FR2728487A1

FR2728487A1 - DIAMOND DRAWING LINE

Info

Publication number: FR2728487A1
Application number: FR9515251A
Authority: FR
Inventors: Ricardo Simon Sussmann; George Richard Shafto
Original assignee: De Beers Industrial Diamond Division Pty Ltd
Current assignee: De Beers Industrial Diamond Division Pty Ltd
Priority date: 1994-12-21
Filing date: 1995-12-21
Publication date: 1996-06-28
Anticipated expiration: 2015-12-21
Also published as: GB9525714D0; ES2136484B1; GB2296678B; FR2728487B1; GB9426047D0; ZA9510549B; KR960023270A; ES2136484A1; DE19547571A1; GB2296678A; JPH08229612A

Abstract

Une ébauche de filière comporte un corps (10) en diamant CVD ayant un trou (14) qui s'étend à travers. L'ébauche est caractérisée par l'orientation (20) des cristaux de diamant qui est principalement radiale. L'ébauche peut être fabriquée en déposant une couche de diamant par dépôt chimique en phase gaz sur un fil métallique et en enlevant le fil afin de produire une gaine en diamant CVD.A die blank has a CVD diamond body (10) having a hole (14) that extends through. The blank is characterized by the orientation (20) of the diamond crystals which is mainly radial. The blank can be manufactured by depositing a layer of diamond by chemical gas deposition on a metal wire and removing the wire to produce a CVD diamond sheath.

Description

Cette invention se rapporte à des filières.This invention relates to dies.

Les filières comportent un noyau en matière dure monté dans un support relativement massif et ayant un trou formé axialement. Le fil est tiré à travers le trou, ce qui amène le fil à diminuer en diamètre. Des exemples de matières dures qui ont été utilisées pour le noyau central des filières sont les carbures cémentés, les diamants compactés et le diamant CVD, c'est-à-dire le diamant fabriqué par dépôt chimique en The dies have a hard material core mounted in a relatively solid support and having an axially formed hole. The wire is pulled through the hole, which causes the wire to decrease in diameter. Examples of hard materials that have been used for the central core of the dies are cemented carbides, compacted diamonds and CVD diamond, that is, diamond made by chemical deposition.

phase gaz.gas phase.

Le diamant est la substance la plus dure connue de 1 'homme et peut se trouver dans la nature ou être produit de manière synthétique. Un procédé de fabrication synthétique du diamant est le dépôt chimique en phase gaz (CVD). Le diamant produit par dépôt chimique en phase gaz est connu sous le nom de diamant CVD. Le diamant CVD peut être fabriqué en prévoyant un composé carboné gazeux tel qu'un hydrocarbure, en soumettant le composé carbonique gazeux à de l'énergie telle que de l'énergie hyperfréquence afin de dissocier le composé en ions, atomes ou radicaux contenant du carbone, en présence d'un gaz d'activation tel que l'hydrogène, et en permettant aux ions, atomes ou radicaux contenant du carbone de se déposer sur un substrat approprié et former une couche de diamant. Ces procédés sont bien Diamond is the hardest substance known to man and can be found in nature or produced synthetically. A synthetic diamond manufacturing process is chemical vapor deposition (CVD). Diamond produced by chemical vapor deposition is known as CVD diamond. The CVD diamond can be manufactured by providing a gaseous carbon compound such as a hydrocarbon, by subjecting the gaseous carbon compound to energy such as microwave energy to dissociate the compound into carbon-containing ions, atoms, or radicals. in the presence of an activating gas such as hydrogen, and allowing carbon-containing ions, atoms or radicals to deposit on a suitable substrate and form a diamond layer. These processes are well

documentés dans la littérature, y compris les brevets. documented in the literature, including patents.

Le brevet des Etats-Unis numéro 5 361 621 décrit une filière en diamant CVD qui a des grains de diamant plus petits de façon adjacente à une surface de croissance de diamant initial avec des grains de diamant plus grands de façon adjacente à une surface opposée, avec une ouverture ayant une partie de support de fil de section sensiblement circulaire qui détermine le diamètre du fil et est positionnée plus près de la surface de croissance initiale dans une zone de grains plus petits que de la surface opposée finale à gros grains. Une orientation préférée des cristaux de diamant est celle dans laquelle les cristaux de diamant ont une orientation <110> parallèle, ou essentiellement parallèle, à l'ouverture ou au trou à travers la filière. Une filière en diamant CVD similaire est U.S. Patent No. 5,361,621 discloses a CVD diamond die which has smaller diamond grits adjacent to an initial diamond growth surface with larger diamond grits adjacent to an opposing surface, with an opening having a substantially circular section wire support portion which determines the diameter of the wire and is positioned closer to the initial growth surface in a smaller grain area than the coarse final opposed surface. A preferred orientation of the diamond crystals is that in which the diamond crystals have a parallel, or substantially parallel, orientation to the opening or hole through the die. A similar CVD diamond die is

décrite dans le brevet des Etats-Unis 5 363 687. described in United States Patent 5,363,687.

Le brevet des Etats-Unis 5 377 522 décrit une autre filière en diamant CVD qui comporte un corps ayant une surface supérieure et une surface inférieure et une ouverture ou un trou qui s'étend à travers le corps depuis la surface supérieure jusqu'à la surface inférieure. Une orientation préférée des cristaux de diamant est celle dans laquelle les cristaux de diamant ont une orientation <110> perpendiculaire à la direction axiale de l'ouverture. La filière est U.S. Patent No. 5,377,522 discloses another CVD diamond die which has a body having an upper surface and a lower surface and an opening or hole that extends through the body from the top surface to the lower surface. A preferred orientation of the diamond crystals is that in which the diamond crystals have an orientation <110> perpendicular to the axial direction of the aperture. The industry is

fabriquée à partir d'un film de diamant polycristallin. made from a polycrystalline diamond film.

La filière produite à partir d'un tel film a une orientation de cristaux de diamant représentée schématiquement sur la figure 3 des dessins annexés, c'est-à-dire que quelques cristaux de diamant ont une orientation radiale par rapport à l'ouverture, mais la majorité des cristaux de diamant a une orientation qui n'est pas radiale mais parallèle ou essentiellement The die produced from such a film has a diamond crystal orientation shown diagrammatically in Figure 3 of the accompanying drawings, i.e. a few diamond crystals have a radial orientation with respect to the aperture, but the majority of diamond crystals has an orientation that is not radial but parallel or essentially

parallèle au diamètre de la filière. parallel to the diameter of the die.

Selon la présente invention, une ébauche de filière comporte un corps en diamant CVD ayant un trou de section sensiblement circulaire qui s'étend à travers, l'orientation prédominante des cristaux de diamant dans le corps étant radiale par rapport au trou. Une filière peut être fabriquée à partir de cette ébauche en entourant l'ébauche avec un support relativement massif auquel elle est fixée. Une telle According to the present invention, a die blank comprises a CVD diamond body having a substantially circular cross-sectional hole which extends through, the predominant orientation of the diamond crystals in the body being radial to the hole. A die can be made from this blank by surrounding the blank with a relatively massive support to which it is attached. Such a

filière forme également un aspect de l'invention. die also forms one aspect of the invention.

Selon un autre aspect de l'invention, un procédé de fabrication d'une ébauche de filière telle que décrite ci-dessus comporte la production d'une couche de diamant par dépôt chimique en phase gaz sur un fil métallique ou un filament non métallique et l'enlèvement du fil ou du filament afin de produire une gaine de diamant CVD. La figure 1 est une coupe longitudinale d'une forme de réalisation d'une ébauche de filière en diamant CVD de l'invention, La figure 2 est une vue en bout de l'ébauche de la figure 1, La figure 3 est une vue en bout d'une ébauche de filière fabriquée selon le procédé décrit dans le brevet des Etats-Unis 5 377 522, La figure 4 est une vue en perspective d'un fil métallique ayant une couche de diamant CVD amenée à croître dessus, La figure 5 est une coupe d'une base ayant plusieurs fils s'étendant depuis celle-ci et sur laquelle a été déposée une couche de diamant CVD, et La figure 6 est une vue de dessus de la According to another aspect of the invention, a method of manufacturing a die blank as described above comprises producing a diamond layer by chemical vapor deposition on a wire or non-metallic filament and removing the wire or filament to produce a CVD diamond sheath. FIG. 1 is a longitudinal section of one embodiment of a CVD diamond die blank of the invention; FIG. 2 is an end view of the blank of FIG. 1; FIG. Figure 4 is a perspective view of a wire having a CVD diamond layer grown thereon, FIG. 4 is a perspective view of a wire having a CVD diamond layer grown thereon, FIG. 5 is a sectional view of a base having a plurality of wires extending therefrom and on which a layer of CVD diamond has been deposited, and FIG. 6 is a top view of the

figure 5.figure 5.

Dans la filière de l'invention, l'orientation dominante des cristaux de diamant dans le corps est radiale par rapport au trou qui s'étend à travers et In the sector of the invention, the dominant orientation of the diamond crystals in the body is radial with respect to the hole which extends through and

donc perpendiculaire à la direction de traction du fil. therefore perpendicular to the direction of traction of the wire.

De préférence, l'orientation du diamant dans la direction radiale est <110> ou <111> ou bien une combinaison de celles-ci afin de procurer au noyau en diamant une dureté et une résistance à l'usure optimales au niveau de la surface o cela est le plus important, c'est-à- dire celle qui est en contact avec le fil. Une telle orientation prédominante des cristaux de diamant ne se trouve pas dans les ébauches de filière en diamant CVD de l'état de la technique et procure à la filière de l'invention une meilleure dureté et une meilleure résistance à l'usure ainsi qu'un arrachement des grains (particules) plus faible Preferably, the orientation of the diamond in the radial direction is <110> or <111> or a combination thereof in order to provide the diamond core with optimum hardness and wear resistance at the surface. o this is the most important, that is, the one that is in contact with the wire. Such a predominant orientation of diamond crystals is not found in prior art CVD diamond die blanks and provides the die of the invention with improved hardness and wear resistance as well as a smaller amount of grains (particles)

que dans les filières de l'état de la technique. than in the sectors of the state of the art.

De préférence au moins 50%, de préférence encore au moins 75%, et encore mieux au moins 90% de l'orientation des cristaux de diamant dans le corps est Preferably at least 50%, more preferably at least 75%, and even more preferably at least 90% of the orientation of the diamond crystals in the body is

radiale par rapport au trou.radial to the hole.

L'ébauche de filière a d'une manière générale une forme cylindrique qui, en plan, peut être circulaire, triangulaire, hexagonale, carrée ou The die blank generally has a cylindrical shape which in plan can be circular, triangular, hexagonal, square or

rectangulaire.rectangular.

L'ébauche de filière de l'invention peut être entourée par un support relativement massif et fixée à ce support afin de produire une filière. L'ébauche peut être fixée au support par brasage, mécaniquement, ou une combinaison de ceux-ci. Ces procédés de fixation sont connus dans l'état de la technique. Le support relativement massif est de manière typique fabriqué en The blank of die of the invention can be surrounded by a relatively massive support and fixed to this support to produce a die. The blank may be attached to the support by soldering, mechanically, or a combination thereof. These attachment methods are known in the state of the art. The relatively massive support is typically manufactured in

carbure cémenté, en acier ou équivalent. cemented carbide, steel or equivalent.

L'ébauche de filière de l'invention est fabriquée en déposant ou en fabriquant une couche de diamant par dépôt chimique en phase gaz sur un fil métallique ou un filament non métallique et en enlevant ensuite le fil ou le filament afin de produire une gaine de diamant CVD. La couche déposée s'étend bien The die blank of the invention is made by depositing or fabricating a diamond layer by chemical vapor deposition on a wire or a nonmetallic filament and then removing the wire or filament to produce a coating. CVD diamond. The deposited layer extends well

évidemment totalement autour du fil ou du filament. obviously totally around the wire or filament.

La gaine de diamant CVD, en particulier si le fil ou le filament sur lequel est déposée la couche de diamant CVD est relativement long, peut être sectionné, par exemple coupée, en un ou plusieurs points sur sa longueur afin de produire deux gaines, ou bagues, plus petites, ou même davantage, chacune d'entre elles The CVD diamond sheath, particularly if the wire or filament on which the CVD diamond layer is deposited is relatively long, can be cut, for example cut, at one or more points along its length to produce two sheaths, or rings, smaller, or even more, each of them

constituant une ébauche de filière. constituting a draft of die.

Le fil métallique est de manière typique choisi dans les fils en métal de transition. Un exemple The wire is typically selected from the transition metal wires. An example

d'un métal particulièrement approprié est le tungstène. a particularly suitable metal is tungsten.

Le filament non métallique est de ceux qui The non-metallic filament is of those

peuvent permettre une croissance de diamant CVD dessus. can allow CVD diamond growth on it.

Un exemple d'un tel filament approprié est un filament An example of such a suitable filament is a filament

en carbure de silicium.silicon carbide.

Plusieurs gaines de diamant CVD peuvent être fabriquées en prévoyant plusieurs fils ou filaments espacés qui s'étendent au-delà d'une surface d'une base, en déposant une couche de diamant CVD sur chaque fil ou filament afin de procurer un dépôt de diamant CVD, en enlevant les fils ou filaments revêtus de la base et en enlevant les fils ou filaments afin de produire plusieurs gaines en diamant CVD. Les fils ou filaments peuvent être fabriqués dans la même matière que la base ou dans une matière différente telle que Several CVD diamond sheaths can be made by providing several spaced wires or filaments that extend beyond a surface of a base, by depositing a layer of CVD diamond on each wire or filament to provide a diamond deposit CVD, removing strands or filaments coated from the base and removing strands or filaments to produce several CVD diamond sheaths. The yarns or filaments may be made of the same material as the base or in a different material such as

celle décrite ci-dessus.that described above.

Les fils ou filaments peuvent être enlevés des couches CVD déposées dessus par des procédés connus dans l'état de la technique tels que la gravure à l'acide. Des formes de réalisation de l'invention vont maintenant être décrites en se référant aux dessins annexés. Si l'on se réfère tout d'abord aux figures 1 et 2, il y est représenté respectivement une coupe longitudinale d'une ébauche de filière en diamant CVD The yarns or filaments can be removed from the CVD layers deposited thereon by methods known in the state of the art such as acid etching. Embodiments of the invention will now be described with reference to the accompanying drawings. Referring firstly to FIGS. 1 and 2, there is shown respectively a longitudinal section of a blank of a CVD diamond die.

de l'invention et une vue en bout de celle-ci. of the invention and an end view thereof.

L'ébauche comporte un corps cylindrique circulaire droit 10 ayant une surface périphérique circulaire extérieure 12 et un trou disposé de manière centrale 14 qui s'étend à travers depuis une surface plate 16 The blank comprises a straight circular cylindrical body 10 having an outer circular peripheral surface 12 and a centrally disposed hole 14 which extends across a flat surface 16

jusqu'à une surface plate opposée 18. to an opposite flat surface 18.

Le corps 10 se compose de diamant CVD ayant l'orientation de cristaux de diamant 20 (illustrée schématiquement) de manière prédominante radiale par rapport au trou circulaire 14. L'orientation des cristaux de diamant 20 est de préférence l'orientation <110> ou <111> ou bien une combinaison de celles-ci. On peut ainsi voir que l'orientation prédominante des cristaux de diamant est perpendiculaire à la direction de traction du fil, ce qui procure à l'ébauche une excellente dureté et une excellente résistance à l'abrasion et à l'usure et un arrachement de grain plus faible. L'orientation des cristaux de diamant de l'ébauche de filière de l'invention est le contraire de ce qui est produit en suivant les enseignements du The body 10 is composed of CVD diamond having the orientation of diamond crystals 20 (shown schematically) predominantly radial with respect to the circular hole 14. The orientation of the diamond crystals 20 is preferably the <110> orientation or <111> or a combination thereof. It can thus be seen that the predominant orientation of the diamond crystals is perpendicular to the direction of tension of the wire, which provides the blank with excellent hardness and excellent abrasion and wear resistance and tearing of the wire. weaker grain. The orientation of the diamond crystals of the die blank of the invention is the opposite of what is produced by following the teachings of the invention.

brevet- des Etats-Unis 5 377 522 décrit ci-dessus. U.S. Patent 5,377,522 described above.

L'ébauche de filière de ce brevet des Etats-Unis est produite à partir d'un fil d'un diamant polycristallin illustré par la figure 2 du brevet en question. Une telle ébauche de filière a une orientation de cristaux de diamant représentée schématiquement sur la figure 3 des dessins annexés. Cette ébauche de filière 22 est également de forme cylindrique circulaire droite et a une surface extérieure 24 et un trou circulaire disposé The die blank of this US patent is produced from a polycrystalline diamond wire shown in Figure 2 of the patent in question. Such die blank has a diamond crystal orientation shown schematically in Figure 3 of the accompanying drawings. This blank die 22 is also of straight circular cylindrical shape and has an outer surface 24 and a circular hole disposed

de manière centrale 26 qui s'étend à travers. centrally 26 which extends through.

L'orientation des cristaux de diamant 28 est représentée schématiquement. Il est à noter qu'une partie de l'orientation des cristaux de diamant 28 est radiale par rapport au trou 26, mais que l'orientation prédominante est parallèle, ou essentiellement The orientation of the diamond crystals 28 is shown schematically. It should be noted that part of the orientation of the diamond crystals 28 is radial with respect to the hole 26, but that the predominant orientation is parallel, or essentially

parallèle, au diamètre de l'ébauche. parallel to the diameter of the blank.

Une filière peut être fabriquée à partir de l'ébauche décrite ci-dessus et illustrée sur les figures 1 et 2 en fixant, par exemple par brasage, mécaniquement ou une combinaison de ceux-ci, la surface A die can be made from the blank described above and illustrated in FIGS. 1 and 2 by fixing, for example by brazing, mechanically or a combination thereof, the surface

extérieure 12 sur un support relativement massif. 12 outside on a relatively massive support.

L'ébauche de filière de l'invention peut être fabriquée suivant le procédé qui va maintenant être décrit en se référant à la figure 4. Si l'on se réfère à cette figure, un fil 30, tel qu'un fil de tungstène, est prévu et une couche 32 de diamant CVD est amenée à croltre dessus selon des procédés connus de l'état de la technique. La couche de diamant CVD s'étend totalement autour du fil. La couche 32 croit de manière symétrique sur le fil en lui donnant une épaisseur uniforme. Le fil peut alors être enlevé, par exemple par gravure à l'acide, en laissant une gaine de diamant CVD ayant un trou s'étendant à travers. Cette gaine peut constituer l'ébauche de filière. En variante, si des filières ayant une profondeur moindre, c'est-à-dire une distance entre les surfaces 16 et 18 plus faible, sont souhaitées, la gaine peut alors être sectionnée, par exemple par découpe ou gravure chimique, sur sa longueur en un ou plusieurs points afin de produire plusieurs gaines ou bagues plus petites, qui The die blank of the invention may be manufactured according to the method which will now be described with reference to FIG. 4. Referring to this figure, a wire 30, such as a tungsten wire, is provided and a layer 32 of CVD diamond is brought to croltre above by methods known from the state of the art. The CVD diamond layer extends completely around the wire. The layer 32 symmetrically increases on the wire giving it a uniform thickness. The yarn can then be removed, for example by acid etching, leaving a CVD diamond sheath having a hole extending therethrough. This sheath can constitute the blank of die. Alternatively, if dies having a smaller depth, i.e. a distance between the lower surfaces 16 and 18, are desired, the sheath can then be cut, for example by cutting or etching, along its length. in one or more points to produce several smaller sleeves or rings, which

constituent chacune une ébauche de filière. each constitute a draft of a sector.

Un avantage possible du procédé de l'invention est que le trou dans l'ébauche de filière est produit à la source et ne doit pas être formé par A possible advantage of the process of the invention is that the hole in the die blank is produced at the source and must not be formed by

l'utilisateur final.the end user.

Plusieurs gaines en diamant CVD peuvent être fabriquées selon un procédé qui va maintenant être décrit en se référant aux figures 5 et 6. Si l'on se réfère à ces figures, une base 40, fabriquée dans une matière telle que molybdène, est prévue et présente une Several CVD diamond sheaths may be manufactured according to a method which will now be described with reference to FIGS. 5 and 6. Referring to these figures, a base 40, made of a material such as molybdenum, is provided and presents a

surface inférieure 42 et une surface supérieure 44. lower surface 42 and an upper surface 44.

Plusieurs fils de tungstène espacés 46 se trouvent dans la base 40 et s'étendent depuis la surface 44. Une couche 48 de diamant CVD est déposée sur la surface 44 et sur chaque fil individuel afin de pourvoir chaque fil d'un revêtement en diamant CVD, comme cela est illustré. Les fils revêtus sont ensuite enlevés, par exemple par découpe ou gravure chimique le long du trait en pointillé 52, et découpés ou gravés chimiquement & nouveau le long du trait en pointillé 54 afin de produire plusieurs fils revêtus de diamant CVD tels qu'illustrés sur la figure 4. Les fils peuvent être enlevés afin de produire des gaines en diamant CVD et les gaines sont éventuellement recoupées, comme cela a été décrit ci-dessus. Dans une variante de la forme de réalisation des figures 5 et 6, les fils 46 peuvent être fabriqués dans la même matière que la base 40. Ils peuvent alors être formés par exemple en érodant une base par électroérosion afin de pourvoir une surface de la base d'un profil pourvu de dents. Les dents font partie Several spaced tungsten wires 46 are in the base 40 and extend from the surface 44. A layer 48 of CVD diamond is deposited on the surface 44 and on each individual wire to provide each wire with a CVD diamond coating. , as illustrated. The coated yarns are then removed, for example by cutting or etching along the dashed line 52, and chemically cut or etched again along the dashed line 54 to produce a plurality of CVD coated diamond yarns as illustrated in FIG. Figure 4. The wires can be removed to produce CVD diamond sheaths and the sheaths are optionally cut, as described above. In a variant of the embodiment of FIGS. 5 and 6, the wires 46 may be made of the same material as the base 40. They may then be formed for example by eroding a base by electro-erosion in order to provide a surface of the base a profile with teeth. Teeth are part

intégrante de la base et remplacent les fils 46. integral of the base and replace the wires 46.

Claims

1. Die blank, characterized in that it comprises a CVD diamond body (10) having a hole (14) of substantially circular cross section which extends through, the predominant orientation (20) of the diamond crystals in the body (10) being radial

relative to the hole (14).

2. Die blank according to claim 1, characterized in that at least 50% of the orientation (20) of the diamond crystals is radial with respect to

hole (14).

3. Die blank according to claim 1, characterized in that at least 75% of the orientation (20) of the diamond crystals is radial with respect to

hole (14).

4. Die blank according to claim 1, characterized in that at least 90% of the orientation (20) of the diamond crystals is radial with respect to

hole (14).

5. Die roughing according to any one of

preceding claims, characterized in that

the orientation (20) of the diamond crystals is the <110> or <111> orientation or a combination thereof.

6. Roughing die according to any one of

preceding claims, characterized in that the

body (10) is cylindrical in shape.

7. Die blank according to claim 6, characterized in that the shape of the body (10), in plan, is circular, triangular, hexagonal, square or rectangular.

8. Die, characterized in that it comprises

a blank according to any one of the claims

previous surrounded by a relatively massive support

to which it is fixed.

9. Die according to claim 8, characterized in that the relatively solid support is manufactured from cemented carbide, steel or

equivalent.

10. Die according to claim 8 or claim 9, characterized in that the blank is fixed to the support by brazing, mechanically or a

combination of these.

11. A method of manufacturing a blank

die according to any one of claims 1 to

7, characterized in that it comprises producing a diamond layer (32, 48) by chemical vapor deposition on a wire or a non-metallic filament (30, 46) and removing the wire or filament in order to

produce a CVD diamond sheath.

12. The method of claim 11, characterized in that the sheath is cut at one or more points along its length to produce two

smaller sheaths or more.

13. The method of claim 11 or 12, characterized in that the layer (32, 48) CVD diamond is manufactured on a wire (30, 46) selected

among the transition metal wires.

14. The method of claim 13, characterized in that the metal is tungsten.

15. Process according to any one of

Claims 11 to 14, characterized in that several

spaced wires or filaments (46) are provided to extend beyond a surface (44) of a base (40), a layer (48) of CVD diamond is deposited on each wire or filament (46) in order to produce a CVD diamond deposit thereon, the coated threads or filaments are removed from the base (40) and the threads or filaments are removed to produce a plurality of CVD diamond sheaths.

16. The method of claim 15, characterized in that the son or filaments are

removed from the base by cutting.