Brevet FR2650998A1 — publié le 19910222

La présente invention concerne les comprimés abrasifs thermiquement stables en général ou des ébauches d'outils comprenant une couche d'abrasif, ou de coupe, en nitrure de bore cubique polystristallin (NBC) ou en nitrure de bore wurtzitique (NBW) liée à un matériau de support tel qu'un carbure cémenté. Plus particulièrement, l'invention concerne un procédé pour fabriquer de telles ébauches d'outils thermiquement stables en mettant en place un disque métal- lique formant barrière entre le matériau de support et une couche exempte de catalyseur, frittable, de particules de- nitrure de bore cubique ou de nitrure de bore wurtzitique, et en soumettant un tel agencement à des conditions de tempéra- ture et de pression permettant de former un comprimé composite. Dans la technique antérieure, les ébauches d'outil en nitrure de bore cubique polycristallin ont été bien accueil- lies dans l'art de l'usinage, en particulier dans l'usinage des alliages ferreux. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 3 743 489 décrit une telle ébauche d'outil dans laquelle une masse unifiée de critaux NBC d'un pourcentage en volume supérieur à 70% sont liés à un carbure fritté plus grand à des fins de support. La masse des cristaux de nitrure de. bore cubique comprend une phase métallique contenant des atomes d'aluminium et des atomes d'au moins un élément d'alliage choisi dans le groupe constitué du nickel, du cobalt, du -2- manganèse, du fer, du vanadium et du chrome. On ne considère pas que les ébauches de ce type sont thermiquement stables à cause de la présence de l'alliage d'aluminium dans la couche de NBC. Comme l'alliage d'aluminium a un coefficient de dilatation thermique sensiblement différent de celui du nitrure de bore cubique, aux températures élevées, par exemple aux temperatures qu'on rencontre dans les opérations de coupe ou de fraisage, l'alliage d'aluminium se dilate, d'o la provocation de fendillements ou de fractures dans la couche de NBC. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 3 767 371 décrit des ébauches d'outils en NBC polycristallin comportant une masse unifiée de cristaux de NBC d'un volume supérieur à % qui sont liés à une masse de support en carbure lié par métal. Le carbure est principalement du carbure de tungstène, du carbure de titane, du carbure de tantale ou leurs mélanges et le matériau de liage par métal est choisi dans le groupe constitué du cobalt, du nickel, du fer et de leurs mélanges. Les ébauches d'outils de ce type ne sont pas thermiquement stables car le matériau de liage par métal migre du support en carbure à la couche de NBC o il sert de ciment. Là encore, la stabilité thermique est due au fait que le matériau de liage par métal a un coefficient de dilatation thermique sensiblement différent de celui du nitrure de bore cubique. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 4 063 909 concerne des comprimés de nitrure de bore cubique supportés par du carbure de tungstène cémenté, ayant une couche continue de métal de brasage résistant aux hautes tempéra- tures d'une épaisseur inférieure à 0,5mm qui est déposée entre la couche de NBC et le support de carbure. On peut préparer de tels corps abrasifs sur place en soumettant les particules abrasives en NBC, le métal de brasage et le support en carbure cémenté ou la poudre de moulage en carbure à des températures et des pressions dans la zone stable du - 3diagramme de phase du nitrure de bore cubique. Les métaux de brasage appropriés comprennent le titane, le nickel, le cobalt, le fer, le chrome, le manganèse, le vanadium, le molybdène, le tantale, le platine et des alliages contenant un ou plusieurs des métaux précédents. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 4 224 380 est relatif à des composants d'outil thermiquement stables comprenant entre 70 et 90% en volume de particules de NBC liées d'elles-mêmes, une phase métallique infiltrée de façon sensiblement uniforme dans l'ensemble, la phase comprenant entre environ 0,05 et 3% en volume de la couche en NBC et la phase étant choisie au sein du cobalt, des alliages de cobalt, et des alliages d'aluminium avec un métal sélectionné dans le groupe constitué du nickel, du manganèse, du fer, du vanadium et du chrome; et un réseau de pores interconnectés qui sont dispersés dans tout l'ensemble. Bien que les ébauches d'outils en NBC de ce type soient thermiquement stables, il serait néanmoins souhaitable de disposer d'ébau- ches d'outils en NBC qui soient thermiquement stables sans présenter un réseau de pores interconnectés. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 4 673 414 décrit un procédé pour fabriquer des comprimés. en nitrure de bore cubique polycristallin, refrittés, qui comprend l'étape consistant à placer des particules en NBC polycristallin riches en bore, frittées, dans un dispositif à haute pression/haute température et l'étape consistant à soumettre les particules en NBC riches en bore à une pression et à une température convenables pour refritter les particules de NBC. Les produits de ce type sont normalement fabriqués sans support en carbure de manière à fournir une ébauche d'outil thermiquement stable. Si l'on emploie un support en carbure cémenté, le matériau de liage avec le métal tel que le cobalt s'infiltre dans la couche de NBC, ce qui se traduit par le fait que cette couche n'est plus thermiquement stable. Naturellement, en l'absence d'un support en carbure cémenté, -4- l'ébauche de l'outil sera constituée entièrement de NBC et, par consequent, sera assez chère. En outre, en l'absence d'un support, la couche de NBC sera plus encline à se fracturer. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 4 797 326 prévoit un procédé pour fabriquer des comprimés supportés en NBC en formant séparément un comprimé en NBC fritté et un support déformable plastiquement, en accouplant le comprimé en NBC et le support, en soumettant le comprimé en NBC et le support accouplés à des conditions de température et de pression élevées suffisantes pour déformer plastiquement la surface de support et la fixer à la surface du comprimé, et - en récupérant le comprimé supporté ainsi obtenu. Bien que ce procédé soit à même de fournir des ébauches d'outils en NBC thermiquement stables, supportés, il serait souhaitable de disposer d'ébauches d'outils de cette nature dans un procédé ne nécessitant pas une fabrication séparée du comprimé en NBC et de la masse du support. La présente invention a pour objet des ébauches d'outils thermiquement stables en nitrure de bore cubique ou en nitrure de bore wurtzitique, dans lesquelles la couche en NBC ou en NBW est sensiblement exempte de matériaux autres que le nitrure de bore cubique ou le nitrure de bore wurtzitique. La présente invention a pour autre objet un procédé pour la fabrication d'ébauches d'outils en NBC ou NBW thermiquement stables, supportées, dans lesquelles la couche abrasive et la masse du support n'ont pas à être fabriquées séparément. Selon les objets précédents, on prévoit des comprimés polycristallins thermiquement stables, supportés, comprenant une couche abrasive en NBC ou NBW, une masse de support liée par métal, et une couche formant barrière qui est disposée entre la couche abrasive et la masse du support, ia couche abrasive étant sensiblement exempte de catalyseur et de matériau de liage par métal. Selon le procédé de la présente invention, on prépare des comprimés thermiquement stables, supportés, en fournis- sant une masse de particules de nitrure de bore cubique ou de nitrure de bore wurtzitique, sensiblement exemptes d'autres matériaux et une masse de support pré-cémentée ou une poudre de moulage appropriée pour la fabrication in situ de la masse de support; en mettant en place une couche appropriée formant barrière entre les particules en NBC ou en NBW et la masse de support ou la poudre de moulage de la masse de support; et en soumettant un tel ensemble à des conditions de pression et de température permettant de former un comprimé composite. Dans ce qui suit,on comprendra que l'expression "nitrure de bore cubique", ou "NBC", s'entend comme incluant le nitrure de bore wurtzitique et les mélanges de nitrure de bore cubique et de nitrure de bore wurtzitique. Dans l'un de ses aspects,- la présente invention prévoit des comprimés abrasifs comprenant une couche de nitrure de bore cubique thermiquement stable, non poreuse, la couche en NBC étant sensiblement exempte d'autres matériaux, une masse de support, et une couche barrière disposée entre la couche en NBC et la masse de support qui permet d'éviter sensiblement la migration du lien métallique entre la masse de support et la couche en NBC. Les particules de NBC utilisées dans la fabrication des comprimés supportés de la présente invention peuvent être réalisées en- faisant appel à n'importe quelle technique appropriée. Une technique implique la préparation de parti- cules de NBC polycristallin riche en bore en traitant dés mélanges d'une poudre de nitrure de bore hexagonal (NBH) et de soit du bore élémentaire soit de divers composés contenant du bore, par exemple A1B12, comme cela est décrit dans la brevet britannique n 1 513 990. Un autre procédé implique l'étape de génération de bore en excès sur la surface de NBH exempt d'oxyde avant sa conversion en nitrure de bore -6 cubique. Le bore en excès est produit dans un traitement préalable qui est exécuté à une température située dans la gamme de décomposition du nitrure de bore hexagonal par cuisson sous vide et chauffage en atmosphère inerte, opéra- tions qu'on fait suivre d'une conversion en NBC par le traitement à haute pression/haute température décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique né 4 289 503 qu'on incorpore ici à titre de référence. On peut se procurer du NBC ayant particulièrement la préférence pour emploi dans la pratique de la présente invention auprès de la société General Electric Company sous la marque déposée BORAZON CBN 550. Quel que soit le procédé employé, on produit généra- lement du NBC polycristallin riche en bore sous forme de grands tronçons qui sont fraisés aux dimensions des particu- les les plus appropriées pour être utilisées dans une application particulière. Aux fins de la présente invention, les dimensions des particules ne sont pas déterminantes et sont généralement identiques à celles des particules de NBC classiques qu'on soumet à des conditions de haute pression/- haute température pour la formation des comprimés classiques en NBC polycristallin, comme cela est décrit dans le Etats- Unis d'Amérique n 3 767 371. On remarquera que les particules de NBC polycristallin riches en bore sont déjà "frittées" pendant leur formation de sorte que dans le procédé de la présente invention, les particules de NBC sont "re-frittées". En outre, contrairement aux particules classiques de nitrure de bore cubique qui sont transformées en comprimés frittés par utilisation d'un catalyseur ou autre moyen permettant d'obtenir le liage, la présente invention n'emploie que des particules de bore cubique qui peuvent être re-frittées sans l'aide d'un catalyseur à des conditions de température et de pression semblables à celles employées dans des procédés utilisant un catalyseur. La masse du support ou poudre de moulage pour la -7- formation in situ d'une masse de support peut être l'un quelconque des matériaux bien connus dans la technique. De préférence, la masse de support est un carbure lié par métal, avec le carbure choisi parmi le groupe constitué du carbure de tungstène, du carbure de titane, du carbure de tantale et de leurs mélanges, et le matériau de liage étant choisi dans le groupe constitué du cobalt, du nickel, du fer et de leurs mélanges. On préfère plus particulièrement que le carbure de tungstène cémenté au cobalt soit employé comme masse de support. On sait dans la technique que le matériau de liage par métal, tel que le cobalt, suintera à partir du support en carbure cémenté jusque dans la couche en NBC pendant le traitement à haute température et haute pression. La présente invention réside dans la découverte que la présence d'une couche barrière sensiblement identique en matière de circon- férence au support en carbure peut retarder la migration du matériau de liage par métal dans la couche en NBC pendant une durée permettant de refritter les particules de NBC tout en autorisant aussi un liage effectif entre la couche en NBC et la masse du support. En conséquence, on fournit des comprimés en NBC non poreux, thermiquement stables, dans lesquels la couche en NBC est sensiblement exempte de matériau autre que le NBC. La couche barrière employée dans la pratique de la présente invention peut être constituée de n'importe quel matériau qui permet de retarder ou d'éviter la migration du matériau de liage entre la masse du support et la couche en NBC pendant le traitement à haute pression et haute tempéra- ture. On préfère le tantale, le tungstène et le titane pour emploi comme couche barrière, le tantale ayant plus particu- lièrement la préférence. L'épaisseur de la couche barrière peut varier en fonction du matériau utilisé. Cependant, à titre de lignes directrices, cette épaisseur doit être comprise entre 0,02mm - 8 - et 1,Omm. Lorsqu'on utilise le tantale comme couche barrière, une épaisseur comprise entre environ 0,05mm et environ 0,4mm s'est avérée être particulièrement efficace. Selon un autre aspect de la présente invention, on prévoit un procédé pour fabriquer des comprimés thermiquement stables, supportés, comprenant les étapes consistant à fournir une masse de nitrure de bore cubique frittable, sensiblement exempt de matériau catalytique, et une masse de support liée par métal ou une poudre de moulage pour la formation in situ d'une masse de support liée par métal, à mettre en place une couche barrière entre la masse en NBC et la masse de support ou la poudre de moulage; et à soumettre un tel ensemble à des conditions de pression et de tempéra- tures pendant une durée permettant de re-fritter les particu- les de nitrure de bore cubique tout en retardant ou en évitant sensiblement la migration du matériau de liage par métal entre la masse de support ou la poudre de moulage et la- couche en NBC. Naturellement, les conditions doivent être telles que la couche barrière ne fonde pas de façon qu'une infiltration non régulée du matériau de liage par métal dans la couche en NBC ne se produise pas. Le technicien remarquera que la présente invention peut être facilement adaptée pour être employée dans -la fabrication de filières de filage en plaçant la couche barrière entre le noyau en NBC et l'anneau lié par métal. De manière à mieux permettre au technicien de mettre la présente invention en pratique, on donne les exemples suivants à titre d'illustration, sans que ceux-ci soient limitatifs. Toutes les parties s'entendent en poids sauf indica- tion contraire. EXEMPLES Exemple 1 On prépare du nitrure de bore cubique polycristallin, riche en bore, autofrittable, selon la divulgation du brevet Z650998 -9-- des Etats-Unis d'Amérique n 4 673 414. On broie ce.matériau pour obtenir une poudre fine qu'on place à un endroit contigu à un substrat en carbure de tungstène cémenté au cobalt dans une cellule de réaction classique à haute pression/haute température. A la suite de la réaction, on trouve que les comprimés en NBC supportés par carbure de tungstène ainsi obtenus sont bien frittés mais né présentent pas une liaison satisfaisante entre la couche en NBC et le substrat en carbure de tungstène. L'analyse des comprimés montre que le cobalt a migré du substrat en carbure de tungstène cémenté jusque dans la couche en NBC, ayant un effet néfaste sur la - stabilité thermique de la couche en NBC et du lien entre la couche en NBC et le substrat en carbure de tungstène. Exemple On répète le mode opératoire de l'exemple 1 sauf qcu'on enferme le substrat en carbure de tungstène cémenté au cobalt dans un clinquant de tantale. Les comprimés résultant de l'exposition à des conditions de haute pression/haute tempé- rature non seulement s'avèrent bien frittés; mais encore présentent une excellente adhérence entre la couche en NBC et le support en carbure cémenté. On analyse une section transversale du comprimé pour déterminer si le cobalt provenant du support en carbure a migré jusque dans la couche en NBC. L'analyse révèle que le cobalt s'est confiné dans le carbure de tungstène cémenté, bien qu'il y ait une légère concentration de cobalt à l'interface entre la barrière de tantale et le substrat en carbure de tungstène. On obtient ainsi un comprimé dans lequel la stabilité thermique de la couche en NBC est protégée et qui présente aussi une excellente adhérence du tantale tant à la couche en NBC qu'au substrat en carbure de tungstène. - 10 - REVENDICATIONS 1. Procédé pour fabriquer des comprimés ou des filières de filage en nitrure de bore cubique ou en nitrure de bore wurtzitique, thermiquement stables, supportés, com- prenant les étapes consistant à fournir une masse de particules de nitrure de bore cubique ou de nitrure de bore wurtzitique frittables, sensiblement exemptes de matériau catalytique, et une masse de support ou anneau ou poudre de moulage liés par métal pour la formation in situ d'une masse de support ou d'un anneau liés par métal; à mettre en place une couche barrière entre la masse de particules de nitrure de bore cubique ou de nitrure de bore wurtzitique frittables et la masse ou l'anneau ou la poudre de moulage liés par métal; et à soumettre un tel agencement de matériaux à des conditions de pression et de température pendant une durée permettant de fritter les particules de nitrure de bore cubique ou de nitrure de bore wurtzitique et d'éviter sensiblement la migration du matériau de liage entre la masse de support ou la poudre de moulage et jusque dans la masse du nitrure de bore cubique ou du nitrure de bore wurtzitique. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les conditions de pression et de température sont. insuffisantes pour provoquer la fusion de la couche barrière. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche barrière est choisie dans le groupe constitué du tantale, du tungstène et du titane. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche barrière est en tantale. 5. Procédé pour fabriquer des comprimés en nitrure de bore cubique, thermiquement stables, comprenant l'étape de la fourniture d'une masse de particules de nitrure de bore cubique frittables sensiblement exemptes de matériau cataly- tique et d'une masse de support ou une poudre de métal liée par métal pour la formation in situ d'une masse de support liée par métal, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes - 11 - consistant à essentiellement mettre en place une couche barrière entre la masse des particules de nitrure de bore cubique frittables et la masse ou la poudre de moulage liées par métal, et à soumettre un tel agencement de matériaux à des conditions de pression et de température pendant une durée permettant de fritter les particules de nitrure de bore cubique et sensiblement éviter la migration du matériau de liage entre la masse de support ou la poudre de moulage et la masse de nitrure de bore cubique. 6. Comprimé ou filière de filage en nitrure de bore cubique ou en nitrure de bore wurtzitique, fabriqués par un procédé qui comprend les étapes consistant à fournir une masse de particules frittables de nitrure de bore cubique ou de nitrure de bore wurtzitique, exemptes -de matériau cataly- tique, et une masse de support ou anneau ou poudre de moulage liés par métal pour la formation in situ d'une masse de support ou anneau liés par métal, à mettre en place une couche barrière entre la masse des particules frittables de nitrure de bore cubique ou de nitrure de bore wurtzitique et la masse ou l'anneau ou la poudre de moulage liés par métal; et à soumettre un tel agencement de matériaux à des conditions de pression et de température pendant une durée permettant de fritter les particules de nitrure de bore cubique ou les particules de nitrure de bore wurtzitique et d'éviter sensiblement la migration du matériau de liage entre la masse de support ou la poudre de moulage et la masse du nitrure de bore cubique ou du nitrure de bore wurtzitique. 7. Comprimé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le support est un carbure cémenté. 8. Comprimé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le carbure est choisi dans le groupe constitué du carbure de tungstène, du carbure de titane, du carbure de tantale et de leurs mélanges. 9. Comprimé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le cément est choisi dans le groupe constitué du - 12 - cobalt, du nickel, du fer et de leurs mélanges. 10. Comprimé selon la revendication 9, caractérisé en ce que le support est en carbure de tungstène cémenté au cobalt. 11. Comprimé en nitrure de bore cubique polycristal- lin, thermiquement stable, supporté, caractérisé en ce qu'il est constitué essentiellement: a) d'une masse fritté de nitrure de bore cubique sensiblement exempte d'autres matériaux; b) d'une masse de support; et c) d'une couche barrière disposée entre la masse frittée de nitrure de bore cubique et la masse de support. 12. Comprimé selon la revendication 11, caractérisé en ce que les particules de nitrure de bore cubique sont riches en bore. 13. Comprimé selon la reventication 12, caractérisé en ce que la couche barrière est choisie dans le groupe constitué du tantale,' -du tungstène et du titane. - 14. Comprimé selon la revendication 12, caractérisé en ce que la couche barrière est en tantale. 15. Comprimé selon la revendication 13, caractérisé en ce que le support est en carbure cémenté.