FR2508429A1 - Procede de preparation de polycristal de nitrure de bore compose de ses modifications compactes et polycristal obtenu par ledit procede - Google Patents
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Abstract
L'INVENTION CONCERNE LA FABRICATION DE MATERIAUX EXTRA-DURS PAR APPLICATION DE PRESSIONS ET DE TEMPERATURES ELEVEES. LE PROCEDE FAISANT L'OBJET DE L'INVENTION EST DU TYPE COMPRENANT: -LA PREPARATION D'UNE CHARGE A PARTIR DE NITRURE DE BORE HEXAGONAL; UNE COMPRESSION DE LADITE CHARGE SOUS UNE PRESSION DE 3 A 8 KBARS ET L'OBTENTION D'UNE EBAUCHE; -L'ACTION SUR L'EBAUCHE OBTENUE D'UNE HAUTE PRESSION ET D'UNE TEMPERATURE ELEVEE, CARACTERISEE EN CE QUE L'ACTION SUR L'EBAUCHE D'UNE HAUTE PRESSION ET D'UNE HAUTE TEMPERATURE S'EFFECTUE EN DEUX STADES: -ON FAIT D'ABORD AGIR SUR L'EBAUCHE UNE PRESSION DE 100 A 150 KBARS ET UNE TEMPERATURE DE 290 A 1500 K PENDANT UN LAPS DE TEMPS SUFFISANT POUR TRANSFORMER AU MOINS 15 EN POIDS DU NITRURE DE BORE HEXAGONAL EN SA MODIFICATION WURTZITOIDE; -ON FAIT ENSUITE AGIR SUR LE MATERIAU COMPACTE AINSI OBTENU UNE PRESSION DE 40 A 90 KBARS ET UNE TEMPERATURE DE 1600 A 3200 K PENDANT UN LAPS DE TEMPS SUFFISANT POUR LA TRANSFORMATION COMPLETE DU NITRURE DE BORE HEXAGONAL EN SES MODIFICATIONS COMPACTES. LES MATERIAUX EXTRA-DURS EN QUESTION SONT UTILISES NOTAMMENT POUR LA FABRICATION D'OUTILS DE TOUR, DE COURONNES DE FORAGE, DE FRAISES.
Description
La présente invention concerne l'obtention des matériaux extra-durs et a notamment pour objet un procédé de préparation de polycristaux de nitrure de bore composé de ses modifications compactes. Les modifications compactes du nitrure de bore sont sa modification cubique et sa modification wurtzitoide, qui peuvent betre utilisées pour constituer la partie utile des outils de coupe, notamment des outils de tour, des couronnes de forage, des fraises, etc., pour l'usinage de pièces à haute résistance mécanique.
Les procédés de préparation de polycristaux de nitrure de bore connus jusqu'à présent peuvent se diviser en deux groupes. Dans le premier groupe se classent les procédés suivant lesquels les polycristaux de matériau extra-dur s'obtiennent par frittage des particules du matériau extradur avec un métal ou un alliage faisant office de liant.
C'est ainsi que dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique NO 3.239.321 on trouve la description d'un procédé de préparation d'articles compacts en diamant, suivant lequel les particules de diamant sait cimentées par une matrice de vanadium ou d'un alliage de titane et de silicium.
Le brevet des Etats-Unis d'Amérique NO 3.233.988 décrit un procédé de préparation d'un matériau extra-dur qui consiste à faire fritter les cristaux de nitrure de bore cubique en présence d'un composant métallique ou non métallique.
Suivant le brevet de Grande-Bretagne NO 990.818 on obtient un matériau compact par frittage, sous une pression au moins égale à 75,97.105 kPa ou 75 000 atm et à une température au moins égale à 12000C, de cristaux de nitrure de bore cubique sans liant ou bien avec un composant liant choisi dans le groupe comprenant le tungstène, le nickel, le chrome, le béryllium, le titane, le zirconium, le rhénium, le cobalt, le molybdène, le cuivre, l'alumine ou l'oxyde de manganèse.
Un inconvénient commun aux procédés connus précités est que le produit obtenu contient un composant d'une dureté peu élevée et d'une assez faible capacité abrasive, ce qui dégrade les caractéristiques d'utilisation du matériau extra-dur.
Les procédés de préparation de polycristaux de matériaux extra-durs ne contenant pas de liant et d'inclusions étrangères sont plus avancés. On classe parmi les procédés de ce genre, par exemple, le procédé décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique NO 3.212.852. Ce procédé consiste à faire agir une pression élevée(P supérieure ou égale à 100 kbars à une température supérieure à 25000K, sur du nitrure hexagonal de bore. Un inconvénient de ce procédé consiste en ce que le polycristal obtenu de nitrure de bore cubique a de faibles dimensions et qu'il usine mal les surfaces discontinues, c'est-à-dire qu'il ne résiste pas aux chocs.
Dans le brevet français NO 2.129.200 on trouve la description d'un procédé de préparation d'un polycristal de nitrure de bore cubique à partir de nitrure de bore hexagonal sous une pression supérieure à 60kbars et à une température supérieure à 18000C. Le produit final qu'on obtient, le polycristal de nitrure de bore cubique obtenu présente de bonnes caractéristiques de coupe en cas de tournage uniforme (sans chocs) d'aciers, de fontes et d'autres matières à haute dureté (dureté HRC de 60 à 62).
Toutefois, il usine mal les surfaces discontinues.
Un matériau polycristallin efficace à base de modifications compactes de nitrure de bore, ainsi que son procédé de préparation,sont décrits dans le brevet de Grande-Bretagne NO 1.513.990. Le matériau extra-dur obtenu d'après ce brevet est du nitrure de bore cubique ou du nitrure de bore wurtzitoide allié à l'aluminium, au bore, aux borures d'aluminium. Le procédé de préparation du matériau edn > durdhit dans ledit brevet consiste à faire agir une pression élevée de 50 à 90 kbars et une température de 1800 à 28000C sur un mélange de nitrure de bore hexagonal et d'aluminium, de bore ou de borures d'aluminium.Le procédé en question permet d'obtenir un produit final qui, en moyenne,dépasse de 18 à 25 % la tenue à l'usure du polycristal que l'on obtient d'après le brevet français NO 2.129.200. Toutefois, la tenue de ces matériaux lors de l'usinage de surfaces discontinues n'est pas élevée. On peut expliquer ceci par le fait que les polycristaux obtenus suivant les brevets indiqués ont une charge de rupture à la compression 2 d'environ 981 à 1667-1961 MPa ou 100 à 170-200 kgf/mm2.
Ces résultats ont été obtenus lors d'essais de résistance effectués sur des polycristaux fabriqués selon les brevets connus.
Le but de la présente invention était de créer un procédé de préparation de polycristal de nitrure de bore constitué par ses modifications compactes, présentant une résistance accrue.
On s'est donc proposé de rechercher une technologie nouvelle dtobtention de polycristal de modifications compactas de nitrure de bore, présentant une plus haute résistance mécanique que le polycristal de nitrure de bore connu.
Le problème ainsi posé est résolu grâce à un procédé de préparation de polycristal de nitrure de bore composé de ses modifications compactes, du type comprenant la préparation d'une charge de nitrure de bore hexagonal, la compression de ladite charge sous des pressions de 3 à 8 kbars et l'obtention d'une ébauche, et l'action sur l'ébau- che obtenue d'une haute pression et d'une haute température, caractérisé , suivant l'invention, en ce que l'on exerce l'action des hautes pression et température sur l'ébauche en deux stades : d'abord on fait éagir sur l'ébauche une pression de 100 à 150 bars et une température de 290 à 15000K pendant un laps de temps suffisant pour transformer au moins 15 % en poids du nitrure de bore hexagonal en sa modification wurtzitoide, ensuite on fait agir sur le matériau compacté ou "compact" ainsi obtenu une pression de 40 à 90 kbars et une température de 1600 à 32000K pendant un laps de temps suffisant pour transformer entièrement le nitrure de bore hexagonal en ses modifications compactes.
Pendant la préparation de la charge de nitrure de bore hexagonal, on peut y introduire de 0,1 à 8 % en poids de constituant d'addition. A titre de constituant d'addition il est possible d'utiliser les composants suivants : l'aluminium, le bore, les métaux de transition5 ou les nitrures, les borures, les carbures et les carbonitrures des métaux de transition.
L'invention permet d'obtenir un polycristal de nitrure de bore composé de se modifications compactes qui possède une haute charge de rupture à la compression, atteignent environ 66fiv Mk ou 680 kgf/mm2, ce qui dépasse de plusieurs fois la charge de rupture à la compression du polycristal de nitrure de bore cubique obtenu par les procédés connus.
Le polycristal de nitrure de bore obtenu suivant l'invention est capable d'usiner des pièces à haute résistance mécanique à surface discontinue ou des pièces de dureté non uniforme pendant un laps de temps plus considérable que les polycristaux de nitrure de bore connus.
L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparaitront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre de différents modes de réalisation donnés uniquement à titre d' exemple; non limitatifs.
On utilise à titre de matière première pour la préparation de la charge du nitrure de bore hexagonal en particules de 0,1 à 15 microns. Les dimensions préférées des particules de poudre de nitrure de bore hexagonal sont de 0,1 à 5 microns. Les dimensions des particules d'auditifs introduites dans le nitrure hexagonal de bore, tels que l'aluminium, le bore, le silicium, les métaux de transition, leurs nitrures, leurs borures, leurs carbures ou leurs carbonitrures,ou les mélanges desdites substances, ne doivent pas dépasser 15 à 20 microns. La proportion de constituant d'addition dans le nitrure de bore hexagonal est de 0,1 à 8 % en poids. On comprime la charge de nitrure de bore hexagonal ou de nitrure de bore hexagonal et de constituant d'addition dans un moule sous une pression de 3 à 8 kbàrs. Ensuite on place l'ébauche obtenue dans la cellule réactionnelle d'une chambre à haute pression et on applique den deux stades une haute température et une pression élevée. Au cours du premier stade on fait agir sur l'ébauche une pression de 100 à 150 kbars et une température de 290 à 15000 K pendant un laps de temps de 0,1 à 5 minutes.
Dans ces conditions, il y a transformation partielle du nitrure de bore hexagonal en sa modification wurtzitoSde.
La durée d'action desdites pression et température sur l'ébauche est choisie de manière qutil y ait une transformation partielle du nitrure de bore hexagonal en sa modification wurtzîtoide, mais de façon que le taux de cette transformation ne soit pas inférieur à 15 S/o, Quand le taux de transformation du nitrure de bore-hexagonal en nitrure de bore wurtzitoide est inférieure à 15 %, on observe dans l'ébauche une baisse de la résistance mécanique du polycristal final.Quand le taux de transformation du nitrure de bore hexagonal en sa modification wurtzitoSde atteint 15 56 ou plus, on réalise le seconistade du procédé, qui consiste à faire agir sur le matériau compacté (ncompact") ainsi obtenu une pression de 40 à 90 kbars et une température de 1600 à 32000K. Au cours du deuxième stade, dans les conditions indiquées, il y a transformation du nitrure de bore hexagonal résiduel en sa modification cubique du nitrure de bore wurtzitoide qui stest formé au cours du premier stade. La durée du deuxième stade est déterminée par la transformation complète du nitrure de bore hexagonal en ses modifications compactes.
L'exécution du procédé en deux stades permet d'obtenir un polycristal de nitrure de bore qui se compose de sa modification cubique et de sa modification wurtzitolde, la teneur en modification wurtzitoide du polycristal pouvant être de 15 à 70 56 en poids. Etant donné qu'au cours du deuxième stade de la synthèse le "compact" obtenu subit un retrait moindre, le polycristal obtenu présente une quantité moindre de microfissures et cela à son tour lui confère une plus haute résistance. Grâce à la résistance mécanique plus élevée du polycristal dont on arme outil de coupe, la durée d'exploitation de l'outil pour l'usinage de pièces à surface discontinue augmente sensiblement.Ces avantages du polycristal obtenu conformément à l'invention font de l'outil de coupe armé dudit polycristal un article avantageux au point de vue commercial. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de le description qui va suivre de plusieurs exemples de réalisation concrets mais non limitatifs.
Exemple 1.
On prépare une charge à partir de nitrure de bore hexagonal en le broyant et en séparant une fraction constituée de particules de 0,1 à 15 microns. On place la charge dans un moule de compression et on la comprime sous une pression de 3 à 5 kbars. On place l'ébauche obtenue dans la cellule réactionnelle d'une chambre à haute pression, où on soumet ladite ébauche à une pression de 100 kbars et à une température de 15000K pendant 30s. Au bout de 30s on abaisse la pression à 90 kbars, on élève la température jusqu'à 32000K et on maintient l'ébauche dans ces conditions pendant 5s.
Au bout de 5s on coupe le chauffage, on abaisse la --pression jusqu'à la pression atmosphérique et on extrait le polycristal de nitrure de bore synthétisé,composé de ses modifications compactes cubique et wurtzitolde. La résistance du pclycristal obtenu est d'environ 6669 a ou 680 kgf/mm2, ce qui dépasse de plusieurs fois la résistance mécanique d'un polycristal de nitrure de bore cubique synthétisé en un seul stade sous une pression de 100 kbars et à la température de 28000K, et dont la résistance mécanique est d'environ 1667 MPa ou 170 kgf/mm2(brevet français NO 2.129.200).
Exemple 2.
On fait agir sur une ébauche obtenue et placée dans une cellule réactionnelle comme décrit dans l'exemple 1, une pression de 120 kbars et une température de 5000K pendant 2 minutes, après quoi on réduit la pression jusqu'à 80 kbars, on porte la température à 24000 K et on poursuit la synthèse pendant 15s. Ensuite on arrête le chauffage, on abaisse la pression jusqu'à la pression atmosphérique et on extrait le polycristal synthétisé de nitrure de bore composé de sa modification cubique et de sa modification wurtzitolde.
La résistance mécanique du polycristal obtenu est de 4217 MPa ou 430 kgf/mm2.
Exemple 3.
On prépare une charge comme décrit dans l'exemple 1 à cette différence près que l'on introduit dans le nitrure de bore hexagonal 2 56 en poids d'aluminium à titre de constituant d'addition. On verse la charge dans un moule de compression et on la comprime sous une pression de 3 à 8 kbars. On fait agir sur l'ébauche obtenue une pression de 120 kbars et une température de 10000 K pendant 1 minute, ensuite on abaisse la pression jusqu'à 75 kbars, on porte la température à 21000 K et on poursuit la synthèse pendant encore 1 minite. Ensuite on coupe le chauffage , on diminue la pression Jusqu'à la pression atmosphérique et on extrait le polycristal de nitrure de bore synthétisé, qui se compose de sa modification cubique et de sa modification wurtzitoide. La résistance mécanique du polycristal obtenu est d'environ 5541 MPa ou 565 kgf/mm2.
L'outil de tournage pastillé au polycristal de nitrure de bore obtenu permet d'usiner la surface d'un cylindre en acier (dureté HRC de 58 à 60) présentant une rainure longi tudinale, ctesSà-dire une surface discontinue, pendant 60 à 75 minutes sans réaffûtage, alors qu'un outil pastillé au polycristal obtenu suivant le brevet de Grande-Bretagne N 1.513.990 peut fonctionner dans les mêmes conditions
pendant environ 25 à 30 minutes avant son réafffltage (c'est-à-dire avant un nouvel affûtage),
Exemple 4.
pendant environ 25 à 30 minutes avant son réafffltage (c'est-à-dire avant un nouvel affûtage),
Exemple 4.
On prépare une charge à partir de 8 56 en poids de carbure de bore en particules d'environ 5 microns et de 92 So en poids de nitrure de bore hexagonal préalablement broyé en particules de 0,1 micron, on brasse soigneusement le mélange, on verse la charge ainsi préparée dans-un moule de compression et on la comprime sous une pression de 3 à 8 kbars. On fait agir sur l'ébauche obtenue une pression de 150 kbars et une température de 2900K pendant 10 minutes, ensuite on diminue la pression jusqu'à 40 kbars, on porte la température à 16000K et on poursuit la synthèse pendant 20s. On coupe le chauffage, on diminue la pression jusqu'à la pression atmosphérique et on extrait le produit final. La résistance mécanique du polycristal obtenu est d'environ 3727 MPa ou 380 kgf/mm2.
Claims (4)
1. Procédé de préparation de polycristal de nitrure de bore composé de ses modifications compactes, du type comprenant
- la préparation d'une charge à partir de nitrure de bore hexagonal
-une compression de ladite charge sous une pression de 3 à 8 kbars et l'obtention d'une ébauche
- l'action sur l'ébauche obtenue d'une haute pression et d'une température élevée, caractérisé en ce que l'action sur l'ébauche d'une haute pression d'un haute température s'effectue en deux stades
- on fait d'abord agir sur l'ébauche une pression de 100 à 150 kbars et une température de 290 à 1500K pendant un laps de temps suffisant pour transformer au moins 15 56 en poids du nitrure de bore hexagonal en sa modification wurtzitode
- on fait ensuite agir sur le matériau compacté ainsi obtenu une pression de 40 à 90 kbars et une température de 1600 à 32000K pendant un laps de temps suffisant pour la transformation complète du nitrure de bore hexagonal en ses modifications compactes.
2. Procédé suivant la revendication -1, caractérisé en ce qu'on utilise une ébauche obtenue à paritr de nitrure hexagonal de bore contenant de 0,1 à 8 56 en poids d'additif.
3. Procédé suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que, à titre de constituant d'addition, on utilise de l'aluminium, du bore, des métaux de transition, des nitrures, carbures, borures ou carbonintrures de métaux de transiston.
4. Polycristal de nitrure de bore constitué de ses modifications compactes, caractérisé en ce qu'il est obtenu par le procédé faisant L'objet de l'une des revendications 1, 2 et 3.
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