Brevet FR2526692A1 — publié le 19831118

La présente invention se rapporte à la fabrication de composants en carbure de tungstène ; elle vise, plus particulièrement, un procédé perfectionné d'élimination et de réduction des cavités intérieures et de la porosité dans des éléments de coupe fabriqués à partir de carbure de tungstène fritté par utilisation des techniques de la métallurgie des poudres. Ce procédé est particulièrement avantageux dans la fabrication d' "inserts", qui sont des éléments de coupe en carbure de tungstène fritté utilisés dans les molettes de coupe d'un trépan de forage pour puits dé pétrole ou travaux miniers.Normalement, ces inserts sont fabriqués par préparation d'un mélange approprié d'un alliage métallique en poudre, contenant des particules de carbure de tungstène et une matrice en métal approprié, par exemple du cobalt, puis pressage de la poudre métallique dans un moule de forme voulue et chauffage de la partie pressée au-dessus de la température de liquidus ou de fin de fusion du métal de la matrice, afin de transformer la poudre métallique en masse solide et d'obtenir l'insert fini en métal dur. Le carbure de tungstène est normalement fabriqué en paillettes dures qui doivent être brisées ou broyées en une poudre fine et mélangees avec le métal de matrice en poudre, avant de procéder à l'opération de formage. L'écrasement et le broyage des paillettes préformées de carbure de tungstène est une phase relativement difficile dans la formation de l'élément de coupe fini en métal dur, à cause de la propension des contaminants à pénétrer dans la poudre de carbure de tungstène pendant cette opération. Habituellement, le broyage de ces paillettes est effectué dans un boyeur à boulets en acier ou un autre type de dispositif de broyage et, du fait de la dureté du carbure de tungstène, une quantité notable d'impuretés, par exemple du fer ou de l'acier, peuvent être arrachées de l'équipement de broyage par abrasion par les particules de carbure de tungstène.Par suite, ces impuretés se retrouvent finalement dans la poudre finie de carbure de tungstène. La présence de ces impuretés de fer et d'acier dans la poudre de carbure de tungstène, après combinaison de la poudre avec la poudre de matrice et frittage en un produit fini,engendre des défauts, tels que des porosités et des trous. Du fait de ces défauts internes, la résistance mécanique de l'élément de coupe est sensiblement diminuée et l'élément ne convient pas à l'emploi dans des applications difficiles, par exemple pour des trépans de forage de puits de pétrole et de travaux miniers. Une quantité notable de matière coûteuse à base de carbure de tungstène est ainsi perdue si ces défauts ne peuvent pas être éliminés. Le procédé connu pour l'élimination de certaines microporosités et des trous dans les produits en carbure de tungstène fritté est un procédé appelé "pressage isostatique S chaud". Dans ce procédé, l'élément de coupe en carbure de tungstène est placé sous une forte pression et une température élevée, pendant un laps de temps prolongé, pour forcer la matière à se comprimer ou à fluer dans les trous et porosités, de façon à éliminer ces derniers de la structure métallique interne. Dans certains cas, l'accumulation excessive de liant dans les zones initialement vides, pendant l'opération de pressage isostatique à chaud, rend le produit inacceptable. Cette opération de pressage isostatique à chaud prend du temps et demande beaucoup de travail et, par suite, elle peut ajouter au prix de revient de l'élément en carbure de tungstène davantage même que le coût de la matière initiale et de la fabrication. I1 en résulte qu'un insert en carbure de tungstène traité par ce procédé, dans un trépan de forage pour puits de pétrole, coûte plus qu'un insert en carbure de tungstène fabriqué normalement qui ne présente pas de défaut interne et ne nécessite pas de traitement par pressage isostatique à chaud. La présente invention a pour objet un procédé qui permet l'élimination ou la réduction des microporosités et des trous dans la structure interne d'inserts en carbure de tung stène, sans qu'il soit nécessaire de recourir à des techniques conteuses de pressage isostatique à chaud. Le procédé de formage d'un élément fritté à partir d'un mélange métallique en poudre, suivant la présente invention, comprend : le formage du mélange métallique pulvérulent a une configuration,une dimension et une densité désirées;le frittage de l'élément ainsi formé à une température supérieure a la température de liquidus ou de fin de fusion du mélange mé tallique pendant un laps de temps suffisant pour solidifier le mélange métallique pulvérulent;et le recyclage thermique du mélange solidifié,au-dessus et au-dessous de cette température de fusion, pendant au moins un cycle. Suivant un autre aspect de la présente invention, celle-ci vise un procédé de réduction des trous internes et des porosités dans un élément en carbure métallique fritté, ce procédé comprenant le passage cyclique de cet élément de part et d'autre de la ligne de température de fusion de la matière en carbure fritté dans l'élément1 au moins, pour un cycle après le frittage. L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description de sa forme de réalisation, non limitative, représentée sur les dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est un diagramme de la température en fonction du temps, qui illustre le procédé suivant la présente invention ; et - les figures 2 et 3 sont des photomicrographies de la structure métallique interne d'éléments de coupe en carbure de tungstène. La présente invention procure un procédé pour la réduction ou l'élimination de trous dans des inserts en carbure de tungstène fritté. Dans la forme préférée de mise en oeuvre de l'invention, on procède par recyclage thermique de l'élément én métal dur fritté, pour faire disparaitre les porosités et les trous. Les cycles thermiques sont illustrés schématiquement sous forme graphique sur la figure 1. Dans un procédé caractéristique de recyclage thermique, un insert du type-de la métallurgie des poudres est obtenu, par les techniques usuelles de la métallurgie des poudres, par pressage de la poudre à la forme désirée puis frittage à une température supérieure a la ligne de liquidus du métal de matrice. Ce procédé de frittage, qui est largement utilisé dans l'industrie des carbureS,est appelé "frittage en phase liquide". Dans un exemple d'application de l'invention, une matière en métal dur, en carbure de tungstène, est mélangée à une matrice de poudre de cobalt, la température de liquidus ou de fin de fusion résultante étant de 12920C. L'opération de frittage usuelle a lieu à 1400"C pendant un temps suffisant pour fritter le composant entier. Ensuite, la température du composant en carbure de tungstène est abaissée a une valeur inférieure à la température de fusion, dans la plage de 1200 à 12900C.Ensuite, on élève à nouveau la température audessus de la température de fusion, jusqu'à une valeur comprise dans la plage de 1300 à 13500C. La température est alors à nouveau ramenée cycliquement à la valeur la plus basse, au-dessous du point de fusion, et finalement élevée à nouveau au-dessus de la température de fusion. Cela termine le recyclage thermique de l'élément en carbure de tungstène et on laisse la température descendre jusqu'à la température ambiante. Un examen de cet insert en carbure de tungstène, par photomicrographies, montre qu'une diminution importante de porosité a été obtenue ainsi qu'unie élimination presque totale des trous internes dans l'élément.On procède à une comparaison avec un insert semblable obtenu à partir du même lot de poudre et dans les mêmes conditions de pressage et de frittage, et on voit qu'une réduction notable de porosité de type B (comme spécifié plus loin), ainsi qu'une élimination de sensiblement tous les trous internes, est obtenue dans l'insert qui a subi des cycles thermiques. Grâce à cette amélioration sensible de la structure interne de ce composant, obtenue par les cycles thermiques, il n'est plus nécessaire de traiter les inserts de ces lots témoins par pressage isostatique à chaud. La figure 2 est une photomicrographie d'un insert en carbure de tungstène fritté, avant l'exécution des cycles thermiques suivant la présente invention. Cette photomicrographie montre qu'un grand nombre de trous internes existent dans le produit fritté. Avec les techniques de fabrication connues, cet insert serait inacceptable dans l'industrie du forage,à moins d'être soumis préalablement à l'opération de pressage isostatique à chaud décrite plus haut. Cette opération demande beaucoup de temps et de travail et elle ajoute donc un élément notable d'accroissement du prix du produit final. La figure 3 est une photomicrographie d'une coupe d'un insert fabriqué de la même manière que celui de la figure 2 mais qui a été soumis à une opération supplémentaire de cycles thermiques. L'examen de la photomicrographie de l figure 3 montre clairement que le grand nombre de trous, qui existeraient sans cette opération, ont été réduits et supprimés par l'exécution des cycles thermiques. De préférence, les cycles de l'élément en carbure de tungstène fritté sont effectués sous vide et on obtient de meilleurs résultats lorsque cette opération est effectuée sous vide, dans un gaz inerte ou une atmosphère d'hydrogène plutôt que dans un milieu sous pression.On pense que l'exécution des cycles thermiques donne de bons'résultats pour la réduction des porosités et des trous internes dans des éléments en carbure de tungstène fritté, à cause d'un processus cyclique ae fusion et de resolidification à l'intérieur de la structure métallique, ce qui provoque une rupture de la paroi de cavité autour du trou ou de la porosité, ce qui modifie brutalement l'état de. contrainte et déforme cette limite de cavité. D'autre part, comme le carbure de tungstène cimenté reste un certain temps à une température élevée au-dessous du point de fusion, il se produit une quantité plus grande de migration de matière qui a lieu par diffusion à l'état solide. Bien que le procédé à cycles thermiques se soit avéré très satisfaisant pour la réduction de la porosité et des trous internes lorsque les poudres en carbure de tungstène préfritté contiennent des contaminants ferreux, l'efficacité de ce procédé à cycles thermiques ne peut pas être démontrée aussi nettement lorsque les contaminants dans la poudre de carbure de tungstène sont de nature organique. On voit qu'en pratique le présent procédé peut être introduit dans la fabrication d'inserts en carbure de tungstène sans ajouter beaucoup de complications ou de difficultés. Par exemple, dans le procédé illustré par la figure 1 dans lequel un mélange de poudre de cobalt et de carbure de tungstène ayant une température de fusion de 12920C est transformé en un élément de coupe en carbure de tungstène par compactage des poudres prémélangées à la configuration désirée, puis élévation de la température à 14000C environ, un carbure de tungstène fritté est obtenu à la suite de cette première phase. Normalement, l'insert en carbure de tungstène est maintenu à la température de frittage pendant une durée de l'ordre de 15 minutes à 1 heure. Cela permet de consolider la poudre compactée en un élément solidaire unique de carbure de tungstène cimenté.A partir de ce moment, le procédé usuel de fabrication d'inserts prevoit le refroidissement de l'insert fritté à la température ambiante,puis l'essai d'un échantillon de chaque lot d'inserts pour déterminer s'il est nécessaire d'effectuer un pressage isostatique à chaud ou une autre opération de retraitement. Dans certains cas, à cause de la grande quantité de contaminants qui se trouvent dans les poudres utilisées pour fabriquer les inserts, les inserts frittés présentent une porosité élevée et un grand nombre de trous internes. Si la porosité et le nombre de trous trouvés dans les échantillons d'inserts sont inacceptables, les inserts doivent alors être retirés de la chaîne d'assemblage et transportés à un atelier de pressage isostatique à chaud ou à un autre endroit de l'usine.Là, les inserts doivent être soumis aux opérations de pressage isostatiques à chaud pour éliminer les vides inacceptables qui existent dans les inserts. Avec la présente invention, le processus de tabrication est simplement légèrement étendu pour incorporer les opEratiDns de cycles thermiques, sous forme d'ure opération de fabrication automatique exécutée sur chaque insert après la phase normale de frittage. Ainsi, tous les inserts manufacturés sont mis en forme par pressage à partir des poudres précombinées voulues, puis frittés à la température normale de frittage de l'ordre de 14O00C pendant le temps nécessaire, en général compris entre 15 minutes et 1 heure, puis la température du lot d'inserts est abaissée à une valeur de 5 à 500C au-dessous de la température de fusion.Ensuite, le lot d'in ertsest porté a une température supérieure de 5 à 500C environ à la température de fusion, puis à nouveau ramené au-dessous de la température de fusion, puis porté à nouveau au-dessus de la tempfrature de fusion et ainsi de suite jusqu'à ce que l'opération de cycles thermiques soit terminée. Bien que deux cycles soient illustrés et décrits et que la différence de température au-dessus et au-dessous de la température de fusion soiX~indiquée comme étant de 10 à 250C environ, il est entendu que le procédé peut être modifié par changement de la différence de température et/ou changement du nombre de cycles de part et d'autre de la ligne de température de fusion. Après combinaison de l'opération de frittage avec 1' opération de cycles thermiques, les inserts sont échantillonés et contrôlés en ce qui concerne les porosités et les trous. La fabrication n'a pas été compliquée par l'opération de cycles thermiques et le seul changement par rapport au processus usuel de fabrication a été le temps supplémentaire pour le passage des éléments dans le four ou la zone de chauffage. Ce temps supplémentaire est nécessaire pour élever et abaisser la tempErature des inserts de part et d'autre de la ligne de température de fusion. Après refroidissement des inserts à une température proche de l'ambiance, on peut prélever des échantillons de la même façon que dans le procédé suivant l'art antérieur, pour déterminer s il subsiste encore des porosités et des trous internes. Comme déjà indiqué, lorsque les contaminants dans les poudres préfrittées sont à base de fer ou d'acier, l'opération de cycles thermiques est très efficace pour éliminer les vides et les porosités résultants de ces impuretés mais lorsque les vides sont dûs à des contaminants organiques, par exemple des matieres plastiques synthétiques, l'opération de cycles thermiques peut ne pas être alors efficace pour réduire les vides et la porosité et les inserts doivent encore être transportés à l'atelier de pressage isostatique à chaud pour un nouveau traitement.On a constaté que, avant l'introduction de l'opération de cycles thermiques dans le processus de fabrication d'inserts, jusqu'à 90 8 des inserts frittés à partir de certains très grands lots de poudre devaient être transportés à l'atelier de pressage isostatique à chaud pour un nouveau traitement permettant de réduire les vides et les porosités inacceptables. Après introduction de l'opération de cycles thermiques dans le processus de fabrication, ces très grands lots de poudre ne produisent aucun vide et des porosités réduites, ce qui supprime le besoin d'un traitement des inserts par pressage isostatique à chaud. Le tableau 1 ci-dessous se rapporte à cinq lots d'inserts différents, désignés par les lettres A à E, fabriqués à partir de cinq grands lots de poudre différents sur une ligne standard de production d'inserts. Les trois premières colonnes, après la colonne indiquant le groupe d'inserts, se rapportent à des échantillons prélevés dans les lots de poudre immédiatement après la phase usuelle de frittage. Ces colonnes montrent qu'au moins quatre des cinq groupes de poudre, c'est-à-dire les groupes A à D, présentent des nombres inacceptables de trous et/ou une porosité inacceptable dans chaque insert. Dans les trois dernières colonnes, les valeurs indiquées se rapportent aux mêmes groupes d'inserts formés à partir des mêmes lots de poudre, après que les inserts aient été soumis à l'opération de cycles thermiques. Le nombre de trous par insert et la porosité moyenne sont indiqués dans les trois dernières colonnes, pour les inserts ayant subi des cycles thermiques. Dans tous les cas, le nombre de trous a été diminué substantiellement ou éliminé totalement, ce qui rend l'insert acceptable en ce qui concerne cette caractéristique. De même, une légère diminution des porosités A et des porosités B apparaît également dans la plupart des échantillons. TABLEAU INSERTS FRITTES STANDARD APRES CYCLES THERMIQUES .Groupe Nombre Nombre de Nombre Nombre d'inserts d'inserts trous Porosité d'inserts de trous Porosité A A 2 140 A2B3* 2 O AIB1 B 20 200 A3B2* 6 O A 1B1 C 20 210 A1B1* 6 3 aucune D 20 14 aucune* 6 1 B1 E 20 4 B1* 4 O aucune La porosité est mesurée sur les bases ci-après : la porosité A définit des vides de O à 10 microns. La porosité B définit des vides de 10 a 40 microns. Les trous sont définis comme étant des vides supérieurs à 40 microns. Les indices placés au-dessous du symbole de porosité indiquent le niveau de porosité existant, ces indices ayant une valeur de 1 à 5, la valeur 1 signifiant une faible porosité et la valeur 5 une porosité élevée. Le Tableau ci-dessus montre que les groupes d'inserts provenant de cinq grands lots de poudre, présentent des diminutions substantielles du nombre de trous et de légères réductions des porosités dans presque tous les cas. Le niveau de porosité et le nombre de trous dans tous les groupes, sauf un, des inserts ayant subi des cycles thermiques sont bien à l'intérieur des limites acceptables, tandis que les valeurs correspondantes des groupes d'inserts A à D qui ont seulement été frittés ne sont pas acceptables. On considéré que l'opération de cycles thermiques n'a pas un effet significatif sur la porosité. Toutefois, il est possible que la porosité qui subsiste dans les inserts après cycles thermiques provienne des vides initiaux qui ont été réduits de la dimension d'un trou à de petites porosités par l'opération de cycles thermiques.Si c'est le cas, cet effet est alors également avantageux puisqu'il supprime les conséquences fortement nuisibles des trous comparativement aux faibles conséquences des porosités. Il est entendu que des modifications de détail peuvent être apportées dans la forme et la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention, sans sortir du cadre de celle-ci. Par exemple, bien que l'alliage particulier de l'insert en carbure de tungstène cimenté, pris comme exemple, ait une température de liquidus de 12920C et une température de frittage de 240"C,avec une plage de cycle- thermique allant de 12400C environ à 13500C environ et l'exécution de deux cycles thermiques, on considère que tout procédé de métallurgie des poudres utilisant un frittage en phase liquide peut bénéficier de l'exécution de cycles thermiques. On peut également modifier le nombre de cycles thermiques, les températures des cycles et/ou l'atmosphère ambiante pendant les cycles thermiques du carbure de tungstène fritté, afin de modifier les résultats. RE:VNDICATIONS 1. Procédé pour l'obtention d'un élément fritté à partir d'un mélange métallique en poudre, caractérisé en ce qu'il comprend : le formage du mélange métallique en poudre à une configuration, une dimension et une densité voulues; le frittage de l'élément à une température supérieure à la température de liquidus ou fin de fusion du mélange métallique pendant un temps suffisant pour transformer le mélange métaltique en poudre en masse solide ; et l'exécution de cycles thermiques du mélange solidifié, au-dessus et au-dessous de cette température de fusion, pour au moins un cycle. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'opération de cycle thermique consiste à porter la température de l'élément fritté à une valeur inférieure au moins de 50C environ à la température de fusion de l'élément, puis à chauffer l'élément à une température supérieure au moins de 50C environ à la température de fusion. 3. Procédé suivant la revendication 1 ou 2, dans laquelle l'élément est un insert en carbure de tungstène cimenté destiné à l'utilisation dans un trépan pour forage souterrain, caractérisé en ce qu'il comprend : le mélange de la quantité voulue d'alliage et de fractions de carbure de métal en poudre, pour obtenir un mélange sensiblement homogène ; le formage de la quantité voulue de ce mélange, pour cbtenir la forme, la dimension et la densité voulues de l'insert ; le frittage de l'insert formé , à une température et pendant une durée suffisante pour solidifier le mélange pulvérulent homogène ; et l'abaissement et l'élévation de la température de l'insert fritté, de part et d'autre de la ligne de température de liquidus ou fusion complète de l'insert, au moins une fois avant de refroidir l'insert à la température ambiante. 4. Procédé de réduction des trous internes et de la porosité dans un élément en carbure métallique fritté, caractérisé en ce qu'il consiste à soumettre cet élément à un cycle thermique, de part et d'autre de la ligne de température de liquidus ou fin de fusion de la matière en carbure fritté dans l'élément, au moins pour un cycle après le frittage. 5. Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce que l'opération de cycles thermiques consiste à porter l'élément à une température de 5 à 5O0C environ au-dessous de ladite température de fusion de l'élément, puis à élever la température de l'élément à une valeur de 5 à 500C environ au-dessus de ladite température de fusion, puis à refroidir l'élément. 6. Procédé suivant la revendication 5, caractérisé en ce que l'élément comprend un insert en carbure de tungstène ayant une température de fusion de tordre de 12920C et en ce que le cycle thermique est exécuté d'une basse température inférieure de 300C environ à la température de fusion, à une haute température, supérieure de 300C environ à la température de fusion. 7. Elément fritté, caractérisé en ce qu'il est obtenu par le procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3. 8. Elément en carbure métallique fritté, caractérisé en ce qu'il est traité par le procédé suivant l'une quelconque des revendications 4 à 6.