Brevet FR2580628A1 — publié le 19861024

L'invention concerne le domaine de la métallurgie des poudres, et notamment les procedés de fabrication des composites diamantés à base de carbures metalliques. Le composite faisant l'objet de l'invention est employé pour équiper les outils désagrégeant la roche, uti- lisés pour le forage, ainsi que les outils à retailler, uti lisés pour rétablir la forme et le mordant des meules. Les composites diamantés (pour les champ-s d'appli- cation indiques) sont des alliages durs, constitués par du carbure de tungstène et du cobalt, imprégnés de grains de diamants d'une grosseur de 0,2 à 0,8 mm. La dureté de 1 'al- liage dur (de la matrice de carbure métallique) des composites diamants doit ère d'au moins 85 unités HRa. Vu ce qui vient d'être dit, en tant que matrice de carbure métallique d'un tel composite on ne peut utiliser que des alliages durs constitués par 85 à 94 Z en masse de carbure de tungstène et 6 à 15 Z en masse de cobalt. Le taux de diamant dans ce composite doit etre de 25 à 40 % en volume.La proportion indiquée de constituants assure une grande résistance à l'usure de l'outil équipé de la classe consideré de matériaux (brevet Belge N 820 205, brevet Autrichien N 354 292, brevet Français N 2 285 206). On connait un procede de fabrication d'un composi- te diamanté à base d'alliage dur carbure de tungstène - cobalt, constituant à melanger des grains de diamant à un premélange d'alliage dur en poudre, lequel se compose de 85 à 94 Z en masse de carbure de tungstène et de 6 à 15 h en masse de cobalt, à mettre en forme le mélange diamanté obtenu et à le soumettre à une compression à chaud, qui est realisée à des températures de 1300 à 1800 C, sous des pressions de 15 à 20 MPa, le maintien à ce régime indique étant de 0,5 à 2,0 min. Puis le composite diamanté est refroidi jusqu'à 800 C, après quoi la pression est enlevée et le composite est refroidi jusqu'à la température normale (brevet Suédois N 386 388, brevet DE N 2 454 636). Ce procede n'assure la résistance à l'usure néces- saire du composite diamanté que si le diamant employe est naturel et la grosseur des grains de 0,2 à 0,8 mm. Dans le cas d'utilisation de fractions plus fines de diamants naturels, ou bien d'utilisation- de poudres de diamants synthétiques, ces diamants se graphitisent activement et se dissolvent dans l'alliage dur ou se fendillent. La degradation des grains de diamant et la perte de leur masse se traduisent par une forte baisse de la durée de service de l'outil On connait un procédé de fabrication d'un composite diamanté, consistant à métalliser des grains de diamant avec du fer, du nickel, du cobalt ou du chrome.Puis les grains de diamant métallises sont mélangés à un prémélange d'alliage dur en poudre, constitué de 90 Z en masse de carbure de tungstène et de 10 Z en masse de cobalt. Le mélange diamanté est placé dans une chambre à haute pression et comprimé à chaud sous des pressions élevées, correspondant à la stabilité thermodynamique du diamant. La compression à chaud du mélange diamanté s'effectue sous une pression d'environ 60 kbar et à une température de 1200 à 1400 "C (brevet Français N" 2 099 834). Un inconvénient de ce procédé consiste en ce que les diamants sont metallisés au préalable, ce qui augmènte le taux de métaux dans le composite diamanté et, par conséquent, abaisse sa résistance à l'usure. On connait aussi un procédé de fabrication d'un composite diamanté à base d'alliage dur carbure de tungstène cobalt, consistant à melanger des grains de diamant synthétique avec un prémélange d'alliage dur en poudre, constitué de carbure de tungstène et de cobalt, puis à placer le mélange diamanté dans une chambre à haute pression et à le fritter par compression à chaud sous des pressions et à des températures correspondant aux conditions de stabilité thermodynamique du diamant, notamment à une température de 1450 "C et sous une pression de 55 kbar, le maintien à ce régime étant de 30 min. A la fin du processus, le composite diamanté est refroidi, puis la pression est enlevée. En définitive, on obtient des produits en composite aux formes et aux dimensions prescrites (brevet Français N" 2 434 130). Par le procédé indique on obtient un composite diamanté dans lequel il n'y a pratiquement pas d'adhérence entre le diamant et l'alliage dur, car la compression à chaud s'effectue, comme indiqué plus haut, dans des conditions de stabilité thermodynamiq4e du diamant. En outre, le composite diamanté obtenu par le procédé indique contient une grande quantité d'oxydes de cobalt et de produits gazeux, ce qui abaisse sa résistance à 1 'u- sure et l'adhérence du diamant a l'alliage dur. L'introduction dans la chambre a haute pression d'un mélange diamanté non serré est suivi par une diminution notable des dimensions des produits fabriques, ou bien requiert une augmentation correspondante du volume de la chambre. les longues durées de maintien sous haute pression abaissent la durée de service des chambres (de 1,5 fois) et augmentent la main d'oeuvre nécessaire pour la fabrication des produits. L'absence de réglementation concernant la vitesse de chauffage du mélange diamanté au stade de compression à chaud, ainsi que la vitesse de refroidissement du composite diamanté obtenu, conditionne l'apparition de contraintes internes dans les produits et, dans certains cas, le fendillement des produits. Le but de l'invention est de supprimer les inconvénients indiques. On s'est propose de modifier les conditions technologiques du procédé de fabrication d'un composite diamanté, de telle façon qu'il permette d'obtenir un composite diamanté à grande resistance à l'usure avec une forte adherence du diamant à l'alliage dur, de réaliser avec ledit composite diamanté des produits de dimensions plus grandes dans des chambres à haute pression de plus petit volume, d'augmenter la durée de service des chambres à haute pres sion, de réduire la main d'oeuvre pour la fabrication des produits avec ledit composite diamanté et de supprimer la fissuration des produits. La solution consiste en un procédé de fabrication d'un composite diamanté à base d'alliage dur carbure de tungstène - cobalt, comprenant le mélange de grains de diamant à un prémélange d'alliage dur en poudre, constitué par 85 à 94 Z en masse de carbure de tungstène et 6 à 15 Z en masse de cobalt, afin d'obtenir un mélange diamanté, le diamant etant pris de façon que son taux dans le composite diamanté soit de 25 à 40 S en volume, la compression à chaud à une température de 1100 à 1300 "C sous de hautes pressions et le refroidissement du composite diamanté obtenu avec enlèvement de la pression, procédé caractérisé en ce que avant la compression à chaud le mélange diamanté est precomprime à froid en briquettes qui sont soumises à un pretraitement thermique dans un milieu réducteur à une température de 600 à 850 "C avec un maintien isotherme pendant 25 à 50 min, puis la compression à chaud est executée sous une pression de 5 à 50 kbar avec une vitesse de montée de la pression de 20 à 60 kbar/min et une vitesse de montée de la temperature de 400 à 600 0min, ensuite, une fois la température et la pression prescrites atteintes, au stade de compression à chaud, les briquettes sont maintenues à ce régime pendant 0,5 à 10 min, le composite diamanté est refroidi avec enlèvement conjugué de la pression, la vitesse de refroidi sement étant de 750 à 1 000 "C/mi-n, et la vitesse d'enlèvement de la pression de 7 à 20 kbar/min. Le composite diamanté ainsi obtenu est caractérisé par une forte adhérence du diamant à l'alliage dur. Ceci resulte du prêtraitement thermique des briquettes dans un milieu réducteur à une température de 600 à 850 "C avec maintien isotherme de 25 à 50 min, durant lequel les oxydes de cobalt sont réduits et les produits gazeux évacues. La forte adherence du diamant à l'alliage dur confère une grande résistance à l'usure au composite diamanté.Par exemple, la consommation spécifique du diamant, se trouvant dans le composite obtenu par le procédé conforme à 1 'invention, lors des essais au régime de retaillage de meules en corindon électrofondu, mi-tendres avec une vitesse de frottement de 35 a 25 m/s, se situe entre 1,4 et 1,8 mg par kilogramme de matiére de la meule. La consommation spécifique du diamant se trouvant dans le composite obtenu suivant le brevet Français N" 2 434 130 lors d'essais analogues, s'élève à 2,7 mg par kilogramme de matière de la meule. Par le procédé faisant l'objet de l'invention on peut obtenir des produits en composite diamanté de dimensions plus grandes dans des chambres a haute pression de plus petit volume. Ceci resulte du fait que la compression sous haute pression est exécutée non pas sur le mélange diamante pulvérulent, mais sur des briquettes realisees avec ce mélange. La durée de service des chambres a haute pression augmente notablement (de 1,5 fois), car la compression a chaud des briquettes de mélange diamanté est réalisée sous des pressions plus basses (5 à 50 kbar) avec des durées de maintien plus courtes (0,5 à 10 min). Le court maintien se traduit en outre par une réduction de la main-d'oeuvre pour la fabrication des produits en composite diamanté. Les produits en composite diamanté, obtenus par le procédé conforme à l'invention, sont denses et ne pré- sentent ni fissures, ni dédoublures. Ceci résulte de la cor relatioh des intervalles choisis pour la température, la pression, les vitesses de montée de la pression et de la température au stade de compression à chaud, ainsi que pour les vitesses de refroidissement et d'enlèvement de la pression au stade subséquent de refroidissement. Le refroidissement du composite diamanté avec enlèvement conjugué de la pression permet de reduire la main d'oeuvre pour la fabrication des produits avec ledit composite diamanté, tout en garantissant leur qualité. Le procédé faisant l'objet de l'invention est ap plicable aussi bien aux diamants synthétiques qu'aux diamants naturels de diverses compositions granulométriques, car il assure les conditions voulues pour la conservation du diamant en tant que constituant extra-dur du composite, en excluant sa graphitation, sa réaction avec l'alliage dur. Le procede faisant l'objet de l'invention permet d'obtenir le composite diamanté sous la forme de produits finis de configurations et de dimensions prédéterminées quelconques. Comme indiqué plus haut, le pretraitement thermique des briquettes dans un milieu réducteur est réalisé à une température de 600 à 850 "C, avec maintien isotherme pendant 25 à 50 min. L'abaissement de la température au-dessous de 600 "C et de la duree du maintien au-dessous de 25 min ne permettrait pas d'obtenir une réduction complète des oxydes de cobalt. l'augmentation de la température audessus de 850 "C et de la durée de maintien au-dessus de 50 min provoquerait un retrait trop fort des briquettes et le fendillement des grains de diamant synthétique. La compression à chaud des briquettes sous haute pression es-t réalisée sous une pression de 5 a 50 kbar et à une température de 1100 a 1300 OC, avec une vitesse de montee de la pression de 20 à 60 kbar/min et une vitesse de montée de la température de 400 à 600 "C/min, la duree du maintien des briquettes après mise à la température et a la pression prescrites étant de 0,5 à 10 min. L'abaissement des valeurs minimales des parametres indiqués mènerait à l'obtention d'un composite poreux, non conditionné en qualité.L'augmentation des valeurs maximales des paramètres indiqués entrainerait une diminution de la durée de service des chambres a haute pression, une augmentation de la maind'oeuvre pour la fabrication des produits en composite diamante et des dépenses improductives d'énergie. En outre1 l'augmentation de la pression au-dessus de 50 kbar ferait que la compression a chaud se déroulerait dans des conditions de stabilité thermodynamique du diamant et, par conséquent, il s'ensuivrait un abaissement de l'adhérence du diamant a l'alliage dur. Les pressions de 5 a 50 kbar assurent le frittage des briquettes dans des conditions proches de la stabilité thermodynamique du diamant. I1 se produit alors une réaction chimique entre le diamant et l'alliage dur, mais sans destruction ni graphitation intensive des grains de diamant. Le refroidissement du composite diamanté obtenu est réalisé, comme indiqué plus haut, avec une vitesse de refroidissement de 750 a 1 000 "C/min et avec une vitesse d'enlèvement de la pression de 7 a 20 kbar/min. L'abaissement des valeurs minimales des paramètres indiqués impliquerait une augmentation de la durée du stade de refroidissement. L'augmentation des valeurs maximales des paramètres indiqués rendrait éventuelle la formation de fissures dans le composite diamanté. Le procédé de fabrication d'un composite diamanté faisant l'objet de l'invention est réalisé de la façon suivante. Les grains de diamant sont mélangés- à un prémélange d'alliage dur en poudre, constitué par 85 à 94 Z en masse de carbure de tungstène et 6 a 15 Z en masse de cobalt. Le diamant est pris de façon que son taux dans le composite soit de 25 à 40 Z en volume. Ensuite, la pesée de mélange diamanté est placée dans une matrice métallique et précomprimé a froid sous une pression de 50 a 75 MPa. La briquette extraite de la matrice est placée dans une nacelle et introduite dans un four à atmosphère réductrice, par exemple d'hYdrogène ou de gaz converti. Quand la température du four a atteint 60Q a 850 "C, la briquette est main tenue a ce régime pendant 25 à 50 min, ce qui assure la re- duction des oxydes de cobalt et l'évacuation des produits gazeux. A l'issue du temps indiqué, la briquette est refroidie dans l'atmosphère réductrice. Elle peut être maintenue en attente pendant 24 h dans une capsule à vide ou un dessicateur. Ensuite la briquette est comprimée a chaud sous de hautes pressions. Pour cela, elle est introduite dans un élément chauffant en graphite. Ledit élément chauffant avec la briquette est placé dans un conteneur en katlinite, lequel est disposé entre les blocs-matrices d'une chambre a haute pression.La pression prescrite de 5 a 50 kbar est créée dans la chambre a une vitesse de 20 a 60 kbar/min. Puis, un courant électrique est établi dans l'élément chauffant en graphite. La tension est régulée de façon a atteindre une température de 1100 à 1300 "C avec une vitesse de montée de la température de 400 a 600 OC/min. Une fois la pression et la température prescrites atteintes, la briquette est maintenue à ce régime dans la chambre pendant 0,5 a 10 min A l'issue de ce temps, le composite diamanté obtenu est refroidi à une vitesse de 750 a 1000 "C/min, avec enlèvement conjugué de la pression à une vitesse de 7 à 20 kbar/min. On obtient en définitive un composite diamanté sous la forme d'un produit fini de configuration et de dimensions prédéterminées. Les produits en composite diamanté ont été soumis aux essais de résistance à l'usure et de rétention du diamant, caractérisant la force d'adhérence du diamant a 1 'al- liage dur La résistance a l'usure des produits indiqués a été déterminee au regime de retaillage d'une meule en corindon électrofondu mi-tendre (24A40SM27K6), employée pour rectifier des aciers trempés. Le régime de retaillage était: vitesse de frottement 25 à 35 m/s, avance transversale 0,02 mm/course, avance longitudinale 0,5 m/min. Après 100 à 150 retaillages, on a déterminé le changement de la masse du produit et de la masse de la meule. La résistance à l'usure du produit en composite diamanté est caractérisée par la consommation spécifique de diamant, c'est-a-dire par la consommation de diamant pour enlever 1 kg de matiere a la meule. Le procédé conforme a ltinvention permet d'obtenir un composite diamanté à grande résistance à l'usure, caractérisée par une consommation de diamant ne dépassant pas 1,6 à 1,8 mg par kg de meule. La rétention du diamant se détermine par comptage du nombre de grains de diamants entiers et rompus dans la section du produit en composite diamanté. L'essai de rétention du diamant a été exécuté de la façon suivante. A l'aide d'une meule-diamant on a fait une entaille à la surface du produit, puis on a cassé le produit en deux parties à l'aide d'un mouton. On a compté dans la section, au microscope, le nombre de grains de diamant rompus et le nombre de grains restés entiers (à sommets saillants) visibles. Si l'adhérence du diamant à l'alliage dur est forte, le nombre de grains de diamant rompus doit être d'au moins 50 Z du nombre total de grains de diamant dans la section du produit. Dans ce cas, la force d'adhérence du diamant à l'alliage dur est supérieure à la charge de rupture du grain de diamant lui-même. Si le nombre de grains de diamant rompu est inférieur à 50 %, le nombre de grains de diamant entiers étant superieur à 50 Z du nombre total de grains de diamants dans la section du produit, cela signifie que l'adhérence du diamant à l'alliage dur est pratiquement nulle. Dans ce cas, le produit se rompt à l'interface diamant-alliage dur, c'est-à-dire qu'il n'y a que simple enrobage mécanique des grains de diamant par l'alliage dur. L'essai de résistance à l'usure est utilisé pour apprécier l'aptitude à la fonction du composite diamanté, et la détermination du nombre de grains de diamant rompus dans la section du produit et principalement faite pour optimiser le régime de compression à chaud. Pour une meilleure comprehension de l'invention, on donne ci-après des exemples de réalisation concrets. Dans ces exemples, les pesées de prémélange d'alliage dur en poudre et de diamant sont calculées pour obtenir un composite diamanté sous la forme d'un produit cylindrique de 10 mm de diamètre et de 10 mm de haut. Exemple 1 On réalise un composite diamanté à base d'alliage dur (85 Z en masse de carbure de tungstène et 15 Z en masse de cobalt), avec du diamant synthétique à grosseur de grains de 0,5 mm, le taux de diamant étant de 40 Z en volume. Pour cela, on mélange une pesée de prémélange d'alliage dur en poudre de 6,6 g (5,61 g de carbure de tungstène et 0,99 g de cobalt) avec 5,5 carats de diamant synthétique. On verse le mélange diamanté obtenu dans une matrice en acier et on précomprime à froid spus une pression de 50 MPa. On charge la briquette extraite de la matrice dans une nacelle et on l'introduit dans un four à atmosphère réductrice, constituée d'hydrogène. Quand la température du four a atteint 850 OC, la briquette est maintenue à ce régime pendant 50 min. Puis on place la briquette dans une chambre à haute pression et on la comprime a chaud a une température de 1100 "C, sous une pression de 5 kbar. La montée de la pression est réalisée à une vitesse de 20 kbar/ min, et la montée de la température, à une vitesse de 400 C/min. La durée du maintien lors de la compression a chaud est de 0,5 min. Apres la compression a chaud, on fait refroidir le composite diamanté obtenu jusqu'à la température normale avec enlèvement conjugué de la pression, la vitesse de refroidissement étant de 750 "C/min, et la vitesse d'enlèvement de la pression, de 7 kbar/min. Le composite diamanté, obtenu sous la forme d'un produit fini, est caractérisé par une grande résistance a l'usure (la consommation spécifique de diamant s'éleve a 1,4 mg par kg de meule en corindon électrofondu). Le nombre de grains de diamant rompus s'élève a 67 Z du nombre total de grains de diamant dans la section du produit, ce qui témoigne d'une forte adhérence du diamant à l'alliage dur. Exempte 2 On réalise un composite diamanté a base d'alliage dur (90 Z en masse de carbure de tungstène et 10 Z en masse de cobalt > , avec du diamant naturel a grosseur de grains de 0,2 mm, le taux de diamant étant de 32 Z en volume. Le composite diamanté est obtenu de la même manière que dans l'exemple l. Le mélange de départ est constitué par 7,9 g de prémélange d'alliage dur (7,11 g de carbure de tungstène et 0,79 g de cobalt) et 4,2 carats de diamant naturel. La précompression à froid du mélange diamanté en briquette est réalisée sous une pression de 60 MPa. Le prétraitement thermique de la briquette est réalisé dans une atmosphère de gaz de conversion à une température de 700 "C avec un maintien isotherme de 40 min. La compression à chaud de la briquette est exécutée à une température de 1200 "C, sous une pression de 25 kbar, la vitesse de montée de la pression étant de 40 kbar/ min, la vitesse de montée de la température de 500 "C/min et le maintien à régime de 5 min. Le refroidissement du composite diamanté obtenu est réalisé à une vitesse de 900 "C/min, avec enlèvement conjugué de la pression à une vitesse de 12 kbar/min. Le composite diamanté, obtenu sous la forme d'un produit fini, est caractérisé par une grande résistance à l'usure (la consommation spécifique de diamant s'élève à 1,5 mg par kg de meule en corindon electrofondu). Le nombre de grains de diamant rompus s'relève à 65 Z du nombre total de grains de diamant dans la section du. produit, ce qui témoigne d'une forte adhérence du diamant à l'alliage dur. Exemple 3 On réalise un composite diamanté à base d'alliage dur (94 Z en masse de carbure de tungstène et 6 % en masse de cobalt), avec du diamant naturel a grosseur de grains de 0,6 mm, le taux de diamant etant de 25 % en volume. Le composite diamanté est obtenu de la même ma nière que dans l'exemple 1. Le mélange de départ est constitué par 8,9 g de prémélange d'alliage dur (8,37 g de carbure de tungstène-et 0,53 g de cobalt) et 3,5 carats de diamant naturel. La précompression à froid du mélange diamanté en briquette est réalisée sous une pression de 75 MPa. Le prétraitement thermique de la briquette est réalise dans une atmosphère d'hydrogène à une température de 600 "C avec un maintien isotherme de 25 min. La compression a chaud de la briquette est exécutée à une température de 1300 OC, sous une pression de 50 kbar, la vitesse de montée de la pression étant de 60 kbar/ min, la vitesse de montée de la température de 600 "C/min et le maintien en régime de 10 min. Le refroidissement du composite diamanté obtenu est réalisé à une vitesse de 1000 "C/min, avec enlèvement conjugué de la pression à une vitesse de 20 kbar/min. Le composite diamanté, obtenu sous la forme d'un produit fini, est caractérisé par une grande résistance à l'usure (la consommation spécifique de diamant s'élève à 1,8 mg par kg de meule en corindon électrofondu). Le nombre de grains de diamant rompus s'élève à 57 X du nombre total de grains de diamant dans la section du produit, ce qui témoigne d'une forte adhérence du diamant à l'alliage dur. De la sorte, le procédé faisant lrobjet de l'invention permet d'obtenir un composite diamanté sous la forme de produits finis a grande résistance à l'usure, et avec une forte adherence des grains de diamant a l'alliage dur. De plus, le procédé réduit notablement les dépenses d'énergie nécessaires, diminue la main-d'oeuvre nécessaire pour la fabrication des produits, accroit la durée de service des chambres à haute pression. REVENDICATION Procédé de fabrication d'un composite diamanté à base d'alliage dur carbure de tungstène - cobalt, comprenant le mélange de grains de diamant à un prémélange d'alliage dur en poudre, constitue par 85 à 94 Z en masse de carbure de tungstène et 6 a 15 Z en masse de cobalt, afin d'obtenir un mélange diamanté, le diamant étant pris de façon que son taux dans le composite diamanté soit de 25 a 40 Z en volume, la compression à chaud à une température de 1100 à 1300 "C sous de hautes pressions et le refroidissement du composite diamanté obtenu avec enlèvement de la pression, caractérisé en ce que avant la compression à chaud le mélange diamanté est précomprimé à froid en briquettes, qui sont soumises à un prétraitement thermique dans un milieu réducteur à une température de 600 a 850 "C avec un maintien isotherme pendant 25 à 50 min, puis la compression à chaud est exécutee sous une pression de 5 à 50 kbar avec une vitesse de montée de la pression de 20 à 60 kbar/min et une vitesse de montée de la température de 400 a 600 "C/ min, ensuite, une fois la température et la pression prescrites atteintes, au stade de compression à chaud, les briquettes sont maintenues a ce regime pendant 0,5 à 10 min, le composite diamanté est refroidi avec enlèvement conjugué de la pression, la vitesse de refroidissement étant de 750 a 1000 OC/min, et la vitesse d'enlèvement de la pression de 7 à 20 kbar/min.