Brevet FR2213827A1 — publié le 19740809

la présente invention concerne le domaine des produits diamantés, notamment les procédés de fabrication des alliages diamantés. Ces alliages ou pseudo-alliages sont, comme on le sait, composés de cristaux de diamants et d'un agglomérant métallique qui est réparti principalement dans les intervalles entre les cristaux de diamant et lie solidement ces cristaux entre eux. Grace à leur forte concentration en diamants, les alliages diamantés se rapprochent plus ou moins du diamant mono cristallin par certaines propriétés telles que la résistance à l'abrasion, la dureté, le module d'élasticité. le degré de rapprochement obtenu est fortement tributaire de la technologie de fabrication de llal- liage. les applications des alliages diamantés-sont analogues à celles des monocristaux de diamant : ils peuvent être employés pour l'usinage des matériaux durs et cassants du type verre, céramique, pour le travail ou le forage des roches, ainsi que pour la fabrication de toutes sortes de produits devant avoir une grande dureté, une haute résistance à l'abrasion et à la compression, par exemple les parties mobiles des appareils de précision, les pièces vitales d'appareils à haute pression, etc... Ces alliages diamantés sont d'une disponibilité moins limitée et moins coûteux que les gros monocristaux de diamants, car la poudre de diamant nécessaire à leur fabrication est actuellement produite en grandes quantités par voie artificielle. On connaît divers prccédés de fabrication d'alliages diamantés par imprégnation d'une poudre de diamant avec un agglomérant métallique, fondés sur l'action simultanée d'une haute pression et d'une température élevée sur un système constitué par une poudre de diamant et une poudre de métal. ledit système est un mélange mécanique de poudre de diamant et depoudre de métal, c'està-dire que l'agglomérant est, dans ce cas, introduit au préalable dans la poudre de diamant et réparti directement entre les grains. La quantité de poudre métallique est inférieure ou égale à 50 en volume, ou comprise entre 20 et 30% en volume. Un tel mélange est d'abord soumis à l'action d'une haute pression de 70 à 85 kbars ou de 20 à 76 kbars, puis est chauffé, sous cette même pression, jusqu a une température assurant la fusion de l'agglomérant et le remplissage des vides intergranulaires du diamant par l'agglomérant. L'inconvénient de tels procédés est laoempacité insuffisante de l'alliage et la présence de pellicules métalliques intercalaires dans les zones de contact diamant-diamant, ce qui abaisse la dureté et d'autres caractéristiques mécaniques de l'ensemble du produit. En effet, la aute pression exercée sur le mélange diamant-métal de départ ne permet pas d'obtenir une compacité maximale, car la poudre de métal, dont la quantité dans le mélange est importante , entrave le processus.lorsqu'à ltétape suivante la pression agit simultanément avec la température, la poudre de métal fond et remplit les vides intergranulaires du diamant, mais une partie du métal reste sous forme de pellicule dans les zones de contact des grains de diamant entre eux. I1 s'ensuit que les grains de diamant se trouvent séparés les uns des autres par une pellicule métallique, ce qui abaisse la dureté du produit, ainsi que sa résistance à la compression et son module d'élasticité, car les caractéristiques correspondantes du métal sont bien plus basses que celles des grains de diamant. le second inconvénient des procédés connus de fabrication des alliages diamantés à partir d'un mélange de poudres diamantmétal, réside dans le fait que lors de la fusion de la poudre de métal simultanément dans tout le volume du mélange diamant-métal de départ, les gaz absorbés, les atomes étrangers et d'autres impuretés se trouvant toujours sur la surface des grains de diamant ne peuvent se dégager de la masse et restent dans l'alliage. I1 s'ensuit la formation de micro-porosités et, par conséquent, un abaissement de la dureté, de la résistance à la compression et du module d'élasticité. le but de l'invention est de créer un procédé de fabrication d'alliages diamantés qui ne présenteraient pas les inconvénients mentionnés et auraient, de pair avec une haute résistance à l'abrasion, une dureté, une résistance à la compression et un module d'élasticité élevés. Pour atteindre cet objectif, on s'est proposé de modifier la technologie de fabrication d'alliages diamantés de cçon que dans l'alliage obtenu le constituant diamant forme un squelette (une carcasse) ne contenant pas de pellicules métalliques dans les zones de contact diamBnt-diamant, et que le constituant métal rompisse rigoureusement les vides intergranulaires du diamant sans altérer les contacts diamant-diamant. Ce problème es-t. résolu du fait que dans un procédé de fabrica-t-on d'alliages diamantés, du type consistant à- imprégner une poudre de diamant avec un agglomérant métallique sous l'action d'une haute pression et d'une haute température. Selon l'invention on utilise un système poudre de diamant + agglomérant métallique, dans lequel l'agglomérant métallique est disposé extérieurement à la poudre de diamant, mais en contact avec elle, et en ce que ledit système ast soumis à l'action d'une pression d'au moins 10 kbars pour le serrage de la poudre de diamant, puis, le système dan lequel la poudre de diamant est ainsi serrée est soumis, toujours sous pression, à l'action d'une température suffisante pour la fusion de 1.' agglomérant métallique qui, en fondant, imprègne sous pression la poudre de diamant. L'agglomérant métallique peut être disposé dans le système de diverses façons, par exemple en-dessous, sous une couche de poudre de diamant, ou en-dessus, sur une couche de poudre de diamant, ou bien contre la surface latérale d'une briquette de diamant, mais avec contact obligatoire avec une portion quelconque de la briquette de diamant. Par agglomérant métallique on entend en ltoccurence n'importe quel métal ou alliage dont l'angle de contact -à l'état liquide avec le diamant est inférieur ou égal.à 900. Xels-sont, par exemple, les métaux suivants : nickel, cobalt, fer, manganèse, chrome, etc... En tant qu'agglomérants métalliques on paut utiliser des alliages de métaux mouillant le diamant, ainsi que des alliages de métaux mouillant le diamant avec des métaux ne mouillant pas le diamant ou des non-métaux. A titre d'exemples de tels alliages on peut citer: le nickel-chrome, le nickelmanganèse, le nickel-cuivre, la cobalt-cuivre, le titane-cuivre, le zirconium-cuivre, le nickel-cuivre-aluminium, le nickel-cuivresilicium, etc... La teneur en métal mouillant desdits alliages peut varier, mais il est préférable qu'elle ne soit pas inférieure à 15-324 en volume. On peut aussi employer des alliages métalliques à teneur en métal mouillant inférieure aux valeurs indiquées, mais, dans ce cas, les résultats se moins bons La quantité d'agglomérant métallique est choisie suffisante pour remplir les vides entre les grains de diamant. On sait que dans une poudre de diamant comprimée sous une pression non inférieure à 10 kbars, les vides peuvent occuper de 10 à 30 % du volume, selon les proportions adoptées de poudres de diamant de différentes compositions granulométriques.En conséquence, le volume d'agglomérant doit être de 10 à 30 % du volume occupé par la poudre de -diamant comprimée. Si la quantité d'agglomérant est supérieure aux valeurs indiquéas, on peut disposer sur le côté opposé de la briquette en poudre de diamant une couche d'une autre poudre-à grains durs,par exemple de carbure de bore B4C. Après fusion de l'agglomérant et imprégnation de la briquette de diamant par l'agglomérant, ltexcès d'agglomérant passe dans Iadite couche. La composition granulométrique de la poudre de diamant de départ est choisie selon la destination de l'alliage diamanté à élaborer. Si celui-ci est destiné à l'usinage -par abrasion, les gros grains, par exemple de 15 à 250 microns,sont préférables si l'alliage diamanté doit avoir une haute résistance à la compression et une grande dureté, il-vaut mieux utiliser des poudres de diamant fines, à grains de 15 microns ou moins. Dans nombre de cas il est-avantageux d'utiliser des mélanges de poudres de diamant de différentes compositions granulométriques,ce qui permet d'augmenter jusqutà la limite le pourcentage du constituant diamant, car les vides entre les gros grains de diamant sont alors remplis par des grains de diamant plus petits. le rapport préféré de la dimension des gros grains à celle des petits est de 3/1 à 10/1. les taux volumiques correspondants des gros et petits grains est respectivement de 70 à 80 % et de 30 à 20 . le pression agissant sur le système poudre de diamant + agglomérant est d'au moins 10 kbars, d'ordinaire de 10 à 50 kbars. kux pressions supérieures à 50 kbars, le serrage de la poudre de diamant (surtout si elle est fine) et son imprégnation par'l'agglo- mérant métallique s'effectuent mieux. Toutefois, il convient de ne pas perdre de vue que sous des pressions de 50 à 10 kbars ou plus, bien qu'on obtienne un meilleur serrage de la poudre de diamant et une meilleure qualité du produit final,-la chambre dans laquelle se déroule le processus, a une durée de service plus courte. Avec des chambres bien conçues on peut mettre en oeuvre des pressions dépassant notablement 50 kbars. le choix de la pression dépend également de la grosseur des grains de diamant de départ. Plus les grains de diamant sont petits, plus la pression mise en oeuvre est élevée, etinversementy plus les grains sont gros, plus la pression est basse, car les gros grains sont plus sujets à la destruction mécanique et à l'éclatement que les petits lors de la compression dans la chambre de pression. Pratiquement, lorsqu'on utilise une poudre de diamant de dimensions granulométriques allant de 0,5 à 15 microns, on met en oeuvre une pression de 30 à 50 kbars, et lorsqu'on utilise une poudre de diamant de dimensions granulométriques de 15 à 250 microns, on -met en oeuvre une pression de 10 à 20 kbars. Lorsqu'on utilise un mélange de poudres de diamant de différentes compositions granulométriques, la pression à mettre en oeuvre peut être notablement augmentée. les pressions indiquées assurent une bonne qualité des produits et permettent en même temps utiliser assez longtemps la chambre de pression sans la remplacer. l'invention permet, selon la composition granulométrique de la poudre de diamant utilisée et selon l'agglomérant, d'obtenir des alliages diamantés à très hautes propriétés mécaniques : dureté 95 a' 96 unités KRa ( pour les grains de diamant de 3 à 5 microns, HRa étant la dureté Rockwell, échelle "a"), résistance à la compression 450 à 550 kg/mm2, module d'élasticité 55 000kg/mm2 (pour les grains de diamant de 10 à 15 microns).-Lors de l'enfon- cement d'un cône en alliage diamanté(composé de grains de diamant de 3 à 5 microns) dans un alliage carbure-tungstène de composition 94 % WC + 6% Co,-l'alliage diamanté supporte une pression de contact de l'ordre de 10 000 kg/mm2. Tout en ayant de très hautes caractéristiques mécaniques, les alliages diamantés obtenus conforment à l'invention sont douésd'une ténacité satisfaisante. Une particularité importante du procédé proposé de fabrication d'alliages diamantés est la possibilité d'obtenir de gros produits dont le nombre peut atteindre 10 cm3 et meme plus. le volume du produit est déterminé par les dimensions utiles de la chambre de pression, et comme les pressions nécessaires pour la mise en oeuvre du procédé sont relativement peu élevées, la chambre peut facilement avoir un volume supérieur à 10 cm3. le haut niveau des propriétés mécaniques des alliages diamantés obtenus par le procédé de l'invention est dû au fait que dans le système de départ poudre de diamant + agglomérant métallique, l'agglomérant n'est pas mélangé à la poudre de diamant comme dans les procédés connus, mais est disposé extérieurement à la poudre de diamant, en contact avec cette poudre, et sa pénétration dans la poudre de diamant, préalablement serrée sous une pression d'au moins 10 kiiars, s'effectue à une température suffisante pour la fusion de l'agglomérant métallique. De la sorte, le serrage de la poudre de diamant par la pression s'effectue en l'absence d'agglomérant métallique dans ladite poudre. Cela permet d'obtenir une compacité maximale des grains de diamant et la formation d'zon squelette de diamant continu, avec une multitude de contacts diamant-diamant. L'agglomérant s'introduit dans la poudre de diamant préalablementserrée- et maintenue sous pression, aussi l'agglomérant ne remplit-il que lesvides intergranulaires du diamant. le squelette de diamant formé sous pression est consolidé par l'agglomérant métallique solidifié. Un tel alliage diamanté travaille bien dans des conditions de charges de compression, car celles-ci sont supportées principalement par le squelette de diamant, dans leqúel les zones de contact diamant-diamant ne sont pas affaiblies par des pellicules métalliques intercalaires. L'agglomérant métallique ne.fait que fixer les grains individuels du squelette de diamant et prévient leurs déplacements relatifs. D'autre part, à la suite d'une telle imprégnation de la poudre de diamant par l'agglomérant métallique, les salissures de la surface des grains de diamant et les atomes étrangers passent dans le métal en fusion et se concentrent dans le front de ce métal qui, en imprégnant le squelette de diamant dans une direction dé-ter- mineé entraîne ces impuretés hors de ces limites. De ce fait, la masse principale de l'alliage diamanté contient en définitive une quantité minimale d'impuretés. Quant à la couche superficielle de l'alliage diamanté où s'arrête le front de de pénétration et où se concentrent les impuretés et les défauts, elle peuteteébntiéed'une manière relativement facile lors de l'usinage mécanique ultérieur du produit. Afin d'économiser la poudre de diamant, à l'endroit où devra s'arreter le métal en fusion on peut substituer à la poudre de diamant une poudre de carbure de bore BdC. De la sorte, la couche défectueuse à éliminer, contenant une grande quantité d'impuretés, sera constituéé non pas par du diamant, mais par du carbure de bore, qui est bien moins coûteux. De la sorte, le procédé proposé-permet de fabriquer un alliage diamanté à structure prédéterminée : squelette de diamant continu avec une multitude de contacts diamant-diamant et avec un agglomérant métallique réparti dans les vides intergranulaires du diamant. Ci-dessous est donnée la description d'un mode non limitatif de réalisation de l'invention, illustré par le dessin unique annexé qui représente une chambre de pression pour la mise en oeuvre - du procédé. Les constituants de départ de l'alliage diamanté (poudre de diamant 1 de composition granulométrique appropriée, ou mélange de poudres de diamant de différentes compositiorsgranulométriqu et agglomérant métallique compact 2) sont placés dans un gobelet chauffant 3 en graphite. Btagglomérant métallique est-employésous forme d'une poudre pré-comprimée ou de copeaux comprimes ayant reçu, lors de sa compression, la forme et les dimensiom requises, ou bien sous forme d'un morceau de métal mnolit dont la forme et les dimensions- requises ont été obtenues par tournage. Dans le gobelet chauffant en graphite l'agglomérant métallique est placé au contact de la poudre dé diamant.Du côté opposé à l'agglomérant on peut placer sur la poudre de diamant une couche 4 de carbure de bore 340. Les parois du gobelet chauffant 7 pe-lvent être électriquement isolées du contenu par des éléments intercalaires 5 en mica ou en nitrure de bore hexagonal. Pour prévenir l'introduction dans l'alliage diamanté des gaz se degageant du gobelet chauffant 3 lors du chauffage, ledit gobelet peut aussi être isolé mécaniquement du contenu, par exemple par une feuille 6 de métal réfractaire, par exemple de tantale ou de tungstène. le gobelet chauffant 7, une fois rempli, est fermé par un bouchon en graphite 7. le gobelet chauffant 3 et son contenu sont placé dans un récipient 8 en catlinite ou en pyrophyllite. La catlinite ou la pyrophyllite sert à transmettre et uniformiser la pression agissant sur le volume utile. Le chauffage est réalisé en faisant passer un courant à travers le gobelet chauffant en graphite, le long de sa lne axiale (non représentée sur le dessin). la séquence des opérations pour la fabrication d'un alliage diamanté selon le procédé de l'invention est la suivante. D'abord le récipient 8 est soumis à l'action d'une pression d'au moins 10 kbars, qui réalise le serrage.de la poudre de diamant. Puis chauffe jusqu'à une température assurant la fusion de l'agglomérant métallique 2. Sous l'action de la pression, l'agglomérant 2 en fusion imprègne la poudre de diamant 1 serrée. la durée du maintient à la température d'imprégnation est d'ordinaire de 30 secondes à 3 minutes. Ceci fait, on arrête le chauffage et, après solidification de l'agglomérant métallique 2, qui dure de 0,5 à 2 mn, on supprime, la pression. Il est à noter que le procédé faisant l'objet de l'invention permet aussi de fabriquer directement des produits en alliage diamanté de forme voulue. Celle-ci peut être donnée au produit à l'aide d'éléments profilés céramiques placés dans le gobelet chauffant avant d'y verser la poudre de diamant. Une autre méthode consiste à' donner à la cavité du gobelet chauffant en graphite une forme appropriée : sphérique, octaédrique, etc., selon le forme que doit avoir le produit en alliage diamanté: S'il est nécessaire de fabriquer des pièces en alliage diamanté de forme comportant des trous ou des évidements, on donne à l'agglomérant métallique la forme du trou ou de l'évidement à obtenir et on le place au sein de la poudre de diamant. Pcur fabriquer des pièces en alliage diamanté à surface en relief, on donne le relief correspondant a la surface de l'agglomérant er,,trant en contact avec la poudre de diamant lors de la fabrication du produit en alliage diamanté par le procédé proposé, le relief est reproduit sur la surface du produit en alliage diamanté. Ci-après sont décrits des exemples concrets mais non limitatifs de réalisation de l'invention. Exemple 1. L'alliage diamanté est fabriqué dans le dispositif représenté sur le dessin. L'alésage du gobelet chauffant 3 en graphite a un diamètre de 30 mm et une profondeur de 30 mm. les produits de départ sont une poudre de diamant 1 à grains de 150 microns et un agglomérant métallique 2 sous forme de copeaux comprimés d'alliage zirconium-cuivre avec 50 % en poids de cuivre. Le gobelet chauffant 3 rempli est soumis à l'action d'une pression de 10 kbars et d'une température de 12500C. La durée du maintien à cette température est de 1,5 mn. le produit obtenu sert à fabriquer des outils pour le travail de la pierre. Exemple 2. Le procédé est mis en oeuvre comme dans l'exemple 1. les produits de départ sont une poudre de diamant à grains de 150 microns et du nickel métal en tant qu'agglomérant. les conditions du traitement sont les suivantes : pression 20 kbars, température 1500 C, durée de maintien 1,5 mn. le produit obtenu a un haut pouvoir abrasif allié à une grande tenacité. Exemple 3. L'alésage du gobelet chauffant 3 en graphite a un diamètre de 15 mm et uneprofondeur de 15 mm. La poudre de diamant à grains de 10 à 15.microns et l'agg omérant (alliage titane-cuivre avec 40 % en poids de cuivre) sont soumis à l'action d'une pression de 30 kbars et d'une température de 12000C. La durée du maintien est de 1 mn. le produit obtenu a une résistance à la compression de 500 kg/mm2 et un moule d'élasticité de 55 000 kg/mm2. Exemple 4. les dimensions utiles de la chambre de pression sont les mêmes que dans l'exemple 3. La poudre de diamant à grains de 3- à 5 microns et l'agglomérant constitué par un alliage titane-cuivre avec 45 en poids de cuivre sont traités sous une pression de 50 kbars et à une température de 11500C pendant 1 mn. Be produit obtenu à une dureté HRa égal à 96. Bien entendu l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui nta été donné qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des'moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celle-s-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. R E V E N D I C A T I O N S 1. Procédé de fabrication d'alliages diamantés, par imprégnation d'une poudre de diamant avec un agglomérant métallique sous l'action d'une haute pression et d'une haute température, caractérisé en ce que l'on utilise-un système poudre de diamant + agglomérant métallique, dans lequel l'agglomérant métallique est disposé-extérieurement à'la poudre de diamant, mais en contact avec celle-ci, et en ce que ledit système est soumis à l'action d'une pression d'au-moins 10 kbars pour le serrage. de la poudre de diamant, puis ledit système dans lequel la poudre de diamant est ainsi serrée est soumis toujours sous pression à l'action d'une température-suffisante-pour la fusion de l'agglomérant métallique, lequel, en fondant, imprègne la poudre de diamant. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pression utilisée peut aller de 10 à 50 kbars. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le serrage de la poudre de diamant et son imprégnation par l'agglomérant métallique sont effectués sous une pression de 30 kbars. 4. Frocédé selon l'une des revendications 1 à -3, caractérisé en ce que l'agglomérant métallique est un métal ou 1.n alliage de métal dont l'angle de contact à l'état liquide avec le diamant est inférieur ou égal à 90. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractér:-é en ce que l'on utilise une poudre re diamant dont la composition granulométrique peut aller de 0,5 à 250 microns. 6. Proce'-''- selon la revendication 4, caractér eé en ce que l'sg- omo-rant métallique est constitué par du nickel métal, du cobalt métal ou dru manganèse métal. 7. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'agglomérant métallique est un alliage zirconium-cùivre contenant 50 %, en poids, de cuivre. 8. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'agglomérsnt métallique est un alliage titane-cuivre contenant 40 ou 45 %, en poids, de cuivre. 9. les alliages diamantés, caractérisés en c-e qu'ils sont obtenus par le procédé suivant l'une des revendications 1 à 8.