrat de carbure cémenté, si la matière liant le CBN a une faible affinité pour le carbure cémenté, comme c'est le cas pour A1203.

Si la pastille frittée dure contenant une grande quantité de CBN est directement liée au substrat de carbure cémenté, le composé COxWy Bz, qui est très cassant bien que dur, est formé en grande quantité à l'interface de liaison sous l'effet de réaction de WC-Co et de CBN, ce qui réduit la résistance de liaison. Ainsi, ce dernier procédé utilisant une couche de liaison intermédiaire est préférable pour lier de manière rigide la pastille frittée dure contenant du GBN du substrat de carbure cémenté.

A propos de l'utilisation d'une couche de liaison intermédiaire pour la liaison d'une pastille frittée dure contenant du CBN, le procédé consistant à utiliser une soudure métallique à haute température comme couche de liaison, est décrit dans la"Patent Laying-Open Gazette n0
SHO 51-64693".

Il y est décrit que la pastille frit tee dure de CBN adhère de manière rigide au substrat de carbure cimenté avec interposition de soudure métallique à haute température. Cependant, lorsque A1203 est présent en tant que matière ie liaison du CBN, la couene de pastille frittée achère difficilement même à la soudure métallique.

Un des grands avantages du procédé est que, dans le frittage sous pression ultra-élevée, l'opera- tion de frittage estaccon#pagnée d'unphénomène de densification se produisant à basse température, ce qui permet de régler la développement des grains. A basse température, cependant, la soudure métallique à haute température réagit mal sur la pastille frittée dure contenant du CBN. La résistance de liaison est donc très basse.

Une soudure métallique fondant à basse température Frésente l'inconvénient qu'un constituant de la soudure métallique s'écoule dans la pastille frittez au cours de l'operation de frittage, détériorant ainsi les pro priétés de la pastille frittée, ou que la résistance de liaison a l'interface de liaison est réduite lorsque la température
s'élève au cours de l'opération de coupe, ce qui rend l'outil inutilisable.

Les propriétés exigées de la cou de liaison d'intermédiaire destinée a lier la pastille frittée contenant du CBN au substrat de carbure cémenté, sont les suivantes : lacouche de liaison intermédiaire doit etre capable d'adhérer de façon rigide à la pastille frittée dure contenant du diamant ou du CBN et au substrat de carbure céments a basse température au cours de l'opération de frittage sous pression ultra-élevée, et le coefficient de dilatation thermique de celle-ci doit coincider pratiquement avec celui de la pastille frittée contenant du diamant on du CBN, et le substrat de carbure cémenté, de telle sorte qu'il ne se produise pas de contrainte résiduelle excessive dans la pastille frittée.

La couche de liaison intermédiaire doit être constituée d'une matière peu sens 'i; déforma~ tion à température élevée, de façon à êd te Qe défor- mation plastique due à lac #,et a la chaleur produites sur l'arête tranchantede l'outil. En outre, elle doit de préférence présenter une ~ bonne conductibilité thermique de façon à faciliter l'élimination de la chaleur produite sur 1'arAte tranchante. Elle doit évidemment posséder une résis- tance suffisante.

C'est pourquoi l'invention a pour objet une pastille frittée dure contenant du diamant ou du nitrure de bore cubique dans une proportion supérieure à 20 % en volume liée à un substrat de carbure cémenté avec interposition d'une couche de liaison intermédiaire de moins de 2 mm d'épaisseur, comprenant du nitrure de bore cubique dans une proportion ne dépassant pas 70 % en volume, le reste étant constitué principalement d'un composé choisi parmi les carbures, nitrures, carbo-nitrures ou borures des métaux de transition des groupes 4a, Sa ou 6a de la cllssification périodique, un mélange de ceux-ci ou une solution solide périodique, un mélange de ceux-ci ou une solution solide mutuelle de ceux-ci, avec addition de A1 et Si.

Cette couche de liaison intermédiaire présente une rigidité élevée et une résistance thermique supérieure, car elle contient un composé choisi parmi les carbures, nitrures, carbo-nitrures ou borures, des métaux de transition des groupes 4a, 5a, 6a de la classification périodique, ou un mélange de ceux-ci.

La demanderesse a trouvé expérimentalement que dans les conditions de pression ultra-élevée et de température élevée utilisées pour la production d'une pastille frittée de diamant, la pastille frittée de diamant est liée de manière rigide au substrat de carbure cémenté avec interpositon de la couche de liaison intermédiaire. Dans la pastille frittée composite comprenant du CBN, du carbure et du nitrure, et ayant une couche de liaison intermédiaire, la quantité de métaux solvants du diamant tels que Co, s'écoulant du substrat de carbure cémente, est faible à l'interface entre la couche de pastille frittée de diamant et la couche de liaison intermédiaire, les particules de diamant étant en contact direct avec la couche de liaison intermédiaire dans une région étendue. Ainsi, la résistance n'est pas.'réduite par an nouveau chauffage.

Comme il a été décrit précédemment, la présente invention est très utile car elle permet de lier de manière rigide la couche de pastille frittée de diamant au substrat de carbure cémenté.

La demanderesse a produit une pastille frittée dans laquelle la matière de liaison du CBN était A1203 en utilisant une couche intermédiaire contenant 60 % en volume de CBN, le reste étant constitué de Al contenant TiN. La pastille frittée dure contenant du CBN s'est révéle être liée de manière rigide au substrat de carbure cémenté avec interposition de la couche de liaison intermédiaire.

En outre, en utilisant une couche intermédiaire contenant 20 %.en volume de CBN, le reste étant constitué d'un mélange de poudre de TIN et d C, une poudre contenant 80 % en volume de CBN, le reste ét "#' ns- titue de A1203 et de TiC, a été soumise à un frittage s pression ultra-élevée, à une température de 1500 à 16O00
A la suite de ce traitement, pn a trouvé que la pastille frittée dure contenant du CBN n'était pas soumise à la pénétration de Co, qui est le métal de liaison du substrat de carbure cémenté, bien que la couche intermédiaire en permette la pénétration, ce qui permet d'éviter la détérioration des propriétés de la pastille frittée dure contenant du CBN sous l'effet de la pénétration de Co.

Le fait que la matière contenant du
CBN à raison de moins de 70 % en volume, le reste comprenant un composé choisi parmi les carbures, les nitrure, les carbo-nitrures, les borures, des métaux de transition des groupes 4a, Sa, 6a de la classification périodique un mé- lange de ceux-çi ou une solution solide mutuelle de ceux-ci avec addition de Al ou Si, convient pour la couche de liai- son intermédiaire, peut s'expliquer comme suit.

Tout d'abord, entre la pastille fritte duré contenant du diamant ou du CBN et la couche de laison intermédiaire est renforcée par l'affinité des carbures et des nitrures des métaux des groupes 4a, Sa, de la classification périodique, présents dans la couche de liaison intermédiaire, pour les métaux du groupe du fer, les carbures et les nitrures utilisés comme phases de liaison de la poudre de diamant ou des poudres de CBN, tandis que, comme la couche de liaison intermédiaire et la couche dure sont en contact l'une avec l'autre, à l'état de poudre, avant le frittage, les deux couches ont entre elles une région mixte des deux matières sur une largeur de plusieurs particules lorsqu'elles sont frittées.

En outre, la matière de liaison de la couche dure réagit sur le CBN contenu dans la couche intermédiaire sur la face de liaison de la couche dure, tandis que les carbures, nitrures, carbo-nitrures et borures des métaux de transition des groupes 4a, Sa, 6a constituant la partie restante de la couche de liaison intermédiaire réagissent sur le CBN. de la couche dure, ce qui renforce l'adhé- rence.

En second lieu, la couche de liaison intermédiaire est liée de manière rigide au substrat de carbure cémenté car non seulement il se forme des solutions solides mutuelles entre le WC,qui est le constituant principal du substrat de carbure cémenté, et les carbures, nitrures, carbo-nitrures, borures. etc,. des métaux de transition des groupes 4a, Sa, 6a de la classification périodique, contenues dans la couche intermédiaire, mais encore ces composes ont une affinité élevée pour le Co contenu dans le sub-.

strat de carbure cémenté. Le fait que le CBN contenu dans la couche de liaison intermédiaire réagisse de façon moderée sur le Co du substrat de carbure cémenté peut être un autre facteur favorisant une adhérence rigide.

En outre, l'addition de plus de 0,1 % en poids de AI et de Si aux carbures et nitrures des métaux des groupes 4a, Sa de la classification périodique permet d'améliorer non seulement la frittabilité de la couche de liaison intermédiaire, mais encore l'affinité entre ce composé et les particules de diamant. L'effet est particulièrement frappant dans le cas de l'utilisation de TiN parmi les carbures, nitrures, carbo-nitrures, borures des métaux du groupe 4a de la classification périodique.

Ceci doit probablement être attribue au fait que le TiN, lorsqu'on lui ajoute Al,est frittable même à la température-de 800 à 9000C, et utilisable sans risque de fusion même à une température de 1500 à 16000C, bien qu'il présente une haute affinité pour le CBN présent dans la pastille frittée dure, ainsi que pour le WC prisent dans le substrat de carbure cémenté.

La couche de liaison intermédiaire( conforme à l'invention présente une duretF Xlevée et une con ductibilité thermique supérieure, car elle contient du CBN, k ce qui permet à la couche de pastille frittée dure nant du CBN de présenter au maximum ces propriétés.

Si la teneur en CBN de la couche de liaison intermédiaire dépasse 70 % en volume, la partie restante, c'est-à-dire les carbures, nitrures, carbo-nitrures, borures, etc.. de métaux des groupes 4a, Sa, 6a de la classification périodique est inévitablement réduite à une proportion inférieure à 30 % en volume, de sorte que le rapport de formation de solutions solides mutuelles avec
WC a l'interface entre la couche de liaison inte'rmédiaire et le substrat de carbure cémenté est relativement réduit, tandis que la quantité de borure produite par la réaction entre WC-Co et CBN est excessivement augmentée, ce qui a pour conséquence que la couche de liaison intermédiaire est rendue cassante.

C'est pourquoi "la teneu en CBN de la couche de liaison intermédiaire est de préférence inférieure a 70 % en volume.,
La teneur en diamant ou en CBN dans la pastille frittée dure est de préférence supérieure a 20 % en volume, car on ne peut pas obtenir de très bonne proprié- tés en tant qu'outil pour une proportion inférieure à cette valeur.

En g#nêra1, #,," che dure de la pastille fritt & composs-te conforme a i' vention est de préférence comprise entre 0,5 et 2 mm, bien qu'elle varie en fonction de l'application envisagée.

Compte tenu du fait que la largeur ( d'usure du flan de l'arête de l'outil est habituellement inférieure a 0,5 mm, lorsque l'outil devient inutilisable en raison de l'usure, il suffit que la couche dure ait une épaisseur supérieure a 0,5 mm lorsqu'elle est utilisée comme arête de l'outil de coupe. Une épaisseur de plus de 2 mm n'est pas nécessaire dans la pratique.,
L'épaisseur de la couche de liaison intermédiaire caractérisant l'invention est inférieure à 2 mm. Le substrat auquel la couche dure
pX est liée avec interposition de la couche de liaison intermédiaire est constitué de carbure cémenté.

Un substrat de carbure cémenté à base de W: convient particulièrement bien compte tenu de sa rigidité élevée et de sa bonne conductibilité thermique ainsi que de sa solidité supérieure résultant de ce qu'il contient un liant métallique.

La Fig. 2 montre la structure de la pastille frittée composite conforme à 11 invention destinée a être utilisée dans un outil. Le chiffre 1 désigne une couche de pastille frittée dure contenant du diamant ou du CBN utilisée comme arête tranchante d'un outil, le chiffre 2 désigne le substrat de carbure cémenté a base de WC, le chiffre 3 désigne une couche de liaison intermédiaire conforme a l'invention.

Les composés contenus dans cette couche de liaison intermédiaire comprennent des carbures, par exemple TiC, ZrC, HfC, NbC, TaC, des nitrures, par exemple
TiN, ZrN, HfN, TaN, ou 'un mélange de ceux-ci, des carbonitrures, par exemple Ti(C,N), Zr(C,N), ou des borures, par exemple, Tir2, ZrB2, HfB2.

La pastille frittée composite conforme à l'invention est fabriquée selon le procédé suivant.

Pour obtenir une couche de liaison intermédiaire comprenant principalement CBN et des carbures, nitrures, carbo-nitrures, borures, un mélange de çeux-ci ou une solution solide mutuelle de ceux-ci, on dispose une couche de mélange de poudre entre le substrat de carbure cémenté et la poudre destinée à former la couche dure contenant du diamant ou du CBN à l'état de poudre, dans la quantité voulue, sous forme de corps comprimé, ou en l'appliquant au préalable sur le substrat de carbure cémenté à l'état d'une bouillie formée avec un solvant approprié, le tout étant comprimé à chaud sous une pression ultra-élevée et à une température élevée, ce qui permet de fritter la couche dure contenant du diamant ou du CBN et la couche de liaison. intermédiaire contenant CBN, des carbures, nitrures, carbonitrures, borures, etc.., et de les lier simultanément au substrat de carbure cémenté.

Les carbures nitrures, car nitrures, borures des métaux des groupes 4a, 5a, 6a, de a classification périodique sont des composés présentant uné résistance élevée. Cependant, dans les conditions de pres- sion ultra-é'levé'e (en général de 10 à générale de 10 à 90KB) dans lesquelles on fritte la couche dure contenant du diamant ou du 9BN, les particules de ces composés sont déformées, écrasées et faciles à tasser à l'état de couche dense, la couche de liaison intermédiaire étant transformée en une pastille frittée de haute densité par chauffage ultérieur.

Les poudres de carbures, nitrures, carbo-nitrures des métaux du groupe 4a de la classificatione périodique formant la couche de liaison intermédiaire sont représentés par les formules
Mx, MNx, M(C~N;2 dans lesquelles M désigne un '",Ïies peuvent présenter un large intervalle de valeur de x à l'extérieur de la compositions stoéchiométrique (x = 1).

Conformément à l'invention, la liaison rigide est réalisée en particulier lorsqu'on ut.tl## composé non stoechiométrique dans lequel la valeur de x e inférieure à 0,98, et de préférence dans l'intervàlle de' 0,9 à 0,5.

La raison en est la suivante ces composés présentent des lacunes, ils sont aisément frittables à basse température, et lorsqu'ils contiennent du CBN, ils se combinent de façon rigide avec le CBN en réagissant avec lui,tandis qu'ils adhérent de façon rigide aux particu les de diamant de la couche dure et au WC du substrat en réagis- sant sur eux. Dans des exemples de l'invention ci-apres, tous les composés utilisés Ont une valeur de x inférieure à 0,98. TINx, en pa:#-ticulier, est une poudre dans laquelle x est égal à 0,8.

Conformément à 1'invention, la couche dure contenant du diamant ou du CBN, dans une proportion supérieure à 20 % en volume est destinée à l'arête tranchante lorsque la pastille frittée de l invention doit être utilisée dans un outil de coupe.

Conformément à 1'invention, la structure de la couche dure peut être modifiée en fonction de son usage.

Lorsqu'un outil de coupe en diamant est habituellement utilisé dans une application pour laquelle une importance particulière est attachée à sa résistance à l'usure; on utilisera une pastille frittée comprenant du diamant dans une proportion supérieure à 90 %#en volume.

Bien que la pastille frittée en diamant puisse être obtenue en frittant exclusivement de la poudre de diamant, on peut mélanger à celle-ci une poudre de métal de liaison ou une poudre de composé métallique.

On peut aussi faire pénétrer à travers la couche de poudre de diamant une solution de métaux catalytiques formant du diamant et d'autres métaux de liaison.

vans la pastille frittée de diamant,
commerce, dans laquelle la couche de poudre de diamant est directement liée à un substrat de carbure cémenté, le Co contenu dans le substrat s'écoule dans la couche de poudre de diamant en se comportant comme un liant de la pastille frittée de diamant.

Conformément à l'invention, le métal de liaison peut être choisi indépendemment du métal de liaison contenu dans le substrat de carbure cémenté.

La pastille frittée composite conforme à l'invention présente des applications très-diverses, parmi lesquelles des mèches de machines-o1tils, des appareils à rhabiller les meules, des forets, etc. C'est en particulier lorsqu'elle est soudée à un support par chauffage, que ces propriétés sont le plus complètement mises à profit. Elle permet d'obtenir une résistance de liaison beaucoup plus stable que celle des outils de diamant naturel ordinaires et des outils à pastille frittée de diamant actuellement disponibles dans le commerce.

L'outil composite conforme à l'in- vention est particulièrement satisfaisant pour la cl intermittente, car la couche dure contenant du diamant ou du CBN est liée de façon rigide au substrat de carbure cémenté avec interposition de la couche de liaison intermédiaire.

Lorsque le liant contenu dans la couche dure contenant du diamant ou du CBN présente une affinité relativement faible pour le substrat d'alliage ultradur, comme c'est le cas pour A1203, Si3N4 ou pc > ur SiC, ou lorsque la teneur en diamant ou en CBN dépasse 80 % en volume, l'effet de la couche de liaison intermédiaire conforme à.

l'invention est particulièrement marqué.

Les exemples non limitatifs suivants sont donnés à titre d'illustration de l'invention.

Exemple 1
Sur la face supérieure d'une pastille frittée de 10 mm de dil "rieur et de 3 mm de haut, composée deJ ..6Ji de~Co, on applique une poudre comprenant 60 % on volume de CBN, le reste étant constitué de TiN contenant 10 % en poids de Al, amenée à l'état de bouille addition d'un solvant organique contenant Qe l'éthyl cellulose
On place'l'échantillon ainsi préparé dans une capsule de Mo de 10 mm de diamètre intérieur et de 12 mm de diamètre extérieur, puis on tasse dans la capsule 0,3 g d'une poudre de diamant ayant une taille moyenne de particules de 5 ~u, de telle sorte qu'elle soit en contact direct avec la surface revêtue du mélange pulvérulent de CBN,
TiN et Al. On place ensuite sur celle-ci une plaque d'allia'ge de Fe-Ni de 0,3 mm d'épaisseur. On scelle la capsule au moyen d'un bouchon de Mo et on la place dans un appareil sous ultra haute pression destinée à la synthèse du diamant.

Comme milieu de compression on utilise une pyroferrite, et comme système de chauffage, un tube de graphite. On élève la pression à 60 Kb, puis on fait monter la température et on la maintient à 13009C pendant 30 minutes. On retire la capsule de Mo de l'appareil à ultra haute pression et on enlève le Mo par broyage pour obtenir une pastille frittée. La pastille frittée ainsi obtenue' est une pastille fritte de diamant d'environ 10 mm de diamètre extérieur et de 1 mm d'épaisseuri liée de manière rigide à un substrat de carbure cémenté de--WC 6 % de Co avec interposition d'une couche de liaison intermédiaire d'environ 50 P d'épaisseur contenant du CBN.

Par micro-analyse aux rayons X de l'interface de liaison, on trouve que la pastille frittée est liée de manière rigide par une matière de liaison Fe-Ni, alors qu'on n'observe aucun endroit où le Co du substrat de carbure cémenté et le Fe et le Ni utilisés pour le frittage du diamant soient abondants.

On découpe la pastille frittée composite au moyen d'un appareil de coupe diamanté et on la soude à une tige d'acier au moyen de soudure à l'argent ordinaire pour carbure cémenté à 8000C environ.

Après l'opération de soudure, on polit l'arête tranchante au moyen d'une meule diamantée.

L'examen ne montre aucune irrégularité dans l'état-de la liai S entre le couche oompacte frittée de diamant et le substrat de carbure cémenté.

On soumet l'outil de coupe ainsi obtenu à un essai de coupe sur-une barre ronde constituée de carbure cémenté de à12 % de Co de 50 min de diamètre extérieur, à une vitesse de coupe de 15 m/minute, pour une profondeur de coupe de 0,5 mm, et une épaisseur de métal enlevée de 0,1 mm/ tour. La couche de pastille frittée de diamant est exempte d'exfoliation même après 20 minutes de coupe. La largeur d'usure du flanc de l'outil est de 0,15 mm.

On fabrique un outil de coupe dans les mêmes conditions, à partir d'une pastille frittée du commerce, pour être utilisé dans un outil dans lequel la pastille frittée de diamant est liée directement à un substrat de carbure cémenté atec Co comme liant. Lorsqu'on soumet cet outil de coupe au même essai, dans les mêmes t couche de pastille frittée de diamant est exfoli ée de l 'interface entre celle-ci et le substrat de carbure cémenté premiers instantsde la coupe, ce qui rend l'opération impraticable.

Exemple 2
On mélange une poudre de CBN d'une taille moyenne de particules de 3 , une poudre '- - d'une taille moyenne de particules de 1 p et une poudre de TiC d'une taille moyenne de particules de 1 , dans le rapport 5:3:2 en volume, respectivement.

On comprime le mélange de poudres sous la forme d'une pastille de 10 mm de diamètre extérieur et de 1 mm de haut. On place un substrat de NC à 10 % d9 Co dans une capsule de Mo de 12 mm de diamètre extérieur et de 10 mm de diamètre intérieur, puis on place sur c ~ tette pastille comprimée. On place en outre sur celle-ci un mélange de poudre de diamant et d'un TiC d de particules de 3 p. On comprime à cha - é sous une pression ultras élevée de une couche l'exemple 1.La pastille frittée ainsi ob énue comprend une couche dure constituée de diamant et de TiC liée de façon rigide au substrat, de carbu re cémenté avec interposition d'une couche intermédiaire d'enri- ron 0,8 mm comprenant du CBN, du TiN, du TiC et du Ti(C,N).~
On laisse la pastille frittée dans un four à vide à une température de 10000C pendant 30 minutes.

La pastille frittée ne présente aucune modification et il ne se produit aucune exfoliation à l'interface de celle-ci.

Exemple 3
Dans une capsule de Mo de 12 diamètre extérieur, et de l0 mm de diamètre intérieur, on place un substrat de WC à 8 % de Co, revêtu d'un mélange de poudre constituée de 40 % en volume de CBN, le reste étant constitué de TiN contenant Al et Si, puis on tasse dans la capsule un mélange de poudres institué de poudre de diamant, de WC et de Co, d'une taille moyenne de particules inférieure à 1 P, dans le rapport 80:15:5 en volume, respectivement, de façon à ce qu'il soit en contact avec ce substrat. De même, on tasse dans une autre capsule un mélange de poudre constitué de poudre de diamant, de WC et de Co, d'une taille de particules moyenne de 1 > i, dans le rapport de 40:50:10, respectivement.On ferme hermétiquement les deux capsules au moyen de bouchons de Mo, et on les maintient dans un appareil à pression ultra-élevée sous 60 Kb et à 13000C pendant 30 minutes.

Les pastilles frittées ainsi obtenues comprennent une couche de pastille frittée de diamant liée de manière rigide au substrat de carbure cémenté avec interposition d'une couche de liaison intermédiaire constituée de
CBN, 'TiN, A1 et S, respectivement. Ces pastilles frittées composites sont transformées en outils de coupe de la même manière qu'à l'exemple 1, et soumises à un essai de coupe sur une pièce de AI à 20 % de Si, portant deux sillons en V, espa ces circonférenciellement de 1800, àune vitesse de coupe de 100 m/minute, pour une profondeur de coupe de 1 mm et une épaisseur d'enlèvement de métal de 0,30 mm/tour.

A titre de comparaison, on soumet au meme essai, dans les mêmes conditions, une pastille frittée du commerce destinée à être utilisée dans un outil dans lequel la pastille frittée de diamant est directement liée au substrat de carbure cémenté.

Dans le cas des deux pastilles frittees conformes à l'invention, on n'observe ni éclatement de l'arête tranchante, ni exfoliation de l'interface de liaison, même après passage à travers le sillon en V mille fois consécutives, tandis que dans le cas de la pastille frittée du commerce destinée à être utilisée dans un outil, l'exfoliation se produit après 100 passages à travers le sillon en V.

Exemple 4
On place dans une capsule de Mo de 10 mm de diamètre intérieur et de 12 mm de diamètre extérieur,
une pastille frittée constituée de WC a 6 % de Co, et on place
sur celle-ci une pastille comprimée de l0 mm de diamètre exté-
rieur et de 0,5 mm d'épaisseur d'un mélange de
nant CBN, TiN et TaN, d'une taille moyenne de particules
5 Zu dans le rapport 3:6:1 en volume. Puis on tasse dans
capsule 0,3 g d'une poudre de diamant d'une taille moyenne de particules de 7 p, et on place par-dessus une feuille de cui-
vre d'une épaisseur de 0,2 nua, et un disque de Ni de 0,1 mm d'épaisseur.On bouche hermétiquement la capsule avec un bouchon de Mo et on fritte dans un appareil à ultra a te pres
sion, a 13000C pendant 20 minutes, de la même manière qu'à l'exemple 1.

La pastille frittée' ainsi obtenue comprend une couche de pastille frittée de diamant d'environ 10 mm de diamètre extérieur et de 1 mm d'épaisseur liée de ** manière rigide à un substrat de WC-Co avec interposition d'une couche de liaison intermédiaire de 0,4 mm d'épaisseur contenant du CBN.

Même lorsqu'on chauffe cette pastille frittée composite à 1000 C pendant 2 heures sous vide, elle ne présente aucune exfolation à l'interface de liaison, et elle est parfaitement + Capable de résister au même essai de coupe que l'exemple 1.

Exemple 5
On place dans une capsule de Ni, de
10 mm de diamètre intérieur, un substrat de WC à 6 % de Co,
(diamètre extérieur 10 mm et hauteur 3 mm), revêtu jusqu'a une épaisseur de 0,1 mm d'une poudre de TiN comprenant 60% en volume de CBN, le reste étant constitué de 5 % en poids de Al, et amenée à l'état de bouillie avec un solvant orga- nique, et on tasse dans la capsule 0,30 g d'un mélange de poudres à 35 % en volume de CBN-A1203 de façon à ce qu'il Soit en contact avec ce substrat de carbure cémenté. Puis on place
par dessus un carbure cémenté de 3 mm d'épaisseur et une plaque de cuivre de 0,2 mm d'épaisseur, respectivement.

On ferme hermétiquement la capsule avec un bouchon de Ni et on la place dans ùn appareil à ultra haute pression, destiné à la synthèse du diamant. Comme milieu de compression, on utilise une pyroferrite, et comme système de chauffage, un tube de graphite. On élève la pression à 55 Kb, puis on porte la température à 1100 C, et on la maintient à cette valeur pendant 20 minutes.

On meule le Ni et on retire la capsule de l'appareil à ultra haute pression. la pastille frittée ainsi obtenue a un diamètre extérieur de 10 mm environ et une épaisseur de 1 mm.

La pastille. frittée est liée de façon rigide au substrat de carbure cémenté ayant une couche de liaison intermédiaire CBN-TiN-Al d'une épaisseur d'environ 0,1 mm. La pastille frittée n'est cependant pas liée au substrat, aucune couche de liaison intermédiaire n'est présente, et elle peut aisément être exfoliée de celui-ci.

Exemple 6
On mélange une poudre de CBN d'une taille moyenne de particules de 3 Ft avec TiN dans le rapport 9:1. De la même manière qu'à l'exemple 1, on revêt un substrat de WC à 6 % de Co d'un mélange de poudre comprenant 40 % en volume de CBN, le reste étant constitué de TiN, TIC et TIRAI dans le rapport pondéral 5:4:1. On tasse dans une capsule de Mo, -un mélange de poudre co'#s#itué de 60 % en volume de
CBN et de 40 % en volume de TiN, de façon à ce qu'il soit en contact avec la surface revêtue de poudre du substrat de carbure cémenté.

On fritte le tout à 13000C, sous une pression ultra-haute de 50 Kb. La pastille frittée ainsi obtenue est liée de manière rigide au substrat de carbure cémenté avec interposition d'une couche de liaison intermédiaire d'une épaisseur de 50 , constituée exclusivement de
CBN et de TiN
On coupe la pastille frittée composite au moyen d'une scie diamantee et on la soude sur une tige d'acier à environ 8000C, au moyen d'une soudure à l1ar- gent ordinaire destinée au carbure cémenté.

Après le soudage, on polit l'arête tranchante avec une roue diamantée.On constate que la couchas de pastille frittée de diamant est liée de faç 4 ide au substrat de carbure cémenté avec interposition a d'une couche de liaison intermédiaire.

L'examen de la pénétration d'impu- retés dans l'arête tranchante au moyen d'un micro analyseur à rayons X montre qu'il n'y a aucune trace de pénétration de de métaux de liaison du carbure cémenté. de
La résistance de liai - la cou- che dure contenant du CBN est déterminée en coupant une pièce (SCM 21) portant circonférenciellement des sillons en forme de
V en deux endroits séparés de 1800. Les conditions d'essai sont les suivantes : vitesse de coupe 100 m/minute, profondeur de coupe 1 mm; épaisseur d'enlèvement de métal 0,35 mm/tour.

A titre de comparaison, on soumet une pastille frittée du commerce, dans laquelle une couche dure contenant du CBN est liée par Co directement an substrat de carbure cémenté au même essai que, sus dessus.On trouve que la pastille frittée conforme à l'invention reste liée de manière rigide au substrate de carbure cémenté, même après 10 000 passages à travers les sillons, tandis que dani le cas d'une pastille frittée liée par Co du commerce, la coupe dure de CBN est exfoliée de l'interface entre celle-ci ? strat de carbure cémenté après 7000 passagts . > vers les sil- lons.

Exemple 7
On place dans une capsule de 10 mm de diamètre intérieur et de 14 mm de diamètre extérieur un carbure cémenté de WC à 10 % de oO,et on place par dessus un disque comprimé (diamètre 10 mm et épaisseur 0,5 mm), d'un mélange de poudre comprenant 20 % en volume de CBN, le reste étant constitué de TiN et TaC. Puis,on tasse dans la capsule un mélange de poudre comprenant 80 % en volume de CBN d'une taille moyenne de particules de 3 y, le reste étant constitué de A12()3 et de TiC, et on la ferme hermétiquement au moyen d'un bouchon de Mo.

On place le tout dans un appareil à ultra haute-pression, et on l'y maintient sous une pression de 70 Kb, sous une température de 160000C pendant 20 minutes.

Dans la pastille frittée ainsi obtenue, une couche dure contenant du CBN est liée de manière rigide au carbure cémenté avec interposition d'une couche de ,liaison intermédiaire.

La micro-analyse aux rayons X de la couche de liaison intermédiaire montre que le Co du carbure cémenté, bien que présent dans la couche de liaison intermédiaire, a été complètement empêché de swinfiltrer dans la couche dure contenant du CBN.

Claims

REVENDICATIONS frittée Pastille frittée compo - née à être utilisée dans un outil, caractérisée en ce qu'une pastille frittée dure contenant du diamant ou du nitrure de bore cubique dans la proportion de plus de 20 % du volume est liée à un substrat de carbure cémenté avec interposition d'une couche de liaison intermédiaire de moins de 2 mm d'épaisseur s ~.=m d'épais- seur, comprenant du nitrure de bore cubique dans une proportion ne dépassant' pas 70% % en volume, le reste étant constitué principalement d'un composé choisi parmi les carbures, nitrures carbo-nitrures ou borures des métaux de transition des groupés 4a, Sa ou 6a de la classification périodique, un mélange de ceux-ci ou une solution solide mutuelle de ceux-ci.

20) - Pastille frittée composite destinée à être utilisée dans un outil selon la revendication 1, caractérisée en ce que la couche de liaison intermédiaire ayant une épaisseur inférieure à 2 mm, comprend du nitrure de bore cubique dans une proportion inférieure a 70 % en volume, le reste étant constitué principalement d'un composé choisi puai les carbures, nitrures, carbo-nitrures ou borures de Ti, Zr, Hf métaux du groupe 4a de la classification périodique, un mélange de ceux-ci ou une solution solide @@@@@@ de so ci.
30) - Pastille frittée composite destinée à être utilisée dans un outil, selon la revendication 1 caractérisée en ce que la pastille frittée dure contient du nitrure de bore cubique, ledit composé constituant le reste étant choisi parmi les carbures, nitrures ou carbo-nitrures des métaux des groupes 4a et Sa de la classification périodi- que, un mélange de ceux-ci, ou une solution solide mutuelle de ceux-ci, avec addition de Al et/ou de Si dans une proportion dépassant 0,1 % en poids.
40) - Pastille frittée composite destinée à être utilisée dans un outil, selon la revendication 3, caractérisée en ce que la couche de liaison intermédiaire, d'une épaisseur inférieure à 2 mm, comprend du nitrure de bore cubique dans une proportion ne dépassant pas 70 % en volume, le reste étant constitué de carbure ou de nitrure de titane, métal 4a de la classification périodique, avec addition de

Al dans une proportion ne dépassant pas 0,1 % en poids.
50) - Procédé de fabrication d'une pastille frittée composite destinée à être utilisée dans un outil, caractérisée en ce qu'on place une poudre pour former une couche de liaison intermédiaire comprenant du nitrure de bore cubique dans une proportion inférieure à 70 % en volume, le reste étant principalement constitué d'un composé choisi parmi les carbures, nitrures, carbo-nitrures ou borures de métaux de transition des groupes 4a, Sa ou 6a de la classification périodique, un mélange de ceux-ci ou une solution solide mutuelle de ceux-ci, après compression, ou à l'état de poudre, sur un substrat de carbure cémenté, ou on l'applique au préalable sur ce substrat de carbure cémenté, puis on place par dessus une poudre pour former une pastille frittée dure contenant du diamant ou du nitrure de bore cubique dans une proportion dépassant 20 % en volume, après compression ou à l'état, de poudre, le tout étant comprimé à chaud sous une pression ultra-élevée et à haute température, ce qui permet de fritter la couche dure contenant du diamant ou du nitrure de bore cubique et la couche de liaison intermédiaire, et de lier les uns aux autres cette couche dure, cette couche de liaison intermédiaire, et le substrat.
60) - Procédé de fabrication d'une pastille frittée composite destinée à être utilisée dans un outil, selon la revendication 5, caractérisé en ce que la poudre destinée à former la couche de liaison intermédiaire comprend du nitrure de bore cubique dans une proportion ne dépassant pas 70 % en volume, le reste étant constitué principalement d'un composé choisi parmi les carbures, nitrures, carbo nitrures ou borures de Ti, Zr, Hf, métaux ux du groupe 4a de la classification périodique, un mélange -" ceux-ci où

une solution solide mutuelle de ceux-ci.
70) - Procédé de fabrication tille frittée composite destinée à être utilisée dans un' selon la revendication 5, caractérisé en ce que le composé est choisi parmi les carbures, nitrures ou carbo-nitrures, des métaux des groupes 4a ou 5a de la classification #f,i,çation périodique, un mélange de ceux-ci ou une solution soll@@@@@@nelle de de ceux- N'- Ci, avec addition supplémentaire de Al et/ou de une proportion dépassant 0,1 % en poids la compression du tout à chaud sous pression ultra-élevée et à une température élevée permettant simultanément au frittage de la couche du re conte-- nant du diamant ou du nitrure de bore cubique et de la couche de liaison intermédiaire, de les lier au substrat de carbure cémenté.

8 ) - Procédé de prduction d'une passelon la revendication 7,caractérisée en ce qu'on utilise comme matière pour la couche de liaison intermédiaire un composé non stoechiométrique dont la valeur de x est inférieure à 0,98, et de préférence dans l'intervalle de 0,9 à 0,5,~~ tF que les carbures, nitrures, carbo-nitrures de métaux du loupe 4a de la classification périodique sont représentés par

Mcx, MNX, M(CN)x respectivement.

- -Procédé de fabrication d' - - s- tille frittée composite destinée à être utilisée dan Un outil, selon la revendication 8, caractérisée en ce que le nitrure dU u métal du groupe 4a de la classification périodique est TiNx. .
100) - Procédé de fabrication d'une pas,'," tille frittée composite destirée à être utilisée dans un outil selon la revendication 5, caractérisé en ce que la poudre for- mant la couche de liaison intermédiaire est placée sur le su strat de carbure cémenté jusqu'a une épaisseur ne dépassant pas 2 mm.