FR2499062A1 - Procede de fabrication de corps polycristallins composites a base de diamant ou de nitrure de bore cubique - Google Patents

Abstract

PROCEDE AMELIORANT LA MASSE VOLUMIQUE ET LE DEGRE DE LIAISON DE CORPS POLYCRISTALLINS COMPOSITES A BASE DE DIAMANT OU DE NITRURE DE BORE CUBIQUE. IL CONSISTE A INCORPORER AU COURS DU PROCESSUS DE FABRICATION DU GRAPHITE FIBREUX AYANT SUBI LE TRAITEMENT THERMIQUE SUIVANT: CHAUFFAGE SOUS VIDE PARTIEL, REFROIDISSEMENT PUIS CASSURE DU VIDE, A UNE TEMPERATURE DE CHAUFFAGE COMPRISE: -ENTRE 800C ET 1700C SI LE TRAITEMENT A LIEU AVANT L'INCLUSION DU GRAPHITE DANS LE MELANGE CRISTALLIN; ENTRE 800C ET 1550C SI LE TRAITEMENT A LIEU APRES L'INCLUSION DU GRAPHITE DANS LE MELANGE CRISTALLIN. APPLICATION A LA FABRICATION D'OUTILS DE COUPE ET DE SURFACES D'USURE.

Description

La présente invention concerne la production d'un corps polycristallin

constitué par une masse de cristaux de diamant et/ou de nitrure de bore cubique (NBC) liés entre eux par un milieu composé de carbure de silicium et de silicium élémentaire, et plus particulièrement un procédé

destiné à améliorer la masse volumique et le degré de liai-

son de ces composites.

Bien que l'on ait proposé des techniques nombreuses et diverses pour former ces corps polycrystallins-composites, le meilleur procédé de fabrication est décrit dans le brevet des E.U.A. no 4 220 455. En bref, ce brevet décrit un procédé qui utilise un vide partiel pour améliorer l'infiltration du

silicium fluide pendant la fabrication de ces corps compo-

sites. Les brevets des E.U.A. no 4 238 433 et 4 242 106 décrivent des procédés assez semblables. L'amélioration de l'infiltration du silicium permet la fabrication d'un corps composite plus dense, plus complètement lié que cela n'était possible antérieurement à l'invention décrite dans le brevet

des E.U.A. no 4 220 455.

Un inconvénient du procédé de ce brevet est apparu lors de sa mise en oeuvre pour fabriquer des corps de grand

volume, par exemple de volume supérieur à 10 mm3 environ.

L'inconvénient relevé était l'existence d'une porosité et de surfaces non liées dans la masse après finition à la meule des

éléments composites, ce qui rendait le corps composite inac-

ceptable pour les nombreuses applications envisagées, par

exemple comme surfaces d'usure et outils de coupe. On a dimi-

nué la porosité en réduisant la vitesse de chauffage jusqu'à la température d'infiltration à environ 100C par minute, ou moins; toutefois, les conditions décrites restaient telles que le corps composite résultant était encore inacceptable

pour certaines applications envisagées. On pense que des impu-

retés volatiles présentes dans les matériaux de fabrication ne se volatilisent pas complètement, ou si elles se volatilisent pendant l'infiltration, ne sont pas capables de s'échapper du corps, ce qui est à l'origine de la porosité et des surfaces non liées dans la masse. Bien que l'utilisation de vitesse de chauffage plus lentes jusqu'à la température d'infiltration permet apparemment à davantage d'impuretés de s'échapper de la masse, il reste encore trop d'impuretés dans le corps. De plus, on a trouvé qu'il n'était pas possible d'obtenir des tolérances dimensionnelles sans utiliser des limites fixes sur toutes les surfaces du composite pendant sa fabrication, du fait du degré inacceptable de porosité et des surfaces

non liées dans la masse.

La présente invention remédie aux difficultés de porosité et de surfaces non liées dans la masse du corps composite, en utilisant une étape de chauffage sous vide que

l'on décrira en détail ci-après.

La présente invention constitue une amélioration du procédé de fabrication d'un corps polycrystallin mis en forme constitué d'une masse de cristaux choisis parmi le diamant, le nitrure de bore cubique et leurs combinaisons, liés de manière adhérente les uns aux autres par un milieu de liaison de carbure de silicium et de silicium élémentaire. Ce corps mis en forme peut être fait d'un mélange de cristaux revêtus de carbone sous une forme autre que-la forme diamant, de silicium élémentaire, et de graphite fibreux. Le revêtement

de carbone des cristaux n'est pas absolument nécessaire.

Le corps mis en forme est constitué, de préférence, d'un mélange pratiquement homogène des cristaux mentionnés et d'un matériau carboné, tel qu'aucune des surfaces de ces cristaux soit notablement apparente et que pratiquement tous les cristaux soient enveloppés et séparés au moins par un revêtement cohérent continu du matériau carboné sur les cristaux, le matériau carboné étant choisi dans le-groupe constitué par du carbone élémentaire sous une forme autre que la forme diamant, un matériau organique qui se décompose complètement à une température inférieure à 14000C en carbone élémentaire sous une forme autre que la forme diamant et en

produits de décomposition gazeux, et leurs mélanges.

L'amélioration du procédé de la présente invention destiné à diminuer la porosité et à augmenter la masse volumique de l'élément consiste à soumettre le graphite

fibreux à un traitement thermique sous un vide partiel infé-

rieur à environ 133 Pa de la manière suivante: (1) pour le graphite fibreux avant son incorporation au mélange, le chauffer à une température comprise entre environ 800C et 17000C, puis former un mélange comprenant le graphite fibreux traité; et (2) pour le mélange comprenant le graphite fibreux, le chauffer à une température comprise entre environ 8000C et 1550 C; On recommande d'utiliser pour fabriquer le corps polycristallin mis en forme un procédé qui consiste à mettre en place le mélange dans la cavité d'un moule;associer une masse de silicium solide au mélange dans la cavité;établir un vide partiel dans la structure de'tmoulage; chauffer l'ensemble sous ce vide partiel à une température supérieure à 14000C, à laquelle le silicium est fluide pour que le silicium fluide s'infiltre dans le mélange, le silicium qui s'infiltre réagissant avec le carbone élémentaire sous une forme autre que la forme diamant(ou avec le diamant lui-même dans le cas de cristaux de diamant non revêtus) pour former le carbure de silicium et refroidir la masse de cristaux ayant subi l'infiltration et la récupérer. Le vide a pour fonctions d'éliminer le gaz piégé du mélange à l'intérieur de la cavité du moule, d'empêcher la graphitisation du diamant,

et d'empêcher l'oxydation du silicium. on obtiendra commodé-

ment ces résultats en plaçant la structure de moulage et le

silicium qui lui est associé à l'intérieur d'un four à vide.

Les cristaux liés représentent, en volume, dans le corps mis en forme, environ 1 % à moins de 70 % du volume

total de l'élément. Dans deux procédés de fabrication recom-

mandés du corps polycristallin mis en forme, le graphite fibreux du mélange, lorsque le mélange est associé à du silicium solide, est constitué par du graphite fibreux traité thermiquement; ou on soumet le mélange comprenant le graphite fibreux non traité au traitement thermique, que l'on fait de préférence suivre d'une compression ou d'une recompression du mélange et ensuite de l'étape d'association

du silicium solide du procédé.

L'invention compte parmi ses avantages la possibi-

lité de conserver des tolérances dimensionnelles pour le corps mis en forme sans qu'il soit nécessaire de maintenir des limites fixes sur toutes les surfaces du composite pendant sa fabrication. Elle présente encore l'avantage de permettre de produire des composites denses, complètement liés qui sont utiles comme pièces d'usure et outils de coupe ou pour leur fabrication. La présente invention présente encore l'avantage de permettre la fabrication de corps de grand volume, c'est-à- dire d'un volume supérieur à 10 mm3 environ, et de permettre la fabrication de tels corps de

grand volume, denses et complètement liés.

La suite de la description se réfère aux figures

annexées, qui représentent respectivement Figure 1, une micrographie (grossissement x 6,5) d'une coupe polie du disque de composite de diamant/SiC/Si fabriqué à partir de graphite fibreux traité conformément à la présente invention et constituant l'éprouvette 1 de l'exemple 1; et Figure 2, une micrographie (grossissement x 6,5) d'une coupe polie du disque de composite de diamant/SiC/Si fabriqué conformément au brevet des E.U.A. n0 4 220 455 à

partir de graphite fibreux non traité et constituant l'é-

prouvette 2 de l'exemple 1.

On décrira les figures d'une manière détaillée,

en liaison avec l'exemple 1.

On utilise du graphite fibreux pour la fabrication des éléments composites de la présente invention parce que ces fibres favorisent l'infiltration du silicium fluide par capillarité. Cette infiltration capillaire contribue à l'obtention d'un écoulement continu et complet du silicium

dans toute la masse de l'élément pendant sa fabrication.

Aux fins de la présente invention, le graphite est "fibreux" lorsqu'il favorise cette infiltration capillaire. Cela se traduit habituellement par un rapport longueur/largeur des fibres de graphite supérieur à 2:1, avantageusement compris entre 2:1 et environ 10:1, et de préférence compris entre

environ 3:1 et 4:1.

La porosité et, de manière correspondante, la masse volumique de l'élément composite, proviernent- au moins en partie des gaz ou des vapeurs qui sont piégés à l'intérieur de l'élément pendant sa fabrication. La libération de ces gaz piégés dépend nécessairement du rapport du volume à la surface spécifique du corps. Un second facteur relatif à la porosité concerne plus directement l'étape d'infiltration du silicium du procédé et implique la profondeur d'infiltration, c'est-à-dire la distance que le silicium doit parcourir de

son entrée dans l'élément jusqu'au côté opposé de l'élément.

Pour des comprimés de grand volume la formation de carbure

de silicium peut arrêter l'infiltration du silicium fluide.

L'utilisation de graphite fibreux contribue à garantir l'é-

coulement continu et complet du silicium à travers l'élément.

Pour la plupart des comprimés mis en forme, le rapport du

volume à la surface spécifique et la profondeur d'infiltra-

tion agissent sur l'infiltration du silicium pour un volume

d'environ 10 mm3 et plus.

Le fait de soumettre le graphite fibreux au processus de traitement thermique sous vide de la présente invention, améliore de manière inattendue, mais extraordinaire, la masse volumique du corps composite résultant, de même qu'il diminue l'apparition des surfaces non liées dans la masse. Bien que l'on ne comprenne pas complètement les fondements de l'invention, on pense que certaines impuretés résiduelles sont associées au graphite fibreux, impuretés qui se volatilisent pendant l'étape d'infiltration sous vide du procédé de fabrication. Les impuretés qui se sont

volatilisées ne peuvent pas s'échapper complètement de l'in-

térieur de l'élément, et sont à l'origine de la porosité et de surfaces non-liées dans la masse de l'élément. On n'a

noté aucun dégagement d'impuretés ou de produits de conta-

mination particuliers lors de l'examen superficiel du gra-

phite fibreux pendant son traitement thermique sous vide.

Quelle que soit l'origine du succès de la présente invention, elle satisfait au but recherché qui est d'augmenter la masse volumique et d'améliorer la liaison des surfaces à l'intérieur

de corps composite.

On peut mettre en pratique la présente invention sous au moins deux formes de réalisation distinctes. Dans la réalisation la plus recommandée, on soumet le graphite fibreux lui-même au procédé de traitement thermique sous vide avant de l'utiliser pour la formation du corps composite. La mise en pratique de cette réalisation est facile et il suffit de placer la fibre de graphite seule dans dans une nacelle appropriée et, par exemple, dans une nacelle de graphite et de la soumettre à une température comprise entre environ 8000C et 1700C en maintenant un vide partiel de moins

d'environ 133 Pa et, de préférence, de moins d'environ 13 Pa.

On recommande d'utiliser pour le procéder de traitement thermique sous vide une température de chauffage comprise entre environ 13000C et 1550C. On chauffe pendant une

durée permettant à la fibre finale de graphite traitée ther-

miquement de former un corps composite amélioré. Cela se traduit par unedurée de chauffage normalement comprise

entre environ i et 5 minutes. -

On mélange ensuite le graphite fibreux traité avec du diamant et/ou du NBC et, éventuellement, avec un autre matériau carboné, puis on transfère ce mélange dans un moule pour le traiter conformément aux instructions du brevet des E.U.A. no 4 220 455. On a déterminé, de manière inattendue, que l'on pouvait donner toute latitude quant à la mise en oeuvre des procédés de manipulation du graphite fibreux traité, avant son mélange avec-le diamant et/ou le NBC et, éventuellement, avec un autre matériau carboné.On peut donc exposer le graphite fibreux traité à l'air (à l'oxygène atmosphérique) sans aucune recontamination apparente du graphite fibreux traité, par exemple par adsorption ou par un autre phénomène superficiel.De plus, on peut stocker le graphite fibreux traité pendant des durées prolongées (par exemple de plusieurs jours) dans un récipient fermé avant

de l'utiliser pour former le comprimé. La stabilité inhabi-

tuelle du graphite fibreux traité permet une mise en oeuvre

commerciale plus souple de la présente invention, en auto-

risant, par exemple, la préparation d'une grande quantité de fibres de graphite traitées convenant à la-préparation de plusieurs échantillons subissant l'infiltration du silicium en même temps ou à la préparation de plusieurs de ces échantillons subissant l'infiltration sur des périodes

de temps prolongées.

Dans une autre réalisation de la présente invention, on forme tout d'abord un mélange pratiquement homogène de cristaux (qui peuvent être revêtus de carbone sous une forme autre que la forme diamant) et de graphite fibreux. On soumet ce mélange pratiquement homogène, que l'on peut comprimer, à une température comprise entre environ 8000C et 15500C sous un vide partiel de moins d'environ 133 Pa pour mettre en oeuvre le procédé de traitement thermique sous vide de la

présente invention.

Lorsque le procédé de traitement thermique sous vide est terminé, au bout d'environ 1 à 5 minutes, on laisse

refroidir l'échantillon au voisinage de la température am-

biante et on casse le vide. Le traitement diminue la masse volumique réelle du mélange traité résultant, le faisant para!tre cotonneux. On tasse ou comprime donc le mélange

traité de manière classique. On notera que l'on peut avan-

tageusement mettre en pratique le traitement thermique sous

vide du mélange dans le moule utilisé pour le procédé ulté-

rieur d'infiltration du silicium du brevet des E.U.A.

no 4 220 455.

En utilisant ce procédé, comme on l'expliquera plus en détail ci-dessous, on place ensuite une masse de silicium au voisinage du moule contenant le mélange traité de manière à permettre le passage du silicium fluide dans le mélange préchauffé enfermé dans le moule aux valeurs

opératoires de température et de pression. On met avanta-

geusement le silicium en place en le disposant dans un réservoir qui constitue une partie supérieure du moule,

comme on l'a représenté figure 1 du brevet des E.U.A.

no 4 220 455.

Quelle que soit la technique utilisée pour mettre en pratique les principes de la présente invention, on fabrique de préférence le corps composite comprenant les fibres de graphite traitées, conformément aux instructions du brevet des E.U.A. no 4 220 455. Comme on l'indique dans ce brevet, l'élément composite de forme et de taille prédéterminées est fait d'un mélange pratiquement homogène de cristaux de diamant et/ou de nitrure de bore cubique et d'un matériau carboné, dans lequel aucune des surfaces des cristaux n'est apparente de manière importante et dans lequel une quantité importante des cristaux sont enveloppés et séparés les uns des autres au moins par un revêtement cohérent continu du matériau carboné. Ce mélange comprend

encore la fibre de graphite traitée conformément à la pré-

sente invention. Comme on l'a noté dans ce brevet, les cristaux de diamant utilisés dans le présent procédé peuvent être naturels ou synthétiques. Les cristaux de diamant et/ou de nitrure de bore cubique de la présente invention peuvent

présenter une taille comprise, pour les plus grandes dimen-

sions, entre une valeur inférieure au micromètre et environ 2000vXm, et plus, généralement d'environ 1000,Am. La taille ou les tailles utilisées dépendent beaucoup du tassement ou

de la densité de cristaux voulue et aussi du corps résultant.

Pour la plupart des applications aux abrasifs, on recommande d'utiliser des cristaux de taille ne dépassant pas environ 60,*m. Pour augmenter au maximum le tassement des cristaux, leurs dimensions doivent, de préférence, s'échelonner sur une gamme donnée, c'est-à-dire qu'il doit y avoir des cristaux

de petite taille, de taille moyenne et de grande taille.

De préférence, la taille des cristaux s'échelonne entre environ 1 à 60km, et de préférence, à l'intérieur de cet intervalle de dimension, environ 60 % à 80 % en volume de la masse totale de cristaux appartiennent au groupe de la plus grande taille, environ 5 % à 10 % en volume sont de taille moyenne, le reste étant constitué par les cristaux

ou particules de petite taille.

La répartition des tailles des cristaux est

facilitée par le broyage au jet de cristaux plus grands.

De préférence, on nettoie chimiquement les cristaux pour éliminer de leur surface tout oxyde ou autre impureté avant de les utiliser dans le présent procédé. On peut le faire en chauffant les cristaux dans l'hydrogène à environ 9000C

pendant environ une heure.

Le matériau carboné peut être constitué par du carbone élémentaire sous une forme autre que la forme diamant, par un matériau organique, ou par leurs mélanges. Le matériau organique se décompose complètement à une température élevée, au-dessous de 14000C, et se décompose habituellement complè- tement à une température comprise entre environ 500C et environ 12000C, pour produire du carbone élémentaire sous une

forme autre que la forme diamant et des produits de décomposi-

tion gazeux.

On peut citer parmi les matériaux organiques que l'on peut utiliser dans le présent procédé, des polymères d'hydrocarbures aromatiques comme le polyphénylène et le polyméthylphénylâne, des dérivés d'hydrocarbures aromatiques polynucléaires contenus dans les goudrons de houille comme le dibenzanthracène et le chryzène. On peut encore citer comme exemplesde matériaux organiques utilisables, les résines époxy telles que le produit de réaction de l'épichlorhydrine et du bisphénol-A. On peut encore citer comme exemples de matériaux organiques utilisables des résines phénoliques obtenues par condensation du phénol ou de phénols substitués avec des aldéhydes comme le formaldéhyde, l'acétaldéhyde et

le furfural. On peut plus particulièrement citer comme exem-

ples les produits de condensation de phénol-formaldéhyde, de

résorcinol-formaldéhyde, d'aniline-formaldéhyde et de crésol-

formaldéhyde.

On met avantageusement en oeuvre le procédé de fabrication du corps composite dans un appareil comme celui

représenté et décrit dans le brevet des E.U.A. no 4 220 455.

Comme on l'a noté dans ce brevet, on chauffe le mélange enfermé et le silicium, à la température d'infiltration qui est supérieure à 14000C. Lorsque le matériau carboné est un matériau organique, ce matériau organique se décompose complètement à une température inférieure à 1400 C pour produire du carbone élémentaire sous une forme autre que la forme diamant et des produits de décomposition gazeux. La masse ou le mélange enfermé dans le moule, dans lequel le

silicium s'infiltre est essentiellement constitué de cris-

taux, à savoir de cristaux de diamant, de nitrure de bore cubique ou de leurs combinaisons,de graphite fibreux traité et de carbone élémentaire sous une forme autre que la forme diamant. Le carbone élémentaire sous une forme autre que la forme diamant dans le mélange enfermé dans le moule, doit être au moins légèrement poreux pour que le silicium puisse

s'y infiltrer. En particulier, la porosité du carbone élémen-

taire sous une forme autre que la forme diamant peut varier,

mais sa masse volumique ne doit pas dépasser 0.96 g/cm3.

Si le carbone élémentaire sous une forme autre que la forme diamant présente une masse volumique supérieure à 0,96 g/cm3, le silicium élémentaire fluide ne pourra pas y pénétrer ou s'il peut y pénétrer, l'élément résultant se boursouflera et sera déformé. La porosité maximum du carbone élémentaire sous une forme autre que la forme diamant est celle qui conserve la forme du mélange enfermé dans le moule sans qu'aucune des

surfaces des cristaux ne soit apparente de manière importante.

En général, la porosité maximum. du carbone élémentaire sous une forme autre que la forme diamant est d'environ 50 % en volume, du volume total du carbone élémentaire sous une forme autre que la forme diamant présente dans le mélange mis en

forme enfermé dans le moule.

On met en oeuvre cette infiltration à une tempé-

rature supérieure à 14000C, à laquelle le silicium devient fluide, et qui n'a pas d'action nuisible importante sur les cris-aux. Pour les cristaux de nitrure de bore cubique, il n'est pas utile d'employer des températures d'infiltration très supérieures à environ 14500C puisqu'elles-provoqueraient

vraisemblablement la transformation en nitrure de bore hexa-

gonal. D'autre part, pour les cristaux de diamant, l'utilisa-

tion de températures supérieures à 15500C n'apporte pas d'avantage important. Par-"une température à laquelle le

silicium devient fluide" il faut comprendre ici une tempé-

rature à laquelle le silicium peut s'écouler facilement. Le silicium fluide est hautement mobile et hautement réactif avec le carbone élémentaire sous une forme autre que sous la

forme diamant, c'est-à-dire qu'il présente une affinité pour -

le carbone élémentaire sous une forme autre que la forme diamant, en le mouillant et en réagissant avec lui pour former du carbure de silicium. Il réagit également avec le diamant lui-même pour former du carbure de silicium. En particulier, lorsque le silicium est à sa température de fusion, qui est donnée dans la technique comme comprise entre environ 14120C et environ 14300C, il présente une viscosité élevée, mais lorsque sa température augmente, il devient moins visqueux, et à une température supérieure

d'environ 10'C à son point de fusion, il devient fluide.

La température à laquelle le silicium est fluide est la température à laquelle il pénétrera qu s'infiltrera dans les passages, les interstices ou les vides, de taille capillaire du présent mélange de cristaux, de graphite fibreux traité et de carbone élémentaire sous une forme autre que la forme diamant, enfermé dans le moule. Si la température augmente, la coulabilité du silicium fluide augmente, ce qui a pour

résultat une augmentation de la vitesse de réaction.

Suffisamment de silicium s'infiltre dans toute la

masse ou dans tout le mélange enfermé dans le moule, péné-

trant ou s'infiltrant dans les vides oq dans les pores du mélange par capillarité pour réagir avec la quantité totale de carbone élémentaire sous une forme autre que la forme diamant (y compris le graphite fibreux) présente dans le

mélange enfermé pour former du carbure de silicium et égale-

ment pour remplir tous les pores ou tous les vides qui pourraient rester après la formation du carbure de silicium pour produire un corps d'une seule pièce, fortement lié et au moins pratiquement dépourvu de pores. En particulier, le carbure de silicium occupe un volume plus grand que le carbone élémentaire sous une forme autre que la forme diamant, ce qui diminue la porosité, et tous les pores restant après la formation du carbure de silicium sont remplis pendant l'infiltration par du silicium élémentaire. Egalement pendant l'infiltration, Le silicium réagit avec Le revêtement de carbone élémentaire sous une forme autre que la forme

diamant sur les surfaces des cristaux pour former un revête-

ment protecteur adhérent de carbure de silicium sur les surfaces de diamant, n'entraînant pas ou pratiquement pas de perte de cristal et pas ou pratiquement pas de changement important de forme ou de dimensions des cristaux. On laisse refroidir la masse résultante infiltrée dans une atmosphère n'ayant pas d'action néfaste importante; on la laisse de préférence refroidir dans le four sous le vide partiel jusqu'à la température ambiante et on récupère le corps polycrystallin résultant. Comme on l'a indiqué précédemment, le revêtement de carbone sous une forme autre que la forme diamant des cristaux (que l'on peut obtenir en exposant les cristaux à du carbone obtenu par pyrolyse du méthane dans un four)

n'est pas absolument nécessaire. On peut utiliser les cris-

taux sous une forme non revêtue, ce qui présente l'avantage de supprimer l'étape de revêtement. Toutefois, dans le cas particulier du diamant, le silicium réagira avec le carbone diamant accessible pour former du carbure de silicium consommant dans cette opération du diamant dont le coût est élevé.

On peut déterminer empiriquement le temps néces-

saire à une infiltration complète du silicium, et il dépend beaucoup de la taille du mélange mis en forme. Le plus souvent, l'infiltration du silicium fluide dans le mélange mis en forme enfermé dans le moule sera achevée en 15 minutes environ. Cette invention présente l'avantage particulier de

permettre de produire directement le présent corps poly-

cristallin dans une large gamme de tailles et de formes que l'on ne pouvait pas obtenir jusque là ou qui nécessitait un usinage coûteux et fastidieux à cause de la nature même du matériau. La longueur du présent élément peut, par exemple, atteindre plusieurs cm ou il peut être aussi long qu'on le souhaite et présenter une géométrie complexe, et on peut, en particulier, le produire sous la forme d'un tube ou d'un cylindre creux, d'un anneau, d'une sphère ou d'une

barre terminée à une de ses extrémités par une pointe fine.

De plus, comme on produit ce corps polycrystallin sous une forme et des dimensions prédéterminées, il nécessite peu ou

pas d'usinage.

On peut souder, braser ou faire adhérer d'une autre manière une partie du corps polycrystallin produit selon la présente invention à un matériau support approprié, tel que du carbure de silicium fritté ou pressé à chaud, du nitrure de silicium fritté ou pressé à chaud, ou un carbure fritté, ou un métal comme le molybdène pour former une mise rapportée d'outil qui, par exemple, peut être maintenue par une tige d'outil s'adaptant dans une machine-outil, ce qui permet d'utiliser la surface apparente du corps polycrystallin pour l'usinage direct. En variante on peut fixer mécaniquement le présent corps polycrystallin à un outil de tour pour utiliser la surface apparente du corps polycrystallin pour l'usinage direct. On peut ensuite utiliser les corps composites finis de la présente invention comme surfacesd'usures, pastilles et

mises rapportées d'outils de coupe, pointes de forets héli-

coldaux, segments de scie et de carottes de sondage, et autres

articles destinés à ce type d'applications.

Dans la présente invention, sauf indication contraire, toutes les températures sont exprimées en degrés centigrades, toutes les proportions sont exprimées en volume,

toutes les tailles micrométriques sont exprimées en micro-

mètres et toutes les unités appartiennent au système métrique.

DANS LES EXEMPLES On a fabriqué tous les corps composites préparés dans les exemples selon

la Technique d'infiltration du

silicium sous vide décrite dans le brevet des E.U.A.

no 4 220 455, excepté que l'on soumettait le graphite fibreux au traitement thermique sous vide de la présente invention. En bref, le graphite fibreux était fait de tissu tissé coupé que l'on avait soumis pendant environ 3 minutes à un broyage dans un broyeur oscillant à billes chargé de

billes d'acier. Les fibres de graphite présentaient un rap-

port nominal longueur/largeur compris entre environ 3:1 et 4:1. Le diamant et le nitrure de bore cubique utilisés dans les exemples portaient un revêtement uniforme continu de carbone pyrolytique résultant de la décomposition de

gaz naturel chauffé à une température d'environ 1200 C.

Les moules utilisés pour l'infiltration du silicium étaient en graphite chemisé de nitrure de bore hexagonal ou en

nitrure de bore hexagonal. On a utilisé un appareil iden-

tique à celui représenté et décrit dans le brevet des E.U.A. n 4 220 455 pour l'infiltration du silicium sous vide à

une température comprise entre environ 1450 C et 1500 C.

EXEMPLE 1

On a fabriqué deux disques-éprouvettes d'usure de diamant/SiC/Si pour les étudier. Les disques présentaient un diamètre d'environ 1,27 cm et on les a meulés pour qu'ils présentent une épaisseur d'environ 0,32 cm en utilisant une meule classique liée par une résine contenant des grains de

diamant de 250/180k-m (c'est-à-dire que les particules pas-

saient à travers un tamis de 250/.m mais étaient retenues sur le tamis de 180/,-m). Chaque disque-éprouvette contenait des grains de diamant de 75/68#m en une concentration en volume de 70 %. On a infiltre du silicium dans chacun des disques, de manière identique, excepté que dans l'éprouvette 1 (éprouvette de l'invention) on utilisait des fibres de

graphite que l'on avait préalablement soumises à un traite-

ment thermique sous vide à 14500-1500 C sous une pression totale inférieure a 13,3 Pa pendant environ 5 minutes avant leur incorporation aux grains de diamant; et que dans l'éprouvette 2 (éprouvette comparative) , on utilisait des

fibres de graphite non-traitées.

On peut voir par simple observation les différences de porosité et le degré de liaison sur les figures qui sont des micrographies (à un grossissement d'environ x 6,5) des

surfaces meulées des deux disques. On notera le trou irré-

gulier restant dans l'éprouvette 2 (fig. 2). La surface de l'éprouvette 1 (fig. 1) est plus lisse et présente moins de trous que celle de l'éprouvette 2 fabriquée conformément au

brevet des E.U.A. n 4 220 455.

On a montré clairement les résultats intéressants que permet d'obtenir le traitement thermique sous vide du

graphite fibreux.

EXEMPLE 2

On a fabriqué un autre disque de même dimension, de même taille de particules et de même concentration en volume en ce qui concerne le diamant que celui de l'exemple 1. Dans cet exemple, toutefois, on a placé le diamant revêtu de carbone sous une forme autre que la forme diamant et le graphite fibreux dans un moule et on a placé le moule rempli

dans un four chauffé aux environs de 15000C sous une pres-

sion totale inférieure à 13,3 Pa. Après un temps de chauffage d'environ 5 minutes sous vide, on a fait refroidir le mélange, on l'a retiré du four, recomprimé, puis on y a infiltré du silicium. Le disque composite résultant était dense et sa

surface meulée ne présentait pas de trous.

EXEMPLE 3

On a fabriqué plusieurs composites de NBC/SiC/Si sous la forme d'un solide rectangulaire présentant les dimensions approximatives suivantes.: 1,30 cm x 1,30 cm x 0,48 cm. On a utilisé des particules de NBC d'une taille comprise entre 45 et 38>,m et on a fabriqué des composites à 30 % et à 50 % en volume. On a chauffé le graphite fibreux à 15000C sous une pression totale inférieure à environ 13,3 Pa pendant environ 5 minutes avant de le mélanger avec le NBC revêtu de carbone sous une forme autre que la forme diamant. Les composites résultants ayant subi l'infiltration du silicium étaient denses et ne présentaient pas de porosité visible.

EXEMPLE 4

On a fabriqué plusieurs composites rectangulaires pleins, dont les dimensions étaient approximativement les suivantes: 0,95 cm x 1,27 cm x 2, 70 cm en utilisant les quatre combinaisons suivantes de taille de particules et de

concentration pour le diamant.

Eprouvette No Gamme de taille des Concentration pr t particules (m) (% en volume)

I 68/53 15

II 68/53 30

III 250/180 15

IV 250/180 30

On a chauffé le graphite fibreux avant son mélange avec le diamant revêtu de carbone sous une forme autre que la forme diamant et sa densité de tassement était dans le

mélange homogène de 0.4 g/cm3.

Les composites résultants ayant subi l'infiltration

étaient denses et on n'a pas pu mettre de porosité en évi-

dence par simple observation des surfaces meulées de coupes

droites des composites.

Claims (11)

REVENDICATIONS

1. Procédé de fabrication d'un corps polycristallin mis en forme constitué par une masse de cristaux choisis dans le groupe constitué par des cristaux de diamant, de nitrure de bore cubique et leurs combinaisons, liés de manière adhé- rente les uns aux autres par un milieu de liaison de carbure

de silicium et de silicium élémentaire; cristaux représen-

tant entre 1 et 70 pour cent en volume de ce corps,ce procédé comprenant: (a) l'infiltration dans un mélange pratiquement homogène de ces cristaux, de silicium fluide sous un vide partiel à une température supérieure à 14000C; et (b) le refroidissement et la récupération de la masse de cristaux résultante ayant subi l'infiltration, procédé

caractérisé en ce que pour diminuer la porosité et aug-

menter la masse volumique de l'élément, on incorpore du graphite fibreux au mélange de cristaux et en ce qu'on met en oeuvre une étape de traitement thermique sous vide avant l'étape d'infiltration (a), traitement que l'on effectue dans les conditions suivantes: (1) traitement effectué sur le graphite fibreux avant

de l'incorporer au mélange de cristaux à une tempé-

rature comprise entre environ 8000C et 1700 C, suivi du refroidissement et de la suppression du vide; ou (2) traitement effectué sur le mélange de cristaux et de graphite fibreux à une température comprise entre environ 8000 et 15500C, suivi du refroidissement et

de la suppression du vide.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé

en ce qu'on incorpore un matériau carboné au mélange de cris-

taux pratiquement homogène de l'étape (a), de manière à ce qu'aucune des surfaces des cristaux ne soit apparente, de

manière importante, et à ce que pratiquement tous les cris-

taux soient enveloppés et séparés au moins par un revêtement cohérent continu du matériau carbone, le matériau carboné

étant choisi dans le groupe constitué par du carbone élémen-

taire sous une forme autre que la forme diamant, un matériau organique qui se décompose complètement à une température inférieure à 14000C en carbone élémentaire sous une forme

qui n'est pas la forme diamant et en produits de décomposi-

tion gazeux, et leurs mélanges; en ce que l'on place le mélange de cristaux et de matériau carboné dans la cavité d'un moule pour l'étape (a) et en ce qu'on met en oeuvre l'étape (a) en associant

une masse de silicium au mélange dans la cavité, en établis-

sant un vide partiel dans la structure de moulage et en chauffant la structure de moulage à une température supérieure

à 14000C à laquelle le silicium est fluide; pour qu'il s'in-

filtre dans le mélange, le silicium qui s'infiltre réagissant

avec le carbone présent pour former du carbure de silicium.

3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le graphite fibreux présente un rapport nominal

longueur/largeur compris entre environ 2:1 et 10:1.

4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en

ce que ce rapport est compris entre environ 3:1 et 4:1.

5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé

en ce que les cris'-aux sont des cristaux de diamant.

6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les cristaux sont des cristaux de nitrure de bore cubique.

7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément présente un volume supérieur à 10 mm3 environ.

8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on soumet le graphite fibreux au traitement

thermique avant de l'incorporer au mélange.

9. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on soumet le mélange contenant le graphite fibreux au traitement thermique, et en ce qu'on comprime le mélange

résultant avant de le soumettre à l'étape dans laquelle inter-

vient le silicium.

10. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on met en oeuvre le traitement thermique de la partie

(1) à une température comprise entre environ 13000 et 15500C.

11. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on met en oeuvre le traitement thermique pendant un

temps compris entre environ 1 et 5 minutes.