Brevet FR2568933A1 — publié le 19860214

Outil de forme rotatif diamanté et procédé de fabrication d'un tel outil L'invention concerne les outils de forage rotatifs -- couramment appelés trépans -- du type comportant une âme ou matrice portant des éléments de coupe en saillie constitués chacun d'une pastille de diamant polycristallin (dit PCD) solidaire d'un substrat fixé à l'rame ou d'une seule pièce avec elle. La plupart des outils de forage rotatifs dia mantés actuels peuvent être répartis en deux groupes. L'un des groupes rassemble les outils comportant une matricc ou âme en acier, fabriquée par usinage, sur laquelle sont reportés les éléments de coupe. A titre d'exemple d'outils de ce type, on peut citer celui qui est décrit dans le document FR-A-2 423 313. L'autre groupe rassemble les outils ayant une matrice à haute teneur en carbure de tungstène ou en autre matériau abrasif résistant bien à l'usure, fabriquée par infiltration. Les éléments de coupe sont également rapportés par brasage sur la matrice en carbure, après l'opération d'infiltration qui consiste à remplir la porosité de la masse de carbure, divisée et placée dans un moule chauffé, par un liant métallique fondu qu'on laisse ensuite refroidir. Dans l'un et l'autre groupes, les éléments de coupe peuvent avoir diverses formes et notamment peuvent être constitués de plaquettes (Figure 1) ou de picots (Figure 2). Les plaquettes se présentent sous forme d'une pastille 10 de diamant polycristallin d'une seule pièce avec un substrat en carbure de tungstène 12. Dans la pratique, la transformation en diamant polycristallin s'effectue directement sur le substrat au cours de la fabrication. Les picots (Figure 2) comportent un substrat en carbure ayant une queue de fixation par brasage sur l'rame de l'outil et une face solidarisée de la pastille lors de la fabrication. Dans la plupart des cas, la détérioration des picots ou plaquettes comportant une pastille de diamant polycristallin n est pas essentiellement due à l'usure mécanique directe. Elle est plutôt due à l'usure par abrasion du substrat en carbure de tungstène qui fait disparaitre localement le support de la pastille et entraine sa rupture. Dans le cas par exemple d'un picot, on constate que le substrat s'use par abrasion prend progressivement la forme indiquée en tirets sur la Figure 2 et finit par se rompre ou cesser de supporter la pastille. De plus, le forage d'une roche dure échauffe la pastille de diamant polycristallin à un point tel que ce dernier se déstabilise et se dégrade. L'invention vise à fournir un outil de forage rotatif répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu il présente une usure plus lente et ralentit dans une large mesure les détériorations dues à la disparition d'une fraction du substrat. Dans ce but, l'invention propose en particulier un outil du type ci-dessus défini dont la pastille est constituée en diamant polycristallin thermostable dont la surface a été rendue poreuse soit par lixiviation dans le cas d'un PCD originellement non thermostable, soit par une attaque chimique de surface dans le cas d'un PCD originellement thermostable, et dont le substrat, intimement lié à la pastille par métallurgie des poudres-, est constitué à partir d'un me- lange de poudre et/ou de carbure et de diamant fritté ou infiltré selon les procédés qui peuvent être ceux, bien connus, de fabrication des outils à concrétion diamantée. Grâce à la présence de diamant dans le substrat, ce dernier a une meilleure résistance à l'abrasion et aussi un plus faible coefficient de frottement. ce qui réduit son élévation de température. La pastille, étant en diamant polycristallin thermostable, résiste mieux aux élévations de température au cours du forage (ce qui optimise les performances du picot ou de la plaquette) et peut sans dommage être portée, au cours de la fabrication, jusqu'à des températures de l'ordre de 1100"C. Cette dernière propriété permet de placer des picots ou des plaquettes dans une matrice d'infiltration ou de frittage et donc facilite la fabrication d'un outil puisqu'il n'est plus nécessaire de rapporter les picots ou les plaquettes par brasage sur une âme préalablement obtenue par moulage ou infiltration. La fabrication de la pastille de diamant polycristallin thermostable commence comme celle 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 maintenant 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 silicium-aluminium, 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 duliant 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'éner- gie 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 par lixiviation 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. 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 le substrat. Il est important de noter que la porosité des grains, créée par la lixiviation du liant catalyseur, provoque une infiltration capillaire du métal du substrat 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. Pour cela, une attaque chimique crée une porosité de surface permettant un bon accrochage. Le frittage du substrat et sa fixation à la pastille pourront être effectués par un procédé classique de métallurgie des poudres, la température pouvant aller jusqu'à 1100-C sans degradation notable du polycristallin. Pour augmenter encore 1 accrochage sur la pastille de PCD thermostable, cette dernière peut être revêtue d'une mince couche d'un liant métallique mouillant le diamant. Ce revêtement peut etre éventuellement effectué par les procedés de dépôt chimique couramment désignés par le terme anglo-saxon "electroless". Le substrat sera constitué de poudres métalliques frittées ou infiltrées de grains de diamant polycristallin thermostable ou monocristallin, naturel ou artificiel. La teneur du substrat en grains de diamant variera en fonction de divers paramètres, notamment de la nature du terrain à traverser. De plus, la concentration en diamant du substrat 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). Dans la pratique, cette teneur sera en général comprise entre 0,4 et 8 carats 3 par cm . Le diamant contenu dans le substrat sera de faible granulométrie, en général passant au tamis à maille de 0,71 mm (25 mesh) ou même plus fine. On décrira maintenant de façon sommaire une réalisation possible d'un outil de coupe suivant l'invention. La description se réfère au dessin qui l accom- pagne, dans lequel - les Figures 1 et 2, déjà mentionnées, montrent respectivement une plaquette et un picot à pastille de diamant - les Figures 3 et 4 sont des schémas de principe montrant l'opération de frittage d'une plaquette et d'un outil, respectivement. La fabrication d'une plaquette comporte la mise en place dans un moule d'une pastille 10 de diamant polycristallin thermostable, puis d'un mélange contenant du liant en poudre destiné à constituer la matrice (fer, cobalt ou nickel par exemple), des grains de diamant de faible granulométrie (en proportion correspondant à l'application envisagée) et un autre abrasif moins dur que le diamant (généralement carbure de tungstène). Le moule est muni de moyens de chauffage non représentés et de moyens, représentés sous forme d'un plongeur 14, permettant de mettre la charge en compression L'ensemble de ces éléments peut être incorporé à une presse. Le frittage s'effectue de façon classique sous pression mo dérée, puisqu'on n'arrive pas aux hautes températures auxquelles le diamant n' est stable que sous haute pression.Une fois le frittage terminé, la plaquette obtenue est séparée du moule, éventuellement par destruction de ce dernier. Elle peut si nécessaire être mise en forme par l'un des modes d'usinage applicables au diamant, notamment par rectification laser, électro-érosion ou découpe par faisceau d'électrons. La plaquette finie est fixée sur la matrice, généralement par brasage, Etant donné que le diamant dispersé dans le substrat ne joue un râle utile que dans la partie susceptible de s'user rapidement, on peut constituer le substrat à l'aide d'une charge stratifiée, les zones proches de la pastille 10 ou de la surface latérale contenant seules du diamant. La fabrication de l'outil complet (Figure 4) peut être réalisée de façon similaire, si ce n'est que les picots ou plaquettes sont placés directement contre la paroi du moule 16 d'infiltration. Ce dernier, généralement en graphite, présentera des alvéoles destinés à recevoir les pastilles, éventuellement prolongés par des poches arrière destinées à donner naissance à des excroissances de la matière transmettant à cette dernière l'effort qui s'exerce sur les pastilles lors de la rotation de l'outil. Dans le moule est placé le mélange de carbure de tungstène et;de liant (tel que Ni, Co, Cu,...l habituel ; dans la mesure où les pastilles sont directement implantées dans la matrice, la partie externe 18 de celle-ci aura également une teneur en diamant de faible granulométrie (éventuellement sous forme de "saw grit") améliorant le caractère abrasif de la matrice et diminuant son coefficient de frottement. REVENDICATIONS 1. Outil de forage rotatif comportant une âme ou matrice portant des éléments de coupe en saillie constitués chacun d'une pastille de diamant polycristallin (PCD) solidaire d'un substrat fixé à l'âme ou d'une seule pièce avec elle, caractérisé en ce que la pastille est constituée en diamant polycristallin thermostable dont la surface a été rendue poreuse soit par lixiviation dans le cas d'un PCD originellement non thermostable, soit par une attaque chimique de surface dans le cas d'un PCD originellement thermostable, et en ce que le substrat, intimement lié à la pastille par metallurgie des poudres, est constitué à partir d'un mélange de poudre et/ou de carbure et de diamant, fritté ou infiltré. 2. Outil selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque élément Xe coupe est constitué par un picot ou une plaquette dont le substrat est fixé à l'âme de l'outil par brasage ou par incorporation à la fabrication de la matrice Si celle-ci est constituée par frittage et/ou infiltration. 3. Outil selon la revendication t ou 2, caractérisé en ce que la concentration en diamant dans le sub 3 strat est comprise entre 0,4 et 8 carats par cm de con crétion diamantée. 4. Outil selon la revendication 1, 2 ou 3, Ca- ractérisé en ce que le diamant contenu dans le substrat a une granulométrie passant au tamis à maille de 0,71 mm (25 mesh).