Brevet FR2256900A1 — publié le 19750801

La présente invention concerne la préparation des diamants et plus précisément un procédé de préparation des diamants polycristallins. Au cours des années récentes on a élaboré en Union Soviétique, ainsi que dans d'autres pays, une technologie d'obtention des diamants en général ainsi que des diamants polycristallins en particulier. On connaît déjà un procédé d'obtention de diamants polycristallins par traitement de poudres diamantées sous des pressions statiques, à des températures élevées et avec mise en oeuvre d'additifs ou sans ces additifs. Les pressions utilisées ne dépassaient pas 110 kilobars et lés-températures mises en jeu étaient inférieures à 20000C. A titre d'additifs on utilisait le bore, le silicium, et le béryllium qui servaient comme catalyseurs contribuant à un meilleur frittage des particules de diamant pour former un monolfthe polycristallin (on pourrait citer à ce titre les procédés de préparation de diamants polycristallins, protégés par les brevets suivants brevets français nO 2 022 859, Classe B 24 d ; 1 579 800 et 1 579 799, classe COI bl brevets de la R.?.A. NO 1 792 452, 2 056 764, t 953-800, 2 032 103, 1-963 057 et 1 667 691, classe 121, 31/06 brevet de Grande-Bretagne n 1 298 56S, classe CiA ; brevets des Etats-Unis d'Amérique nO 3 141 746, classe 5t-307, 3 389 98t, classe 51-293). Un inconvénient majeur des diamants polycristallins obtenus par les pocédés connus tient à l'instabilité de leurs caractéristiques, probablement à cause dé la présence, dans la structure des polycristaux, d'intercalations de graphite et de métaux-de catalyseurs. L'invention vise à éliminer les inconvénients des procédé de préparation des diamants polycristallins connus et qui viennent d'entre décrits. On s'est donc proposé de trouver les régimes optimaux de traitement des poudres de diamant, relatifs aux températures et-pressions. La solution consiste en ce que, pour la préparation de diamants polycristallins par application, sur des poudres de diamant, d'une pression statique dans des conditions de températures élevées, suivant l'invention on maintient dans la chambre de travail une température de 27000 à 3700. C et une pression sous laquelle le graphite se transforme en diamant. il est particulièrement avantageux de maintenir dans la chambre de travail une température de 31000 à 37000C. D!une façon plus concrète, on maintient dans la chambre de travail une pression de 120 à 170 kilobars. Pour améliorer la tenue à l'usure du diamant polycristallin, on introduit dans les poudres-de diamant des additifs à base de métaux alcalino-terreux. D'une façon concrète, on peut introduire, à titre d'additifs, du spath-fluor, du calcaire, de la craie, du talc, pris séparément ou ensemble. Il est avantageux d'introduire les additifs au moment où l'on place les poudres de diamant dans la chambre de travail, en les disposant par couches audessous et au-dessus de la couche de poudres de diamant. Pour obtenir un matériau apte à la fabrication d'outils de forage dont la tenue en utilisation est améliorée, il est avantageux d'utiliser un mélange de deux poudres de diamant, la fraction principale de l'une de ces poudres étant composée de grains de 0,1 à 2,0 microns, la fraction principale de l'autre étant composée de grains de 5 à 60 microns. D'une façon concrète, on introduit la poudre de diamant dont la fraction principale se compose de grains de plus grandes dimensions à raison de 20 à 80% de la masse totale des poudres de diamant. Il est particulièrement avantageux d'introduire la poudre de diamant dont la fraction principale se compose de grains de plus grandes dimensions à raison de 50g0 de la masse totale des poudres de diamant. On obtient finalement un diamant polycristallin constitué par un corps contenant deux genres de polycristaux, dont les dimensions des grains structuraux sont (pour l'un des genres de polycristaux) de 0,1 à 2,0 microns et (pour l'autre genre de polycristaux) de 5 à 60 microns. Un diamant de ce genre présente une haute résistance et un pouvoir d'abrasion élevé. Avant de mélanger les poudres de diamant dont les fractions principales sont de dimensions différentes, il est avantageux de soumettre au préalable à une granulation la poudre de diamant dont les grains sont de dimensions inférieures. On obtient en définitive un diamant dont les polycristaux à grains structuraux de moindres dimensions sont dispersés dans le corps d'un polycristal à grains structuraux de plus grandes dimensions. Un tel matériau présente de meilleures propriétés abrasives, et, au cours de son utilisation, on n'observe pas de désaffAtage dudit matériau par enfoncement de ses grains. Sa surface reste rugueuse en permanence. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaStront à la lecture da la description détaillée suivante d'un mode de réalisation concret mais non limitatif, expliqué par des exemples non limitatifs de matériaux diamantés obtenus et de modes de fabrication de ceux-ci. Le procédé objet de l'invention prévoit l'obtention de diamants polycristallins à partir soit de poudres de diamant de fraction homogène que d'un mélange de poudres de diamant de fractions variées. La grosseur des particules des poudres n1 est pas, elle non plus, limitée, bien que dans certains cas, pour conférer des caractéristiques spéciales au matériau dinanté, il soit avantageux d'employer des poudres ayant des particules de dimensions déterminées. Ces différents cas eront considérés plus en détail dans ce qui suit. On peut mettre en oeuvre des poudres de dianants naturels aussi bien qu'artificiels. Il est préférable de soumettre ces poudre-s à un chauffaSe préalable à une température de 5000 à 600 C en milieu oxydant pendant 1C -- 45 minutes (la durée du chauffaçe -. pend de la quartit ue poudre tnitiale Pour débarrasser les poudres de lthumidité et des gaz adsorbés, ainsi que des impuretés orZani4ues, on les soumet à une calcination. Après chauffage, les poudres de diamant sont placées dans un réchauffeur en graphite et y sont compactées.On place le réchauffeur en graphite (qui ne sera pas décrit en détail ici, car il est largement connu) dans une chambre haute pression. Cette chambre, elle aussi, est connue et sa description est donnée dans le brevet français no 2 122 -772, classe B30 bu1/00. On soumet dans cette chambre la poudre de diamant aux effets d'une pression statique de 120 à 170 kilobars, ce qui correspond pratiquement à la pression de transition du graphite en diamant. On maintient la température dans les limites de 2700 à 37000C. Les pirations se déroulent dans les meilleures conditions quand on maintient la température dans un intervalle de 3100 à 370000. Grâce à un tel traitement pendant 0,7 à 1,5 secondes,la poudre de diamant se transforme en un diamant polycristallin compact qui prend la forme de la cavité interne du réchauffeur en graphite. Les diamants obtenus sont d'une coloration gris-foncé et présentent un éclat métallique, leur masse atteignant 0,5 carat. La masse spécifique de ces diamants est de 3,4 à 3,5 g/cm3, leur résistance å la compression uniaxiale est de 120 kg/mm2. Ces diamants ont subi avec succès des essais pour le tréfilage de fils en métaux réfractaires et en alliages cuivre-nickel, ainsi que pour le forage de roches dures eut abrasives. Pour obtenir des diamants de résistance accrue, il faut partir d'un mélange de poudres de diamant, dans lequel la grosseur des grains de la fraction principale de l'une des poudres est de 0,1 à 2,0 microns, la grosseur des grains de la fraction principale de l'autre poudre étant de 5 à 60 microns. Dans ce cas, on introduit la poudre de diamant, dont les grains sont de plus grandes dimensions, à raison de 20 à 80 %' de la masse totale des poudres de diamant. On obtient la plus haute resistance mécanique en employant un mélange dans lequel lesdites poudres de diamant constituent chacune 50 de la masse totale du mélange. Gracie au mélange précité de poudres et au traitement indiqué sous la pression et à la température spécifiées plus haut, on obtient un diamant contenant deux genres de polyeristaux accolés, ayant respectivement des grains structuraux de dimensions différentes. Les diamants de ce genre présentent une haute résistance mécanique et un grand pouvoir abrasif. Ils sont destinés à être utilisés à titre d'éléments de coupe dans les outils de forage st d'affûtage. Si, avant de mélanger lesdites poudres de diamant, on met au préalable en granulés la poudre constituée des grains les plus fins, le diamant obtenu par le traitement décrit constitue un corps dans lequel les polycristaux à grains structuraux les plus fins sont dispersés dans le-corps de polycristal à grains structuraux plus gros. Les diamants de ce genre sont destinés à être utilisés -dans les outils dtaffttage et de forage. Dans le procédé décrit on effectue la granulation par des techniques connues. Si, dans ce cas, on utilise un agglomérant (adhésif) quelconque, il importe d'éliminer cet agglomérant (adhésif) par caicination avant d'appliquer le traitement sous-pression et à température élevée. Pour obtenir des diamants par le procédé de l'invention, il est avantageux de mettre en oeuvre des additifs à base de -métaux alcalino-terreux, tels que le spath-fluor, le calcaire, le talc, que ltonpeut prendre soit séparément, soit en association quelconque les uns avec les autres, car ils sont tous équivalents. On introduit lesdits additifs au moment de placer la poudre de diamant dans le moule, en particulier au moment de la placer-dans un réchauffeur en graphite. On dispose les additifs par couches au-dessous et au-dessus de la couche de poudre de diamant ou de mélange de poudres de diamant. On introduit les additifs dans de très faibles proportions, qui sont propres à la mise en oeuvre des additifs de tous genres. Les additifs permettent d'obtenir un diamant polycristallin présentant des caractéristiques mécaniques stables. On trouvera dans ce qui suit des exemples de diamants obtenus et quelques particularités du -procédé de préparation de ceux-ci. EXEMPLE 1. Diamant polycristallin composé à 100% de cristaux de diamant à dimensions des grains de 10 à 14 microns. Pour obtenir ce diamant polycristallin, on emploie une poudre de diamant à particules de diamant de 10 à 14 microns. On applique le traitement sous une pression de 140 kilobars et à une température d'environ 3200cl. Durée du traitement t,5 secondes. Caractéristiques du diamant coloration à la cassure gris-foncé masse spécifique 3,47 g/cm3 charge moyenne de rupture à l'écrasement d'un grain isolé de 630 microns 17 kgf. Le diamant est électroconducteur. il est avantageux de l'utiliser pour la confection d'outils à monocristal : filières, outils de coupe, brunissoires EXEMPLE 2. Diamant polycristallin composé à 100% de cristaux de diamant à dimensions des grains de 1 à 40 microns. Pour obtenir ce diamant polycristallin on emploie un mélange de poudres de diamant à dimensions des particules de diamant de 1 à 40 microns On obtient un tel mélange à partir de poudres de diamant à différentes dimensions des grains de diamant : 1 à 3 ; 5 à 7 ; 10 à 14 ; 14 à 28 ; 28 à 40, introduites respectivement dans les rapports de I : I : 2 : 2 : 3. On effectue le traitement sous une pression ae 160 kilobars et à une température d'environ 330000. La durée du traitement est de 2 secondes. Caractéristiques du diamant : coloration à la cassure gris-foncé masse spécifique 3,52 g/cm3 charge de rupture moyenne à l'écrasement d'un grain isolé de 630 microns 18,3 kgf. le diamant est électroconducteur. Grâce à la présence d'une sélection de grains, ce diamant permet d'obtenir une excellente arête de coupe sur des outils monocristaux, notamment sur des outils de coupe. EXEMPLE 3. Diamant polycristallin composé à 70% de cristaux de diamant à dimensions des grains de 14 microns, et à 32 de cristaux à dimensions des grains de 1 micron. Pour obtenir ce diamant polycristallin on emploie un mélange de poudres de diamant composé à 70% de particules de diamant de 10 à 14 microns et à 3000 de particules de diamant de 1 à 2 microns. On place la poudre de diamant dans le moule par couches de façon qu'au-dessus et au-dessous de la poudre de diamant se trouve une poudre de calcaire à raison de l/tO de la masse de la poudre de diamant. On applique le traitement sous une pression de 160 kilobars et à une température d'environ 35000C. Durée du traitement 0,8 seconde. Caractéristiques du diamant : coloration à la cassure gris-clair masse spécifique 3,42 g/cm3 charge de rupture moyenne à l'écrasement d'un grain isolé de 630 microns 19,2 kgf. le diamant n'est pas électroconducteur. EXEMPLE 4. Diamant polycristallin composé à 504 de cristaux de diamant à dimensions des grains de 0,1 à I micron, et à 50% de cristaux de diamant à dimensions des grains de 5 à 7 microns. Pour obtenir ce polycristal on emploie un mélange de poudres de diamant composé à 50% de diamants dont les dimensions des cristaux sont de 0,1 à 1 micron, et à 50, de diamants dont les dimensions des cristaux sont de 5 à 7 microns. On effectue le traitement sous une pression de 170 kilobars et à une température de-34000C. Durée du traitement 1,6 secondes. Au-dessus et au-dessous de la poudre de diamant on place une prise de talc dont la masse est égale à t/10 de la masse de la poudre de diamant. Caractéristiques du diamant coloration à la cassure gris-clair masse spécifique 3,40 g/cm3 charge de rupture moyenne à l'écrasement d'un grain isolé de 630 microns 21 kgf Le diamant n'est pas électroconducteur. Il est avantageux d'utiliser-des cristaux de ce genre pour des outils qui exigent une résistance mécanique accrue du matériau, notamment pour des brunissoirs. EXEMPLE 5. Diamant polycristallin composé à 50% de polycristaux à dimensions des grains de structure de 0,1 à 7 micron, et à 50% de grains de diamant de 10 à 14 microns. Pour obtenir ce diamant polycristallin on emploie un mélange composé à 50 en poids de granules de 0,3 à 0,4 mm et obtenus à partir d'une poudre de diamant à dimensions de grains de 0,1 à 1 micron, et à 5O > 8 de grains de diamant de dimensions de 10 à 14 microns. Au-dessus et au-dessous de la poudre de diamant on place une prise de craie à raison de 1/10 de la masse de la poudre de diamant. On effectue le traitement sous une pression de 160 kilobars à une température de 36000C. Durée de traitement 1,8 secondes. Caractéristiques du diamant coloration du diamant à la cassure gris-clair masse spécifique 3,47 g/cm3 charge de rupture moyenne à l'écrasement d'un grain isolé de 630 microns 17,5 kgf Le diamant n'est pas électroconducteur. Des diamants de ce genre peuvent etre avantageusement utilisés pour les meules d'affûtage et les outils de forage, ce diaprant ne se laissant pas yolir (Résaffûter) au cours de l'utilisation. EXEMPLE 6. Diamant polycristallin composé à 35 de polycristaux à dimensions des grains structuraux de 0 > 1 à 1 micron, et à 65* de grains de diamant de 28 à 40 microns. Pour obtenir ce diamant polycristallin on emploie un mélange compose à 3500 de granules de 0,2 à 0,5 mm obtenus à partir de la poudre de diamant à dimensions des grains de 0,1 à 1 micron, et à 65% de grains de diamant de 28 à 40 microns. On effectue le traitement d'une façon analogue à celle indiquée dansl'exemple 5. Caractéristiques du diamant coloration du diamant gris-clair masse spécifique 3,45 g/cm3 charge dé rupture moyenne à l'écrasement d'un grain isolé de 630 microns 21 21,5 kgf Le diamant n'est pas électroconducteur. Des cristaux de diamant de ce genre peuvent entre utilisés avantageusemeht -pour des conditions de travail sévères de l'outil, notamment pour les trépans de forage. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituants des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. REVENDICATIONS 1. Procédé de préparation de diamants polycristallins, consistant à appliquer à des poudres de diamant une pression statique dans des conditions de-hautes températures, caractérisé en ce que l'on maintient dans la chambre de travail une température de 27000 à 37000C et une pression assurant la conversion du graphite diamant. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'on maintient dans la chambre de travail une température de 31000 à 37000C. 3. Procédé suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'on maintient dans la chambre de travail une pression de 120 à 170 kilobars. 4. Procédé suivant l'une des revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que l'on introduit dans les poudres de diamant des additifs à base de métaux alcalino-terreux. 5. Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce que l'on introduit, à titre d'additifs, au moins l'une des-matières suivantes : spath-fluor, calcaire, craie, talc. 6. Procédé suivant l'une des revendications 4 et 5* caractérisé en ce que l'on introduit lesdits additifs pendant la mise en place des poudres de diamant dans le moule, en disposant ces additifs par couches au-dessous et au-dessus de la couche de poudres de diamant. 7. Procédé suivant l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'on emploie, pour le traitement, un mélange de deux poudres de diamant, dont l'une comprend une fraction principale constituée de grains de dimensions allant de (,1 à 2,0 microns, et l'autre, une fraction principale composée de -grains de dimensions allant de 5 à 60 microns. 8. Procédé suivant la revendication 7i caractérisé en ce que la poudre de diamant dont la fraction principale se compose de grains de plus grandes dimensions est introduite à raison-de 20 à 80% de la masse globale des poudres de diamant. 9. Procédé suivant la revendication 8, caractérisé en ce que la poudre de diamant dont la fraction principale se compose de grains de plus grandes dimensions est introduite à raison de 504 de la masse globale des poudres de diamant. 10. Procédé suivant l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce qu'avant de mélanger les poudres de diamant dont les fractions principales respectives diffèrent lune de l'autre par les dimensions de leurs grains, on granule au préalable la poudre de diamant composée de grains de plus faibles dimensions. 11. Diamant polycristallin obtenu d'après le procédé suivant l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce qutil constitue un corps contenant deux genres de polycristaux, dont l'un est constitué de grains structuraux ayant des dimensions de 0,1 à 2,0 microns, tandis que l'autre est constitué de grains structuraux de 5 à 60 microns. -12. Diamant suivant la revendication 10, caractérisé en ce que les granules des polycristaux dont les grains structuraux sont de plus faibles dimensions sont dispersés au sein du polycristal à grains structuraux de plus grandes dimensions.