Brevet FR2568810A1 — publié le 19860214

Elément de coupe diamanté et procédé de fabrication d'un tel élément L'invention concerne les éléments de coupe destinés à être montés sur des outils rotatifs ou alternatifs ou constituant de tels outils, du type comprenant des grains de diamant retenus par une matrice comportant un liant. L'invention trouve une application particulièrement importante constituée par les outils destinés à effectuer sur les roches (ce terme étant utilisé pour désigner la pierre naturelle, la céramique, les produits électro-fondus, etc.) des opérations d'usinage tElles que sciage primaire ou secondaire, rectification, polissage, meulage. Etant donné la difficulté de fixer directement le diamant aux métaux, du fait notamment du caractère inerte du diamant, les outils diamantés actuellement utilisés pour le travail des roches comportent généralement un support en acier sur lequel sont montés des segments ou des plaquettes constitués soit d'une pastille de diamant polycristallin formée directement sur un substrat en carbure de tungstène, soit de grains de diamant monocristallin, naturel ou synthétique dispersés dans un liant. Parmi les liants les plus utilisés on peut citer le fer, le bronze, le nickel, le cobalt et la stellite. A ce liant est souvent ajouté un autre abrasif, par exemple le carbure de tungstène. Les grains de diamant peuvent être bloqués dans la matrice de liant par métallurgie des poudres.On peut notamment mélanger une poudre de diamant de granulométrie convenable à un liant métallique et à un autre abrasif également pulvérulent, tasser le mélange dans un moule, puis former la matrice par frittage du liant à température et pression modérées. Une variante consiste à placer des éléments abrasifs, tels que des diamants polycristallins, contre la partie de la paroi du moule qui est destinée à former la surface de coupe. Les éléments ainsi obtenus par ce procédé peuvent ensuite être fixés à un support, par exemple à un disque pour constituer une scie, par brasage. L'examen de l'évolution d'un tel élément au fur et à mesure de son emploi fait apparaitre une usure du liant en queue de comète" derrière les cristaux de diamant. Au fur et à mesure que le liant s'use, le cristal de diamant est de moins en moins enrobé par le liant. Finalement, il disparaît, partiellement par usure, mais surtout parce qu'il se déchausse et se sépare de la matrice dès que la profondeur d'ancrage du cristal dans le liant devient insuffisante. Les grains de diamant ne sont en conséquence utilisés que très partiellement avant d'être arrachés de l'outil. L'invention vise notamment à fournir un élément de coupe permettant d'utiliser les grains de diamant jusqu'a un degré d'usure beaucoup plus important que dans les outils antérieurs. Dans ce but, l'invention propose un élément de coupe mis en forme par métallurgie des poudres et comprenant des particules de diamant, caractérisé en ce que lesdites particules comprennent des grains de diamant polycristallin thermostable, poreux à coeur ou au moins en surface, dispersés dans le liant. Le liant contient également des grains, généralement de plus faible granulométrie, de diamant naturel ou artificiel, monocristallin ou polycristallin. Ces grains auront habituellement une dimension inférieuree à 2 mm. Le liant sera en règle générale métallique. L'invention propose également un procédé de fabrication d'un tel élément, caractérisé en ce qu'on prépare soit des cubes de diamant polycristallin obtenus directement par une cellule à ultra-haute pression, soit des pastilles de diamant polycristallin que l'on broie pour obtenir des fragments, en ce qu'on lixivie les cubes ou fragments ainsi obtenus à l'acide pour éliminer le liant catalyseur rendant ainsi le produit thermostable, en ce qu'on mélange des grains dudit diamant polycristallin thermostable avec un liant et éventuellement des grains de diamant naturel ou synthétique et/ou au moins un autre abrasif, et en ce qu'on fritte le liant pour constituer une matrice, La fabrication des grains de diamant polycristallin thermos table commence comme celle des grains de diamant polycristallin (ou PCD) classique.Le diamant monocristallin est fabriqué tout d'abord par maintien à haute température et haute pression dans une presse, en présence d'un catalyseur, suivant un processus mainténant bien connu. Le dé qui sort de la presse et qui contient du diamant monocristallin est fragmenté en poudre. Le diamant est isolé, puis mélangé à un liant catalyseur, tel que par exemple le cobalt, ou encore avec un liant thermostable, comme par exemple le siliciumaluminium, mis en forme et porté de nouveau à haute température et haute pression, pendant une durée suffisante pour provoquer la liaison par "pont" des grains de diamant polycristallin suivant les procédés bien connus de fabrication du PCD. Les pastilles de diamant polycristallin ainsi constituées présentent, sur le diamant monocristallin naturel ou artificiel, de nombreux avantages. Mais elles ont des limitations d'emploi. En particulier, si le liant n'est pas thermostable, la présence du liant catalyseur limite la température d'emploi. Lorsque la température à laquelle la pastille est portée lors du travail est élevée, il peut y avoir dégradation du fait que le catalyseur qui subsiste dans la pastille diminue l'énergie d'activation requise pour que le diamant revienne à son état initial et il peut y avoir rupture par suite de la différence entre les coefficients de dilatation thermique du diamant et du liant. Pour rendre le diamant polycristallin thermostable, le liant est éliminé.Pour cela, les pastilles obtenues sont soit broyées, soit mises en forme au cours du procédé ultra-haute pression de fabrication et lixiviees à l'aide d'un acide choisi pour attaquer le liant. On obtient ainsi des grains de diamant polycristallin dans lesquels les micro-cristaux de diamant sont maintenus assemblés uniquement par des "ponts" apparus lors du traitement de transformation du diamant monocristallin. Les grains, qui ont généralement une granulométrie de 0,1 à quelques millimètres, peuvent être tamisés pour retenir les fractions appropriées pour l'application envisagée. La grosseur de grain optimale dépend en particulier de la nature de la roche à couper. Mais elle dépend aussi de la vitesse de coupe requise et surtout du fini à obtenir. Du fait de l'élévation du seuil de dégradation provoquée par l'élimination du liant catalyseur, le diamant polycristallin thermostable peut supporter sans dommage la température de frittage du métal destiné à constituer la matrice. Il est important de noter que la porosité des grains, créée par la lixiviation du liant catalyseur, provoque une infiltration capillaire du métal de la matrice dans la porosité ouverte et renforce la liaison. Dans'le cas de PCD avec liant thermostable, la difficulté est d'obtenir un bon accrochage avec le liant métallique. Une attaque chimique est effectuée dans le but de créer une porosité de surface garantissant un bon accrochage. En conséquence, il n'y aura déchaussement des grains qu'après une usure beaucoup plus importante qu'avec les éléments de coupe antérieurs. Les grains de PCD thermostable protègent au surplus les grains de diamant naturel ou synthétique de granulométrie plus faible auxquels ils sont associés dans la matrice. Il semble que, du fait de la forte granulométrie des grains de PCD et de leur bonne résistance à l'arrachement, ils abrasent la roche en laissant aux micro-grains de diamant, et d'autres abrasifs (tels que du carbure de tungstène) éventuellement incorporés à l'élément, un râle de finition. En particulier, on constate que, lors de l'usinage, la queue de comète habituelle n'apparait pas dans le liant en aval de chaque grain de PCD thermostable. De plus, les grains de PCD étant thermostables, l'élément de coupe résiste mieux aux élévations de température en cours de travail, opti. misant ainsi les performances d'usinage. L'élément pourra avoir une constitution homogène dans toute sa masse. Il pourra également ne comporter du diamant que dans une fraction de sa masse, la partie arrière destinée à la fixation au corps d'outil étant alors démunie de diamant. Le frittage du liant pourra être effectué par un procédé classique, la température pouvant aller jusqu'à 1100*C sans dégradation notable. La teneur de l'élément en grains de PCD thermostable et la proportion de PCD dans le diamant de l'élé- ment varieront en fonction de divers paramètres, notamment la nature du matériau à traiter et la vitesse de coupe. De plus, la concentration en diamant de la matrice résultera d'un compromis entre le prix de l'élément (qui augmente évidemment avec la teneur en diamant) et le taux d'usure (qui diminue lorsque la teneur en diamant augmente). Le caractère plus ou mois abrasif de la roche à usiner constituera le paramètre essentiel à prendre en considération pour ce qui est du pourcent,age de diamant constitué par du PCD thermostable. Pour usiner les matériaux très abrasifs, tels que le grés et l'asphalte, le pourcentage de PCD thermostable est proche de 100' en poids. A l'autre extrême, on pourra adopter, pour des éléments destinés à usiner le marbre, un pourcentage de PCD thermostable compris entre 5Z et 95(. Les granits, calcaires et autres matériaux présentant un caractère abrasif intermédiaire prendront en général un pourcentage situé entre 20 et 50Z de PCD thermos table. On décrira maintenant très schématiquement une réalisation possible d'éléments de coupe suivant l'invention et leur mode de fixation à un support pour constituer un outil. La description se réfère au dessin qui l'accompagne, dans lequel - la Figure 1 est un schéma de principe montrant l'opération de frittage d'un élément, - la Figure 2 montre un montage possible d'élément de coupe suivant l'invention sur un disque pour constituer une scie. La fabrication d'un élément comporte la préparation d'un mélange contenant le liant en poudre destiné à constituer la matrice (fer, cobalt ou nickel par exemple), de grains de PCD thermostable et de diamant naturel ou artificiel (en proportion correspondant à l'ap- plication envisagée), et souvent d'un autre abrasif moins dur que le diamant. Une charge 10 du mélange est placée dans un moule 12 muni de moyens de chauffage non représentés dont la forme correspond à celle de l'elé- ment à réaliser. Ce moule est muni de moyens, représentés sous forme d'un plongeur 14, permettant de mettre la charge en compression.L'ensemble de ces éléments peut etre incorporé à une presse, Le frittage s'effectue de façon classique sous pression modérée, puisqu'on n'arrive pas aux hautes températures auxquelles le diamant n'est stable que sous haute pression. Une fois le frittage terminé, l'élément obtenu est séparé du moule. Il peut si nécessaire être mis en forme par l'un des modes d'usinage applicables au diamant, notamment par rectification, laser, électro-érosion ou faisceau d'électrons. L'élément fini 16 est fixé sur son support, par exemple un disque 18. La fixation peut être par brasage en 20, du fait de la présence de liant ou mécanique Exemples Des disques de différents diamètres ont été réalisés par le procédé exposé ci-dessus. Disque de 300 mm de diamètre pour sciage d'asphalte Liant : CW/cobalt ; concrétion : 100Z de PCD thermostable passant au tamis à maille de 0,71 mm (25 mesh). La durée de vie obtenue dépasse de 50% les performances habituelles. Disque de 3000 mm de diamètre pour sciage de calcaire abrasif Liant : cobalt avec charge de carbure de tungstène concrétion diamantée : 50Z de PCD thermostable passant au tamis à maille de 0,71 mm (25 mesh) et SOX de diamant synthétique passant au tamis à maille de 0,51 mm (35 mesh). La durée de vie du disque ainsi obtenu est de plus de 60X supérieure à la durée de vie des disques classiques (à 100Z de diamant synthétique). REVENDICATIONS 1. Elément de coupe rotatif ou alternatif mis en forme par métallurgie des poudres et comprenant des particules de diamant, caractérisé en ce que lesdites particules comprennent des grains de diamant polycristallin thermostable, poreux à coeur ou en surface, dispersés dans un liant qui contient également des grains de diamant naturel ou artificiel. 2. Elément selon la revendication 1, caractérisé en ce que les grains de diamant naturel ou synthétique ont une granulométrie inférieure à 2 mm. 3. Elément selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la teneur en diamant polycristallin thermostable est d'au moins 5Z de la teneur totale en diamant. 4. Elément selon 1 une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est prévu pour être fixe par brasage ou mécaniquement sur un support. 5. Elément selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le liant est métallique. 6. Procédé-de fabrication d'un élément de coupe selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on prépare soit des cubes de diamant polycristallin obtenus directement par une cellule à ultra-haute pression, soit des pastilles de diamant polycristallin que l'on broie pour obtenir des fragments, en ce qu'on lixivie'les cubes ou fragments ainsi obtenus à l'acide pour éliminer le liant catalyseur rendant ainsi le produit thermostable, en ce qu'on mélange des grains dudit diamant polycristallin thermostable avec un liant et éventuellement des grains de diamant naturel ou synthétique et/ou au moins un autre abrasif, et en ce qu'on fritte le liant pour constituer une matrice. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'on revêt les grains de diamant polycristallin thermostable d'une couche mince du métal du liant par un procédé de dépot chimique avant mélange à la poudre de liant destiné à constituer la matrice,