FR2639633A1

FR2639633A1 - Comprimes polycristallins en sandwich et procede pour les fabriquer

Info

Publication number: FR2639633A1
Application number: FR8915086A
Authority: FR
Inventors: Hyun Sam Cho
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1988-11-30
Filing date: 1989-11-17
Publication date: 1990-06-01
Anticipated expiration: 2009-11-17
Also published as: IE893800L; US5009673A; SE8903857D0; FR2639633B1; SE8903857L

Abstract

On décrit un procédé de fabrication d'un comprimé polycristallin en sandwich comprenant un noyau en diamant ou en nitrure de bore cubique NBC polycristallin placé entre deux couches-supports externes. Le procédé consiste à réaliser un montage comprenant une masse de particules de diamant ou de NBC, une paire de disques de compression et deux couches métalliques placées chacune entre la masse et chacun des disques de compression. Lorsque la masse comprend des particules de diamant, on fournit aussi dans le montage, une source de catalyseur/auxiliaire de frittage pour le frittage du diamant et éventuellement, pour les particules de NBC, une source de catalyseur/auxiliaire de frittage pour le frittage du NBC. On fait ensuite subir au montage un frittage à HP/HT pour former un noyau en diamant ou en NBC polycristallin fritté auquel sont liées de manières adhérente deux couches-supports dérivées de métaux. Ces comprimés en sandwich sont utiles pour la fabrication d'outils de forage.

Description

COMPRIMES POLYCRISTALLINS EN SANDWICH ET PROCEDE POUR LES

FABRIOUER

La présente invention concerne des comprimés polycristallins en diamant ou en nitrure de bore cubique (NBC) fabriqués par un procédé à haute pression/haute température (HP/HT) et plus particulièrement des comprimés de ce type de structure en sandwich. Un comprimé est une masse polycristalline frittée de particules abrasives (par exemple de diamant) liées entre elles pour former une masse d'un seul tenant, tenace, cohérente, de résistance élevée. Un comprimé composite est un comprimé lié & un matériau de substrat, comme un carbure de métal cémenté (par exemple du carbure de tungstène cémenté par du cobalt). La masse de carbure liée par un métal est généralement choisie dans le groupe constitué par des carbures de tungstène, de titane, de tantale et leurs mélanges, contenant un matériau de liaison métallique normalement présent en une quantité comprise entre environ 6 et 25 % en poids et choisi dans le groupe constitué par le cobalt, le nickel, le fer et leurs mélanges. On peut

utiliser d'autres carbures métalliques.

On peut utiliser des comprimés ou des comprimés composites comme pastilles pour des outils de coupe, des

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- 2 - outils de forage, des outils à rhabiller les meules, et des pièces d'usure. On a utilisé des comprimés de forme cylindrique pour fabriquer des filières d'étirage de fils

(voire le brevet des Etats Unis d'Amérique n' 3 381 428).

Un procédé de fabrication de comprimés en diamant comprend les étapes consistant à: A. placer à l'intérieur d'une enveloppe métallique protectrice que l'on a disposée à l'intérieur de la cellule de réaction d'un appareil à HP/HT; (1) une masse de cristaux de diamant; et (2) une masse de métal catalytique ou d'alliage contenant un métal catalytique en contact avec la masse de cristaux de diamant; et B. soumettre le contenu de la cellule à des conditions de température, de pression et de temps

(classiquement d'au moins 5 GPa, d'au moins 1300-

C et de 3 à 120 minutes) suffisantes pour obtenir

une liaison entre grains adjacents.

La masse de métal catalytique peut se trouver sous la forme d'un disque d'un des catalyseurs bien connus ou d'un alliage contenant au moins un métal catalyseur de la cristallisation du diamant. Dans les conditions de HP/HT, une vague de métal liquide avance à travers le diamant (ou le matériau de NBC comme on le décrit ci-dessous) dense, et le métal catalytique (sous forme liquide) se rend lui même disponible comme catalyseur ou solvant pour la recristallisation ou l'intercroissance des cristaux. On utilise de manière interchangeable les termes de catalyseurs et de catalyseur/solvant. Ce procédé est parfois connu sous le nom de procédé de balayage, c'est à dire que le catalyseur balaye la masse cristalline (ou avance ou diffuse

à travers cette masse cristalline).

On peut faire varier les formes respectives de la masse abrasive et du catalyseur. La masse de diamant peut

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par exemple être cylindrique et le catalyseur peut être sous forme d'un anneau entourant le cylindre de cristaux abrasifs ou sous forme d'un disque placé au dessus ou au dessous de

la masse de diamant.

La source de catalyseur peut également être constituée par du carbure métallique cémenté ou par de la poudre de moulage de carbure (que l'on peut presser à froid pour obtenir la forme voulue), l'agent de cémentation étant un catalyseur ou un solvant pour la recristallisation ou la

croissance du diamant.

On choisit généralement le catalyseur parmi le cobalt, le nickel et le fer mais on peut le choisir parmi n'importe quel catalyseur connu parmi lesquels on peut également citer le ruthénium, le rhodium, le palladium, le platine, le chrome, le manganèse, le tantale ou des mélanges ou alliages de catalyseurs. On peut mélanger le catalyseur avec les cristaux abrasifs en plus ou au lieu de l'utiliser sous forme d'une passe distincte adjacente aux cristaux abrasifs. On applique une température élevée et une pression élevée dans la région stable du diamant pendant un temps suffisant pour lier ou fritter les cristaux de diamant entre eux. La région stable du diamant correspondant au domaine de conditions de pression et de température dans lequel le diamant est thermodynamiquement stable. Dans un diagramme de phases pression-température, il se trouve du côté des pressions élevées, au dessus de la ligne d'équilibre entre le diamant et le graphite. Le comprimé résultant se caractérise particulièrement par une liaison de diamant à diamant, c'est à dire une liaison entre grains adjacents de sorte qu'il y a des parties du réseau cristallin qui se partagent entre des grains voisins (en résultat de la recristallisation dans des conditions de HP/HT). La concentration en diamant est de préférence d'au moins 70 % en volume de la masse de diamant (c'est à dire à l'exclusion

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de toute masse de substrat). Les brevets des Etats Unis d'Amérique No 3 141 746, 3 745 623, 3 609 818, 3 831 428, et 3 850 591 décrivent de manière détaillée des procédés de

fabrication de comprimés en diamant.

On fabrique des comprimés en nitrure de bore cubique d'une manière similaire à celle que l'on vient de décrire pour le diamant. Toutefois, lorsque l'on fabrique un comprimé en NBC par le procédé de balayage, le métal balayant la masse de cristaux de NBC peut être ou ne pas être un catalyseur ou un solvant pour la recristallisation du NBC. On peut donc lier une masse de NBC polycristalline à un substrat en carbure de tungstène cémenté par du cobalt par diffusion de l'ingrédient cobalt dans les interstices de la masse de NBC dans des conditions de HP/HT, bien que le cobalt ne soit pas un catalyseur pour le NBC. Ce cobalt interstitiel lie le NBC polycristallin au substrat en carbure de tungstène cémenté. On utilisera néanmoins le terme de catalyseur pour décrire le balayage par le métal de liaison ou de frittage d'une masse de particules de NBC pour des raisons de commodité. Que ce soit dans le cas de comprimés composites en diamant ou en NBC, l'appauvrissement en cobalt du substrat souvent, bien que pas nécessairement, n'est pas suffisant pour nuire à la fonction de support du substrat. On met en oeuvre le procédé de frittage à HP/HT pour le NBC dans la région stable du NBC qui se situe dans le domaine de conditions de pression et de température dans lequel le NBC est thermodynamiquement stable. La concentration en NBC est de préférence d'au moins 70 % en volume de la masse de NBC. Les brevets des Etats Unis d'Amérique NO 3 233 988, 3 743 489, et 3 767 371 décrivent d'une manière détaillée des procédés de fabrication de comprimés en NBC. On pense qu'une intercroissance de cristaux ou qu'une liaison de cristal à cristal entre grains voisins de NBC (comme on l'a décrit pour les comprimés en

diamant) se produit.

On prépare des comprimés en NBC polycristallins refrittés, décrits dans le brevet des Etats Unis d'Amérique n 4 673 414, en frittant des particules de nitrure de bore cubique polycristallines riches en bore pratiquement dépourvues de catalyseur dans un appareil à HP/HT. On soumet les particules à une pression et à une température appropriées au refrittage des particules, la température étant inférieure à la température de reconversion- du NBC. La pression est classiquement supérieure à environ 4,5 GPa et la température est comprise entre au moins environ 1500'C et une température inférieure à la température de reconversion du NBC. On fabrique des comprimés en NBC avec conversion directe, décrits dans le brevet des Etats Unis d'Amérique 4 188 194, en plaçant du nitrure de bore hexagonal pyrolytique orienté préférentiellement dans une cellule de réaction. Le nitrure de bore est pratiquement dépourvu de matériaux catalytiquement actifs et on le soumet à une pression comprise entre environ 5 et 10 GPa et à une température d'au moins 1800 C, et à l'intérieur de la région stable du nitrure de bore cubique du diagramme de phases du nitrure de bore. Les brevets des Etats Unis d'Amérique 4 228 248 et 4 224 380 décrivent la fabrication de comprimés thermiquement stables. Ces brevets préconisent l'élimination de pratiquement toute la phase métallique (catalyseur) des comprimés pour obtenir un comprimé comprenant des particules de diamant ou de NBC auto- liées avec un réseau interconnecté de pore répartis dans tout le comprimé. Ces comprimés peuvent supporter une exposition à des températures d'environ 1200' C à 1300' C sans dégradation thermique importante, ce qui représente un avantage par rapport aux comprimés, par exemple, du brevet des Etats Unis d'Amérique N' 3 745 623 qui subissent une dégradation thermique à une température comprise entre environ 700 C et 900' C. La - 6 - dégradation thermique se manifeste par une diminution importante (par exemple de 50 %) des propriétés physiques, comme une diminution de la résistance à l'abrasion, de la résistance à la rupture transversale et du module d'élasticité lorsque la température augmente. On enlève la phase métallique ou catalytique par traitement acide, extraction au zinc liquide, épuisement électrolytique ou par des procédés similaires. On qualifiera toujours les

comprimés de ce type de comprimés thermiquement stables.

Il a toujours été plus difficile de fritter un

produit de départ en diamant fin par le procédé de balayage.

En général, le frittage devient de plus en plus difficile lorsque la dimension particulaire du produit de départ diminue. Les petites dimensions de produits de départ en diamant (particules présentant une plus grande dimension nominale de 4 à 8 micromètres ou moins) ont constituées une difficulté pendant un certain temps parce que leur grande surface spécifique et leur petite taille rendaient plus difficile le nettoyage, la manipulation ou le chargement de la poudre fine dans une cellule de réaction. On sait toutefois aussi que lorsque la dimension des grains des comprimés en diamant diminue, la résistance à la rupture transversale augmente, ce qui confère un avantage aux comprimés faits de plus petites particules. Les comprimés présentent un autre avantage résidant dans un tranchant plus fin qui peut avoir pour résultat un endommagement moins important de la pièce. Sous les pressions élevés (par exemple de 5 GPa et plus) appliquées pendant le procédé à HP/HT, ces comprimés faits de cristaux abrasifs fins acquièrent une masse volumique de compaction plutôt élevée et une structure & pores très fins. La masse de diamant résultante est donc dense et offre une résistance à l'infiltration ou à la diffusion du métal catalytique à

travers les interstices.

Les comprimés en sandwich comprennent des

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comprimés frittés en diamant ou en NBC polycristallins que l'on a plaçés entre deux couches-supports, par exemple de métal ou d'alliage métallique ou de substrat en carbure cémenté. On a proposé des comprimés en sandwich dans les brevets des Etats Unis d'Amérique 4 219 339, 4 229 186, et 4 255 165. Ces brevets présentent diverses configurations de comprimés en sandwich. Quelque soit la configuration, il est difficile de fabriquer en toute sécurité ces comprimés en sandwich du point de vue économique en raison d'une difficulté inhérente de rupture, particulièrement à l'interface diamant-substrat. Cette difficulté de rupture se manifeste principalement au cours du procédé de fabrication

à HP/HT ou au cours d'un procédé de brasage ultérieur.

Lorsque l'on utilise un produit de départ de diamant plus fin, la difficulté qu'a le catalyseur à diffuser à travers les interstices depuis le support en carbure entrave encore

la fabrication des comprimés en sandwich.

- La présente invention concerne particulièrement un procédé économique et fiable de fabrication de comprimés en sandwich. Ce procédé de fabrication consiste à fournir un montage comprenant une masse de particules de diamant ou de NBC placée entre deux couches métalliques dont au moins une constitue un catalyseur pour le frittage du diamant ou du NBC. On place, à leur tour, les couches métalliques entre

une paire de disques de compression ou de couches-supports.

On soumet l'ensemble du montage à un frittage à HP/HT pour former un noyau en diamant ou en NBC polycristallin auquel sont liées de manière adhérente deux couches de transition

dérivées de métaux et plaçées entre le noyau et les couches-

supports externes. Dans une réalisation recommandée, les disques de compression sont constitués par des substrats en

carbure cémenté qui sont liés aux couches de transition.

La présente invention concerne, dans un autre de ces aspects, le comprimé polycristallin en sandwich que l'on fabrique par le procédé précédent. Ce comprimé comprend un noyau en diamant ou en NBC polycristallin fritté auquel sont liées de manière adhérente in-situ deux couches de transition dérivées de métaux. Une configuration recommandée comprend un noyau de comprimé en diamant ou en NBC polycristallin auquel sont liées, de manière adhérente in- situ, deux couches de transition dérivées de métaux, un substrat en carbure cémenté étant lié de manière adhérente in-situ à au moins une des couches dérivées de métaux. Ces comprimés en sandwich sont utiles pour la fabrication de forets hélicoidaux à pointe de diamant, de fleurets verrouillés pour toits d'exploitation minières, et de

produits similaires.

On peut citer parmi les avantages de la présente invention, une bien meilleure fiabilité dans la fabrication de pastilles de comprimés polycristallins en sandwich. On peut encore citer comme avantage, l'obtention d'un comprimé polycristallin présentant une stabilité thermique suffisante

pour qu'on puisse le monter par des techniques de brasage.

On peut encore citer comme avantage, l'obtention d'un comprimé polycristallin en sandwich composé de cristallites de diamant de dimensions finales très diverses. On peut encore citer comme avantage, la possibilité de produire un comprimé polycristallin en sandwich à noyau polycristallin d'épaisseur réglée. Ces avantages ainsi que d'autres apparaîtront facilement à l'homme de l'art à la lecture de

la présente description.

La suite de la description se réfère aux figures

annexées qui représentent respectivement: Les figures 1 & 3, des vues en coupe de trois différentes cellules de réaction ou de configurations de montage pour la production des nouveaux comprimés polycristallins en sandwich de la présente invention; et Les figures 4 & 6, trois réalisations différentes des nouveaux comprimés polycristallins en sandwich vus en

coupe.

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Les figures représentent pour les nouveaux comprimés polycristallins en sandwich des configurations cylindriques droites, mais on comprendra cependant que l'on peut fabriquer une grande diversité d'autres configurations conformément à la présente invention. On décrira les figures

d'une manière plus détaillée ci-dessous.

Dans les systèmes classiques pour le frittage de diamant ou de NBC en comprimés polycristallins en sandwich utilisant des supports en carbure cémenté, un courant principal de catalyseur s'infiltre dans la masse de diamant ou de NBC depuis le support en carbure. Par exemple, les comprimés en sandwich proposés dans le brevet des Etats Unis d'Amérique n 4 219 339 utilisent le catalyseur de cobalt contenu dans les substrats en carbure cémenté pour la recristallisation du diamant et la formation du noyau en diamant polycristallin plaçé entre deux supports en carbure métallique cémenté adjacent. Ce même brevet propose, en variante, de brasef'ces supports en carbure cémenté sur le noyau en diamant central. L'utilisation du catalyseur contenu dans le support en carbure cémenté adjacent pour le frittage et la recristallisation du diamant ne constitue pas un procédé fiable de fabrication de comprimés polycristallins en sandwich dans la mesure ou une déstratification et une rupture sous contrainte à l'interface avec le diamant surviennent fréquemment et/ou on rencontre souvent des difficultés pour la production de

noyaux en diamant à grains fins dépourvus de défauts.

La présente invention fournit un procédé fiable de fabrication à HP/HT pour la production d'un comprimé polycristallin en sandwich de qualité obtenu avec un rendement de production avantageux. Une couche de transition ou intermédiaire dérivée de métaux, présente entre la masse de particules abrasives et les couches-supports externes, joue un rôle important dans l'obtention d'un interface de morphologie appropriée et dans la répartition des

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contraintes pour supprimer les difficultés de fissuration pendant et après le procédé à HP/HT. On peut appeler cette couche dérivée de métal "couche souple" (souple par rapport au matériau adjacent de diamant ou de NBC polycristallin et au matériau de carbure cémenté) couche intermédiaire souple ou ductile qui est capable d'équilibrer les contraintes résiduelles induites par le frittage à HP/HT de matériaux présentant des propriétés thermophysiques différentes. La formation de la couche ductile à l'interface augmente sa liaison à la fois avec le carbure cémenté et avec le diamant tout comme elle diminue ou supprime les concentrations de contraintes que l'on pense être importantes lorsque l'on prend en considération la fissuration due aux contraintes résiduelles. La figure 1 représente, plus particulièrement, un montage classique pour la fabrication de comprimés polycristallins en sandwich dans des conditions de HP/HT, mais que l'on a modifié conformément aux règles de la présente invention. Le montage représenté comprend l'enveloppe 10 en un métal réfractaire comme le molybdène, le tantale, le titane, le tungstène, le zirconium, etc, contenant des couches de carbure métallique vert ou fritté 12 et 14 et, à l'intérieur, un noyau central de particules de diamant ou de NBC 16. On place des disques en métal

réfractaire 18 et 20 sur les surfaces externes des pièces-

substrats en carbure 12 et 14. On place des couches 22 et 24 entre la masse cristalline 16 et les couches substrats en carbure 12 et 14. Au moins une des couches de métal ou d'alliage métallique 22 et 24 comprend un catalyseur pour le frittage des cristaux formant la masse 16, c'est à dire des particules de diamant ou de NBC. Les deux couches 22 et 24 peuvent contenir un catalyseur ou un alliage de catalyseur ou une de ces couches peut contenir un catalyseur ou un alliage de catalyseur, l'autre étant constituée par un métal qui n'est pas un catalyseur ou par un catalyseur de point de

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fusion plus élevé. Dans ces dernières conditions, il se produira une diffusion uni-axiale sélective de catalyseur, par exemple de cobalt de la couche 22, à travers la masse cristalline 16, vers la couche 24, qui peut être une couche de nickel ou d'un autre métal ou alliage métallique. D'une manière plus générale, les couches 22 et 24 n'ont pas nécessairement la même composition bien que cela soit possible. Chacune des couches peut être composée indépendamment d'un seul métal, d'un mélange de métaux, d'un alliage, d'un mélange d'un métal et d'un alliage, d'un mélange d'alliages, d'un mélange d'un métal et d'un matériau non métallique (par exemple d'un cermet), d'un mélange d'un alliage et d'un matériau non métallique, etc. Dans la mesure ou un catalyseur ou ou un alliage de catalyseur est présent pour la diffusion et le frittage des cristaux formant la masse 16, le choix de la composition des couches 22 et 24 peut être dicté par d'autres considérations, par exemple l'utilisation finale du produit, des considérations de coût, la disponibilité des matières premières, la nature du métal ou de l'alliage formant ces couches, la composition des disques de compression ou des supports, la nature et/ou la dimension particulaire de la masse cristalline 16, etc. De plus, le métal ou l'alliage formant les couches 22 et 24 peut ne pas réagir avec d'autres constituants contenus & l'intérieur de l'enveloppe 10 dans les conditions appropriées de HP/HT établies ou un ou plusieurs constituants des couches 22 et 24 peuvent réagir avec d'autres constituants contenus à l'intérieur de l'enveloppe 10. Donc, en ce qui concerne la composition des couches 22 et 24, il faut grossièrement interpréter "couches métalliques" conformément aux règles de la présente invention. On présente un autre montage dans la figure 2, dans laquelle on a respectivement plaçé entre les couches de catalyseur 26 et 28 adjacentes à la masse 16 et les couches

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de carbure 12 et 14, des couches métalliques 30 et 32. Les couches métalliques 30 et 32 peuvent être constituées par un métal qui forme un alliage avec le catalyseur pour former un alliage de catalyseur pour la diffusion, par un métal qui n'est pas un catalyseur ou par un métal réfractaire. En variante, on peut inverser la position des deux couches sur au moins un des cotés de la masse 16, la couche adjacente à la masse 16 étant constituée par du cuivre ou par un autre métal de point de fusion bas pour une prédiffusion à travers la masse 16 avant l'infiltration du catalyseur, comme on l'indique dans le brevet des Etats Unis

d'Amérique n 4 518 659.

On présente encore, dans la figure 3, une autre réalisation du montage. Les couches 34 et 36 plaçées respectivement entre la masse 16 et les substrats en carbure 12 et 14, comprendront un matériau qui n'est pas un catalyseur pour le frittage des cristaux de la masse 16 ou seront constituées par un catalyseur qui ne s'infiltre pas dans les conditions de HP/HT maintenues à l'intérieur du montage. C'est la couche 38 qui est adjacente à un coté de la masse polycristalline 16 qui fournit le catalyseur. Si les substrats en carbure 12 et 14 ou les couches métalliques 34 et 36 contiennent du matériau catalytique, on maintient alors les conditions et on règle les compositions de façon à ce que le matériau catalytique de la couche 38 diffuse directionnellement et préférentiellement à travers la masse 16 pour fritter ses cristaux, comme on décrit ce procédé de balayage directionnel dans la demande de brevet des Etats

Unis d'Amérique numéro de série 697 669 du 4 février 1985.

Quelque soit la configuration de la cellule ou du montage, le produit final comprend un noyau fritté en diamant ou en NBC polycristallin auquel sont fixées au moins deux couches dérivées de métaux liées de manière adhérente in-situ. On représente cette configuration dans la figure 4 pour le noyau polycristallin 40 et les couches dérivées de

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métaux 42 et 44. Lorsque l'on souhaite ce type de configuration, on appelle les couches 12 et 14, disques de compression dans la mesure ou ils assurent une compression équilibrée de la masse de diamant ou de NBC pendant le frittage à HP/HT, lui permettant de conserver son épaisseur. D'une manière générale, les couches 42 et 44 du produit en sandwich final peuvent indépendamment être composées d'un métal, d'un mélange de métaux, d'un alliage, d'un mélange d'alliages, d'un cermet, d'un mélange d'un métal et d'un cermet, d'un mélange d'un alliage et d'un cermet, etc, en fonction de la composition des couches métalliques initiales 22 et 24, de la composition des disques de compression 12 et 14, de la composition des particules constituant la masse 16, des conditions de HP/HT utilisées, etc. C'est à dire que le ou les constituants formant les couches 22 et 24 peuvent être réactifs dans les conditions maintenues pendant la formation du comprimé en sandwich, ce qui peut avoir pour résultat la formation d'alliages, de cermets, etc. Dans la mesure o ces couches intermédiaires assurent la souplesse ou la ductilité voulue pour diminuer et/ou éliminer les concentrations de contraintes pendant le procédé, les couches initiales 22 et 24 et les couches 42 et 44 du produit final peuvent présenter une grande diversité de compositions. On appellera les couches liées de manière adhérente finales, par exemple les couches 42 et 44, du produit en sandwich final, couches qui résultent des couches métalliques initiales, par exemple des couches 22 et 24, "couches dérivées de métaux", dans la mesure o elles résultent de couches qui contenaient initialement du métal et que l'on appelle "couches

métalliques" plus haut.

En variante, le nouveau comprimé polycristallin en sandwich peut présenter la configuration de la figure 5, dans laquelle un noyau en diamant ou NBC polycristallin fritté 46 se trouve entre deux couches dérivées de métaux 48

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et 50, qui, à leur tour, se trouvent respectivement entre des substrats en carbure cémenté 52 et 54, auxquels elles sont liées de manière adhérente. Au moins une des couches 48

ou 50 est riche en catalyseur et l'autre peut l'être ou non.

Enfin, une autre réalisation du nouveau comprimé, telle qu'on l'a représentée dans la figure 6, montre que dans le cas d'une couche de noyau polycristallin intermédiaire 56 à laquelle sont liées de manière adhérente in-situ des couches dérivées de métaux 58 et 60, une seule des couches métalliques, la couche dérivée de métaux 60, peut être liée de manière adhérente in-situ au substrat en carbure 62. On peut bien sûr envisager une grande diversité de combinaisons de configurations telles qu'on les a décrites ici, d'après

la présente description.

La taille des cristallites de diamant ou de NBC peut être comprise entre une taille inférieure au micromètre et 100 micromètres O plus, avec des différences de

granulomètrie si cela s'avère nécessaire ou recommandé.

Lorsque l'on utilise une taille de cristallites fine, par exemple de 2 à 4 micromètre, on recommande une circulation du catalyseur uni-axiale ou uni-directionnelle de manière à supprimer le pontage. La seconde couche métallique est, de manière recommandée, constituée par du nickel ou par un autre métal qui peut avantageusement réagir avec des impuretés entrainées par la diffusion du cobalt de point de fusion moins élevé ou d'un autre catalyseur vers la phase nickel ainsi qu'assurer une bonne liaison à l'interface

nickel/couche de diamant.

En ce qui concerne l'épaisseur des couches métalliques initiales et des couches dérivées de métaux finales, on doit maintenir une épaisseur suffisante pendant tout le traitement pour une production fiable des comprimés en sandwich voulus. On peut citer, par exemple, parmi les facteurs influençant ces couches métalliques et dérivées de métaux, la composition des couches métalliques initiales et

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leur appauvrissement possible en catalyseur pendant le traitement à HP/HT, le fait que les couches dérivées de métaux soient renforcées par des supports en carbure, les conditions de HP/HT précises utilisées pendant le procédé, etc. Lorsque l'on réalise une configuration comme celle représentée dans la figure 4, l'épaisseur maximum des couches métalliques initiales et des couches dérivées de métaux finales dépend plus probablement de l'utilisation finale du comprimé qui impose souvent l'épaisseur nécessaire pour la couche dérivée de métaux extérieure du sandwich ainsi que de restrictions concernant les dimensions des cellules de réaction à HP/HT classiques. L'épaisseur minimum que l'on doit conserver de manière à assurer la ductilité et la souplesse voulue pour empêcher la destratification et la fissuration sous contrainte qui sinon se produiraient à l'interface diamant/carbure est probablement plusimportante. Cela peut se traduire par des couches dérivées de métaux du comptit& en sandwich final d'au moins environ 0,127 mm d'épaisseur, l'épaisseur maximum des produits du commerce étant classiquement d'environ 12,7 mm bien que l'on puisse certainement produire des couches métalliques plus épaisses. Les couches métalliques initiales peuvent être sous forme de poudre ou de disques dans la cellule de réaction. On peut, bien sûr, avantageusement mélanger des catalyseurs, un métal réfractaire ou un autre matériau avec le diamant/NBC polycristallin ou le déposer sur celui-ci

comme on le fait classiquement dans la technique.

Des formes recommandées d'appareils à haute pression/haute température dans lesquelles on peut préparer les comprimés polycristallins en sandwich de la présente invention sont connus dans la technique, comme le montre le brevet des Etats Unis d'Amérique ne 2 941 248 qui décrit un "appareil à courroie". Les spécialistes des hautes pressions connaissent bien aussi les techniques opératoires pour appliquer simultanément une pression élevée et une

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température élevée dans ce type d'appareil. En pratique, on peut combiner un certain nombre de montages comme ceux que l'on a représenté dans les figures 1 à 3 dans un montage de charge et les déplacer dans un appareil à courroie comme celui que décrit, par exemple, le brevet des Etats Unis d'Amérique n 3 609 818. On augmente ensuite la pression puis la température et on maintient les conditions voulues pendant un temps suffisant pour que le frittage du diamant ou du NBC se produise. Pour relâcher progressivement les contraintes, on laisse ensuite l'échantillon refroidir sous pression pendant une courte période de temps puis on relâche progressivement la pression jusqu'à la pression atmosphérique. On récupère le comprimé en sandwich et on enlève manuellement toute enveloppe métallique protectrice inutile. On peut enlever si nécessaire par meulage ou par rodage tout métal adhérant de l'enveloppe métallique protectrice ou du disque. On peut également éliminer toute déformation ou irrégularité de la surface d'une manière similaire. Les exemples suivants montrent comment on peut mettre la présente invention en pratique mais il ne faut pas

les considérer comme la limitant.

EXEMPLE 1

On a soumis à des essais diverses configurations de cellules pour déterminer leur efficacité dans la fabrication de comprimés en diamant polycristallins en sandwich. On utilisait dans les essais 593 à 598, un modèle de cellule (deux cellules par montage) comme dans la figure 1, avec des disques 18 et 20 en Ta, 12 et 14 en WC (1,905 mm x 14,275 mm de diamètre) et des disques 22 et 24 en Co (0,381 mm d'épaisseur). On utilisait dans les essais 623 à 628, un modèle de cellule (deux cellules par montage) comme dans la figure 2 avec des disques 18 et 20 en Ta (0, 102 mm d'épaisseur) et des disques métalliques différents 30 et 32

(0,051 mm d'épaisseur) comme on en donne le détail ci-

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dessous. Le diamant 16 comprend 0,5 g de particules de

diamant d'environ 55 micro-mètres.

TABLEAU 1

Essai Temp. Pression Couche Commentaires N' (C') (GPa) Métallique ,32 593 1370 5,5 _ les 2 comprimés.sont bons 594 1370 5,5 _ les 2 comprimés sont bons 595 1370 5,5 _ les 2 comprimés sont bons 596 1370 5,5 _ les 2 comprimés sont bons 597 1370 5,5 _ les 2 comprimés sont bons 598 1370 5,5 _ les 2 comprimés sont bons 623 1370 5,5 Nb les 2 comprimés sont bons 624 1370 5,5 W 1 bon, destratification à l'interface pour l'autre 625 1370 5, 5 Cu les 2 comprimés.sont bons 626 1370 5,5 Zr 1 bon, destratification à l'interface pour l'autre 627 1370 5,5 Mo destratification à l'interface pour les 2 comprimés 628 1370 5,5 Ta 1 bon, destratification à l'interface pour l'autre On a ensuite fait subir à plusieurs des comprimés en sandwich, d'autres essais de la manière suivante. L'essai de stabilité thermique comprenait le chauffage des échantillons dans un bloc électrique à 650' + 10' C pendant minutes dans l'air ambiant. Les échantillons présentaient une épaisseur de 5,080 mm (épaisseur de diamant 1,016 mm) et un diamètre de 12,670 mm. L'essai de dureté Knoop de la couche de diamant exigeait d'enlever par rodage un côté du

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WC et de déterminer l'indice de dureté Knoop en trois endroits (au centre, à mi-distance du bord et au bord) en utilisant un appareil d'essai de dureté Knoop Wilson Tukon (charge de 3 kg). On utilisait pour l'essai de résistance à l'abrasion, des échantillons de 2,921 mm d'épaisseur (épaisseur du diamant de 1,016 mm) et de 12,670 mm de diamètre dans les conditions suivantes: Echantillon de granite nu, vitesse de travail 54 mètres carrés par minute, profondeur de coupe de 1,016 mm, vitesse transversale de 0,279 mm par tour et temps de coupe de 1 minute. On a mis en oeuvre deux essais par échantillon et on a déterminé le facteur de résistance à l'abrasion.(FRA). FRA est le volume de comprimé enlevé en cm 3 On mesure l'usure et on calcule le volume à partir de

cette mesure.

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TABLEAU 2

Echantillon essai de stabilité Indice de FRA numéros thermique dureté 1NOOP

593 3575 563,8

3460 301,6

593E Aucun signe d'endommagement 3400 562,2 thermique 3520 608,1

3250

597 642,5

301,6

598 473,7

2 0 334,46

623 45Z,7

624 396.6

625 625H Aucun signe d'endommagement thermique 3350 501,5

3000 583.5

3140

Les résultats présentés dans les tableaux ci-

dessus montrent la capacité du procédé à fabriquer des comprimés en sandwich. Ces résultats montrent aussi que les comprimés en sandwich présentent des propriétés commercialement acceptables. On a soumis aux mêmes essais des pastilles de coupe en diamant polycristallin sur support actuellement dans le commerce et on a trouvé qu'elles présentaient classiquement des indices de dureté Knoop d'environ 3200 à 3800 et des valeurs de FRA d'environ 327,8

à 491,7.

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EXEMPLE 2

On a soumis à des essais toutes les configurations (5 cellules par montage) comme dans la figure 1 en utilisant des disques 18 et 20 en Ta (0,102 mm d'épaisseur), 12 et 14 en WC (1,016 mm d'épaisseur), un disque 22 en Co (0,762 mm d'épaisseur), un disque 24 en Ni (0,762 mm d'épaisseur) et

0,35 g de diamant 16 (dimension particulaire de 2 à 4 micro-

mètres). Les diamètres des disques étaient tous d'environ 14,275 mm. On a obtenu les résultats suivants avec les

comprimés en sandwich que l'on venait de presser.

TABLEAU 3

Essai Temp. Pression Durée de comentaires N' (CC) (GPa) l'opération (min) 1012 1390 6,0 15 6 échantillons tous bons 1015 1390 6,0 15 3 échantillons bons 1016 1360 6,0 15 4 échantillons bons 1017 1330 6,0 15 1 échantillon bon 1019 1380 6,0 7 4 échantillons bons Il faut tout d'abord se rappeler que la charge de diamant de dimension particulaire très fine est très difficile à transformer en un comprimé polycristallin fritté, même sous forme cylindrique classique et de filière d'étirage de fils, comme le sait bien l'homme de l'art. Il semble, en second lieu, qu'une température minimum ou seuil soit nécessaire pour assurer l'intégrité du comprimé en sandwich d'après les résultats de l'essai 1017, en particulier. Il faut enfin comprendre que l'on n'a entrepris aucune étude d'optimisation du procédé et que les résultats donnés dans les tableaux ci-dessus représentent des

résultats d'essais initiaux qui démontrent l'invention.

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Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé pour la fabrication d'un comprimé polycristallin en sandwich comprenant un noyau en diamant ou en nitrure de bore cubique polycristallin placé entre des couches-supports externes, caractérisé en ce qu'il consiste à: (a) réaliser un montage comprenant une masse de particules de diamant ou de nitrure de bore cubique,une paire de disques de compression; deux couches métalliques plaçées chacune entre la masse et chacun des disques de compression; et lorsque la masse comprend des particules de diamant, une source de catalyseur/auxiliaire de frittage pour le frittage du diamant; (b) faire subir au montage un frittage à HP/HT pour former un noyau de diamant ou de nitrure de bore cubique polycristallin fritté auquel sont liées de manière

adhérente deux couches-supports dérivées de métaux.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que lorsque la masse comprend des particules de nitrure de bore cubique, on fournit une source de catalyseur/auxiliaire de frittage pour le frittage du

nitrure de bore cubique.

3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux couches métalliques comprennent aussi une source de catalyseur/auxiliaire de frittage pour le frittage

du diamant.

4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que chacune des couches métalliques comprend aussi une source de catalyseur/auxiliaire de frittage pour le frittage

- du nitrure de bore cubique.

5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une seule des couches métalliques comprend une source de catalyseur/auxiliaire de frittage pour le frittage

du diamant.

6. Procédé selon la revendication 2,

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caractérisé en ce qu'une seule des couches métalliques comprend une source de catalyseur/auxiliaire de frittage

pour le frittage du nitrure de bore cubique.

7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le métal des couches métalliques est choisi dans le groupe constitué par le molybdène, le tantale, le tungstène, le zirconium, le titane, le cuivre, le niobium,

leurs alliages et leurs mélanges.

8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacun des disques de compression comprend un

carbure cémenté.

9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le carbure cémenté est choisi dans le groupe constitué par le carbure de tungstène, le carbure de titane, le carbure de tantale et leurs mélanges; et son milieu de liaison est choisi dans le groupe constitué par le cobalt, le nickel, le fer, le chrome et

leurs mélanges.

10. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le catalyseur/auxiliaire de frittage du diamant est choisi dans le groupe constitué par le cobalt, le nickel, le fer, le ruthénium, le rhodium, le palladium, le platine, le chrome, le manganèse, le tantale, l'osmium,

l'iridium, leurs mélanges et alliages.

11. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le catalyseur/auxiliaire de frittage du nitrure de bore cubique est choisi dans le groupe constitué par un métal du groupe VIII, le chrome, le tantale, le manganèse, l'aluminium et de l'aluminium allié & un métal choisi dans le groupe constitué par le nickel, le cobalt, le manganèse,

le fer, le vanadium et le chrome; et leurs mélanges.

12. Procédé selon la revendication l,caractérisé en ce que la source de catalyseur/auxiliaire de frittage adjacente à la masse ne se trouve pas entre la masse et le disque de compression, pour s'infiltrer & travers la masse

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pendant le frittage.

13. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les conditions de HP/HT comprennent une température comprise entre environ 1200 et 1500' C et une pression supérieure & environ 5 GPa.

14. Comprimé polycristallin fritté en sandwich comprenant: un noyau en diamant ou en niture de bore

cubique polycristallin fritté placé entre deux couches-

supports liées de manière adhérente dérivées de métaux, sachant que l'on forme le noyau fritté et que l'on lie de manière adhérente les couchessupports & ce noyau pendant

une opération unique de frittage à HP/HT.

15. Comprimé en sandwich selon la revendication 14, caractérisé en ce que les couches dérivées de métaux sont liées de manière adhérente à des supports en carbure cémenté.

16. Comprimé en sandwich selon la revendication , caractérisé en ce que le carbure cémenté est choisi parmi le carbure de tungstène, le carbure de titane, le carbure de tantale et leurs mélanges; et son milieu de liaison est choisi dans le groupe constitué par le cobalt, le nickel, le fer, le chrome

et leurs mélanges.

17. Comprimé en sandwich selon la revendication 14, caractérisé en ce que les métaux des couches dérivées de métaux sont choisis dans le groupe constitué par le molybdène, le tantale, le tungstène, le zirconium, le titane, le cuivre, le niobium, leurs alliages et leurs

mélanges.

18. Comprimé en sandwich selon la revendication 14, caractérisé en ce que l'on a formé le noyau fritté en présence d'un catalyseur/auxiliaire de frittage pour le frittage du diamant lorsque le noyau comprend du diamant polycristallin et en ce qu'il contient du

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catalyseur/auxiliaire de frittage pour le frittage du

diamant résiduel.

19. Comprimé en sandwich selon la revendication 14, caractérisé en ce que l'on a formé le noyau fritté en présence d'un catalyseur/auxiliaire de frittage pour le frittage du nitrure de bore cubique lorsque le noyau comprend du nitrure de bore cubique polycristallin et en ce qu'ilcontient du catalyseur/auxiliaire de frittage pour le

frittage du nitrure de bore cubique résiduel.