Brevet FR2473106A1 — publié le 19810710

La présente invention concerne des trépans de forage et des scies qui utilisent des éléments de coupe en diamant. L'invention concerne plus particulièrement l'application de comprimés polycristallins à ces domaines. UIn comprimé est une masse polycristalline de particules abrasives (par exemple, de diamant ou de nitrure de bore cubi- que) liées ensemble pour former une masse cohérente,tenace, d'une seule pièce, de résistance mécanique élevée. Sur le sujet des comprimés de diamant, on peut citer lesbrevets des Etats Unis no 3 136 615 (milieu de liaison en carbure de bore); 3 141 746; 3 239 321 (comprimé de diamant exempt de graphite); 3 744 982 (procédé de fabrication continue de diamant allié à du bore); 3 816.085; et 3 913 280. Un comprimé composite est un comprimé lié à un substrat, tel que du carbure de tungstène cémenté (voir le brevet des Etats Unis n0 3 745.623). Le brevet des Etats Unis n0 3 850 053 décrit des outils de coupe à comprimés faits de diamant polycristallin que l'on a fait croître à partir de graphite. Le brevet des Etats Unis no 3 850 591 décrit des comprimés de diamant fabriqués à partir de diamant mélangé avec du graphite. Les brevets des Etats Unis n0 3.831 423; 4 129 052; et 4 144 739 décrivent des filières d'étirage de fil en diamant. Un comprimé de filière d'étirage de fil en diamant se compose généralement d'une masse interne qui est de façon prédominante du diamant polycristallin et d'une bague externe de carbure lié par un métal directement liéeà la masse intérieure et l'entou- rant en vue de son support symétrique. La masse de carbure lié Par un métal est choisie dans le groupe comprenant le carbure de tungstène, le carbure de titane, le carbure de tantale et leurs mélanges, le matériau de liaison métallique étant présent en wne quantité allant d'environ 6 à 25% en poids et choisi dans le groupe comprenant le cobalt, le nickel, le fer et leurs mélanges. Les brevets des Etats Unis n0 3 407 445; 3 938^599 4 006 788; 4 073 354; et 4 098 362 (couronne faite de poudre de métal et d'alliages de brasage) 4 109 737 (élément de coupe en comprimé avec broche conique ajustée dans des creux) et 4 156 329 (brasage au four} décrivent des trépans utilisant des éléments de coupe en comprimés. Par le passé, les applications aux trépans ont utilisé des comprimés sous la formed'uncylindre droit avec une mince couche de diamant polycristallin liéeau'substrat de carbure cémenté. L'élément de coupe est formé en fixant des comprimés au trépan par brasage ou soudure du substrat de carbure à une broche de carbure cémenté qui est insérée dans la couronne du trépan. La couche de diamant est généralement orientée dans une direction radiale par rapport au centre de rotation du trépan et pénétre dans la roche essentiellement en tant qu'un outil de coupe. Dans la conception, les éléments de coupe saillent du corps du trépan, et fournissent ainsi une action de coupe agressive. Les contraintes sur chaque élément de coupe sont sévères, et des endommagements ont lieu par fissuration du comprimé. On fabrique des scies pour béton et pierres en diamant- imprégné par des procédés semblables à ceux utilisés pour la fabrication d'autres meules en diamant liées par un métal, mais habituellement avec des liaisons plus résistances à l'abrasion et des qualités de diamant plus grossières. Les lames de scie en diamant se composent souvent de segments brasés sur un disque ou noyau d'acier (par exemple de l'acier au nickel) (qui peut être traité thermiquement à la dureté voulue par exemple une dureté Rockwell C 38-41). L'intervalle entre les segments sert à amener de l'eau dans la découpe pour enlever les débris et mettre à nu les surfaces de coupe en diamant. Les noyaux peuvent avoir typiquement une épaisseur allant de 1,9 à 3,18 mm, et une hauteur de section abrasive allant d'environ 3,18 à 4,76 mm. Le procédé de fabrication de lames appartient à la métal- lurgie des poudres. Divers métaux en poudre tels que du fer, du cuivre, du bronze, du nickel, du cobalt et du carbure de tung- stène sont combinés en.r>ro-.;ortions définies pour obtenir la résis- tance mécanique et la résistance à l'usure voulue de la matrice. Une poudre de liaison classique peut contenir du nickel, du fer, du cobalt et du carbure de tungstène. Les diamants sont 24731 06 répartis dans la poudre à la concentration voulue, (par exemple 6,25 volumes %) et on place le mélange résultant dans un moule (graphite) qui est chauffé sous pression pour fondre ensemble les poudres formant ainsi une matrice métallique so- lide pour maintenir les diamants. Les conditions de pressage à chaud vontgénéralement de 1.000 à 1.1000C et de 4,1.10 à 9 104 k Pa. Les segments sont ensuite brasés ou soudés à l'argent sur le noyau. La saillie du diamant de la surface des segments nécessite une bande de brasage relativement épaisse pour obtenir un joint résistant. Des opérations de finissage peuvent comprendre le redressement, l'alésage, le sablage, le brunissage, la mise sous tension et -le meulage des segments (en sens contraire de la direction normale de rotation) avec une meule plus grossière pour mettre à nu les cristaux de diamant. Les diamants natureJs de grande taille utilisésdans les trépans et certains types de scies peuvent être remplacés par l'inser- tion de comprimés de diamant dans le trépan ou la lame. La conception du comprimé serait similaire à celle utilisée pour fabriquer des filières d'étirage de fils. Le comprimé de diamant pourrait être fabriqué in situ, dans le centre d'une bague de carbure métallique cémenté. Les dimensions et le rapport du diamant au carbure seraient dictés par la taille et l'usage du trépan ou de la scie. Si nécessaire, on peut fabriquer plusieurs noyaux de diamant dans un seul disque de carbure métllique cé- menté-qui peut être découpé pour fournir des pièces unitaires si nécessaire. Plusieurs petits noyaux agissant ensemble dans un disque unique peuvent être souhaitables dans certains cas, car ils offrent plus de points de coupe qui sont bien renforcés par'la carbure. On peut décrire un trépan utilisant- le présent concept, comme A) un arbre allongé; B) une couronne fixée à l'extrémité de l'arbre; et C) un ensemble d'éléments de coupe en comprimés de diamant compositesmontés sur cette couronne o. l'amélioration consiste en des éléments de coupe en comprimés de diamant qui se composent de diamant polycris- 24731 06 -4- tallin au centre d'une bague de carburemétallique cémenté. Les carbures métalliques appropriés sont le carbure de tung- stène, le carbure de titane et le carbure de tantale, le plus recommandé étant le carbure de tungstène. Dans cette conception, le carbure saillant de la bague serait usé pour mettrezà nu le diamant à l'extrémité, et le reste du carbure fournirait en support et une protection sous la forme d'une résistance aux chocs accrue. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement Figure 1, une vue en coupe d'un comprimé composite selon la présente invention Figure 2, une vue en coupe d'un trépan ayant des éléments de coupe qui sont des comprimés composite représentés à la figure 1; et Figure 3, une vue détaillée partielle d'une partie du trépan de la figure 2 montrant une section de l'élément de coupe en comprimé usée après son utilisation. La figure 1 représente une variante, recommandée de l'in- vention dans laquelle le comprimé composite 10 se compose d'une masse intérieure de façon prédominante en diamant polycristal- lin 12 entourée par un anneau de carbure 14 en forme de coupelle. Avec cette conception, il est possible d'avoir une partie de comprimé de diamant totalement disponible pour un usage actif. Ainsi, lorsque le trépan ou la scie est usé, il ne restera aucune section de diamant polycristallin. Il est également possible que les comprimés de la présente invention soient réalisés en faisant croître le diamant in-situ à haute pression et haute température dans la région de sta- bilité thermodynamique du diamant à partir de graphite et de catalyseur. Le sommet inévitable de mauvaise qualité contenant - un mélange de graphite et de diamant serait enlevé par meulage jusqu'à ce qu'on mette à nu seulement du diamant. Une forme recommandée d'un appareil à haute température/ haute pression (HP/HT) dans lequel on peut préparer lescomprimés de la présente invention fait l'objet du brevet des Etats-Unis no 2 941 248. Il comprend deux poinçons en carbure cémenté opposés 24731 06 et une ceinture ou matrice intermédiaire du même matériau. La matrice comporte une ouverture dans laquelle on place un réacteur conformé pour contenir un assemblage de zone de réac- tion. Entre chaque poinçon et la matrice se trouve un ensemble de joints comprenant une paire d'éléments en pyrophyllite thermiquement isolants et électriquement non conducteurset un joint métallique intermédiaire. Le réacteur, dans une forme recommandée, comprend un cylindre creux. Le cylindre peut être fait d'un matériau inerte tel que du sel, du talc ou de la lave, qui (1) n'est pas nota- blement converti durant l'opération à haute pression haute tem- pérature en un état plus résistant et plus rigide (telle que par transformation de phase et/ou compactage) et (2) est sub- stantiellement exempt de discontinuités volumiques apparais- sant sous l'application de hautes pressions et hautes températures. Des matériaux satisfaisant à ces critères sont décrits dans le brevet des Etats Unis n0 3 030 662. Placé concentriquement et adjacent au cylindre se trouve un tube chauffant à résistance électrique en graphite. Dans le tube chauffant en graphite, se trouve placée concentri- quement une chemise inerte cylindrique. Les extrémités de la chemise sont emboîtées dans des bouchons inertes disposés-au sommet et au fond. Des disques terminaux en métal électriquement conducteur sont utilisés à chaque extrémité du cylindre pour assurer une connexion électrique avec le tube chauffant en graphite. Adja- cent à chaque disque se trouve un capuchon d'extrémités compre- nant chacun un bouchon ou disque de pyrophyllite entouré par une bague électriquement conductrice. Les techniques d'applica- tions simultanées de haute pression et haute température dans ce type d'appareil sont bien connues des spécialistes. L'as- semblage de zone de réaction (ou cellule) s'adapte dans l'espace défini par la chemise et les bouchons-L'assemblage de zone de réaction se compose d'un manchon cylindrique en métal servant d'écran choisi dans le groupe comprenant le zirconium, le titane, le tantale, le tungstène et le molybdène. Dans ce manchon en métal servant d'écran, se trouve un sousensemble confiné dans un disque métallique servant d'écran et une coupelle métallique servant d'écran. Disposé dans la cavité définie par le disque métallique servant d'écran et la coupelle se trouve un anneau ou coupelle fait d'une poudre de- carbure frittable comprimée à froid (mélange de poudre et de carbure et d'un mi-lieu de liaison métallique approprié). Le cas échéant, l'anneau peut être fait de carbure lié par un métal préfritté ou de carbure lié par un métal totalement fritté. Dans l'anneau ou coupelle se trouve disposée une masse de grains de diamant. Le reste du volume de l'assemblage de zone de réaction peut être rempli par un disque fait du même matériau que le cylindre (par exemple de la pyrophyllite) et-des disques faits de nitrure de bore hexagonal pour réduire l'entrée de subs- tances indésirables dans le sous-ensemble défini par le disque et la coupelle métallique servant d'écran. Les conditions du procédé HP/HT sont - Les particules de diamant type utilisées pour la matrice peuvent avoir une plus grande dimension allant de 0,1 à 500 microns; - Des conditions de pression et de température dans la région stable du diamant et au-dessus du point de fusion du catalyseur. Des conditions types vont de 50 à 85 kbar à des températures de 14000C à 18000C dans la région-de stabilité du diamant du diagramme de phase du carbone; - Un temps de réaction de 3 à 60 minutes. La région stable du diamant est la gamme de conditions de température et de pression dans laquelle le diamant est thermo- dynamiquement stable. Sur le diagramme de phase pression-tempé- rature, c'est généralement le côté haute pression, au-dessus de la couibe d'équilibre entre le diamant et le graphite. Dans le cas du diamant polycristallin que l'on a fait croître in-situ, le centre de l'anneau est à la place rempli avec du carbone-qui n'est pas du diamant (par exemple du graphite).-- Un catalyseur qui convertit du carbone non sous forme de diamant en diamant peut être présent en contact avec le graphite. Ceci peut s'effectuer en utilisant un métal de cémentation du carbure dans l'anneau qui est également un catalyseur pour la formation du diamant (par exemple du cobalt, du nickel ou du fer). On 24731 06 peut également l'effectuer en plaçant simplement un disque du métal catalyseur dans l'anneau. L'assemblage de zone de réaction est chargé dans le réac- teur qui est placé dans l'appareil haute pression-haute tem- pérature. Premièrement, la pression puis la température sont accrues et maintenues aux conditions voulues pendant un temps suffisant pour que le frittage ait lieu. On laisse alors re- froidir l'échantillon sous pression pendant une courte période de temps, et finalement on abaisse la pression à la pression atmosphérique et on récupère le comprimé. Le manchon métallique servant d'écran peut être enlevé mécaniquement. Du métal adhérent provenant de la coupelle métallique servant d'écran ou disque peut être meulé ou enlevé par polissage. Le trépan rotatif représenté en coupe à la figure 2 se compose d'un arbre allongé 20 ( fileté pour la fixation à un appareil de forage) d'une couronne 22 fixée à une extrémité de l'arbre et d'un ensemble d'éléments de coupe en comprimés de diamant ccomsites 10 montés sur la couronne 22. Les débris de coupe sont enlevés par un fluide de forage qui s'écoule vers 'le bas à travers un alésage central 23 et vers le haut à travers des canaux ou passages dans la couronne (non représentés).Un tel trépan est fabriqué par n'importe quelle technique connue. Une de ces techniques consiste à braser les éléments de coupe en comprimés compositesdans des douilles ou creux de la couronne du trépan en acier en utilisant un métal de brasage approprié, tel que l'un de ceux ayant la composition 50% d'argent, 15,5% de cuivre, 15,5 % de zinc, 16 % de cadmium et environ 3 % de nickel (obtenu dans le commerce sous la dénomination EASY-FLOW 3 auprès de Handy and Harman Company). Il également faisable d'utiliser le procédé du brevet des Etats Unis 4 098 362. Celui-ci consiste à placer les éléments de coupe dans des creux, dans un moule de graphite; à revêtir chaque élément avec une couche de fondant, à couler une poudre de matrice de carbure de tungstène sur les éléments de coupe dans le moule; à insérer un arbre de forage en acier dans le moule; à disposer du métal de brasage autour du sommet du moule; et à braser dans un four ou une unité de chauffage par induction. La couronne de forage-est une masse solide de carbure maintenu ensemblepar.l'alliage de brasage qui s'est infiltré. Les éléments de coupe sont habituellement disposés de sorte que pratiquement la totalité de la surface de la pièce usinée (la terre) traversée par le trépan rotatif se trouve attaquée par les éléments de coupe. Ceci peut s'effectuer en montant les éléments de coupe suivant uneforme spirale, tout autour de la face latérale du trépan. De tels trépans peuvent être conçus pour que seulement la partie des éléments de coupe en comprimés de diamant composite qui contiennent du diamant saillent de la couronne de forage. _ Pendant l'utilisation, les éléments de coupe seraient, en pre- mier, usés beaucoup plus comme des éléments rapportés en car- bure de tungstène filetés normaux. Cependant, après que le car- bure se soit usé jusqu'à la masse de diamant polycristallin, la résistance à l'abrasion supérieure de ce noyau de diamant rendra ces éléments de coupe beaucoup plus durable. De plus, le support latéral conféré par le carbure entourant partielle- ment le noyau de diamant aiderait à empêcher la fissuration et l'écaillage qui a lieu avec les comprimés du type en couche mince mentionnés au début de la présente description, tels qu'illus- trés à la figure 3. Le même principe s'applique aux lames de scie. Les éléments de coupe en comprimés des diamants peuvent être placés dans des douilles peu profondes (par exemple faites à la pointe ou au - ciseau). Ceci peut s'effectuer en-nLeulant le comprime avec une masse abrasive de diamant à la forme voulue. REVENDICATIONS 1. Trépan du type comprenant a) un arbre allongé (20); b) une couronne (22) fixée à une extrémité de-cet arbre; et c) un ensemble d'éléments de coupe (10) en comprimés de diamant composite monté dans la couronne; caractérisé en ce que les éléments de coupe en comprimés de diamant compositesse composent de diamant polycristallin (12) au centre d'une bague annulaire en carbure métallique cémenté (14). 2. Lame de scie en diamant perfectionnée caractérisée en ce que le perfectionnement-consiste en un ensemble d'éléments de coupe (10) comprimés de diamant composites-dont chacun se com- pose d'une masse de diamant polycristallin (12) au centre d'une bague annulaire (14) en carbure métallique cémenté lié à la lame (22) 3. Trépan selon la revendication 1, ou scie selon la re- vendication 2, caractérisé en ce que la bague annulaire en carbure de tungstène cémenté est fermée à une extrémité et par conséquent en forme de coupelle. 4. Trépan perfectionné selon la revendication 1, ou lame de scie selon la revendication 2, caractérisé en ce que les comprimés de diamant compositesont une forme conique.