Brevet FR2702474A1 — publié le 19940916

-f Comprimés de diamant polycristallin La présente invention concerne de façon générale des compri- més composites de coupe ou de perçage en diamant polycristal- lin. De façon plus spécifique, cette invention concerne un procédé pour fabriquer des compacts composites de diamant polycris- tallin ou de nitrure de bore cubique (NBC) qui sont plus compacts et plus résistants aux chocs que des comprimés selon la technique antérieure Ce procédé combine la technologie de coulée en bande et d'un traitement à pression et température ultra-élevées (HP/HT) pour former ces comprimés composites cohérents résistants. Les comprimés composites de diamant polycristallin (DP), constitués de particules ultra-dures (diamant ou nitrure de bore cubique) frittées et liées à un substrat de carbure de tungstène cémenté sont largement utilisées dans l'industrie comme outils coupants, lames de trépans, outils à dresser, filières d'étirage de fils métalliques et autres pièces d'usure De nombreux comprimés composites de DP ou de NBC disponibles dans le commerce sont fabriqués selon les enseignements du Brevet US No 3 745 623, selon lequel un volume relativement petit de particules super-dures est fritté sous forme d'une mince couche (environ 0,5 à 2,5 mm) sur une couche plane notablement plus épaisse de carbure pré- cémenté. Bien que ce procédé donne satisfaction dans de nombreuses applications de pièces d'usure, la difficulté de maintenir une répartition granulométrique homogène provoque des contraintes résiduelles élevées dans la couche abrasive et à son interface avec la masse de carbure cémenté Ces concen- trations de contraintes élevées conduisent à des taux de rebuts de fabrication élevés ou à des taux de rupture d'outils élevés lors d'une utilisation dans des conditions d'impacts. Les Brevets US No 4 604 106 et No 4 811 801, dont la totalité des descriptions est incorporée ici à titre de référence, préconisent l'utilisation de couches de transition de particules de diamant mélangées avec les particules de carbure pré-cémenté Ces couches de transitions créent un gradient des particules de diamant et de carbure afin de rapprocher plus étroitement les dilatations thermiques au I',,eau de l'interface de la couche de diamant et du substrat de carbure La concentration des particules de carbure cémenté varie d'un pourcentage volumétrique nul au niveau de l'interface de travail de l'outil jusqu'à environ 60 % en volume au niveau de l'interface avec le substrat de carbure. Bien que cette couche de transition procure de meilleures caractéristiques de liaison et de résistance aux impacts des comprimés terminés pour la plupart des applications, on est confronté à des problèmes de constance dans leur fabrication. Même lors du frittage ou de la liaison de diverses concentra- tions de particules de diamant et de carbure sur une surface plane d'un substrat de carbure, il est très difficile de déverser uniformément des particules ultra-fines peu cohéren- tes de diamant et de carbure pré-cémenté dans la cavité de moule d'un réacteur HP/HT sans ségrégation, ni redistribution indésirable des particules du fait des disparités de leurs dimensions de particules et de leur densité Il en résulte parfois des concentrations de contraintes élevées et des propriétés physiques imprévisibles entraînant finalement une rupture ou un rebut du comprimé. Il est parfois souhaitable de fritter des couches de transi- tion de diamant et de carbure sur un substrat de carbure pré- cémenté ayant une surface de liaison non-plane ou asymétri- que, telle qu'un hémisphère, un tronc de cône ou d'autres formes La liaison de couches de transition discrètes de particules de diamant et de carbure sur un substrat de carbure ayant de telles formes géométriques en utilisant une poudre peu cohérente de diamant et de carbure est très difficile On a employé d'autres moyens, tels que la graisse, la cire ou d'autres matériaux visqueux se vaporisant à la chaleur comme liants temporaires pour les divers mélanges de particules de diamant et de carbure nécessaires pour toute application particulière Les mélanges d'un liant temporaire, des particules de diamant et de carbure sont ensuite appli- qués à l'épaisseur recherchée sur, soit la surface de liaison mâle du substrat de carbure, soit sur la surface correspon- uante femelle de la cavité du moule Le substrat de carbure est de façon appropriée assemblé dans la cavité du moule avec les particules de diamant et de carbure et le liant tempo- raire pris en sandwich entre la surface de liaison du substrat et une forme profilée complémentaire de la cavité du moule femelle L'ensemble est ensuite traité dans un cycle de presse HP/HT Le liant temporaire est volatilisé et la masse des particules de diamant et de carbure est frittée et liée au substrat de carbure. Bien que ce procédé de fabrication produise des comprimés qui sont notablement supérieurs aux comprimés fabriqués par les enseignements de la technique antérieure, il subsiste des problèmes de fabrication Ce procédé est long et exige une main-d'oeuvre extrêmement qualifiée pour former à la main la masse de liant visqueux, de diamant et de carbure à l'épais- seur et à la position correctes avant frittage Il en résulte des taux de rebuts et de défauts de produit plus élevés que ce qui est recherché. La présente invention concerne un procédé pour produire un comprimé composite de diamant polycristallin en utilisant les techniques et procédés couramment appelés "coulée en bande", en liaison avec une technologie de synthèse des diamants à pression élevée et température élevée (HP/HT) La coulée en bande est le plus souvent utilisée dans l'industrie électro- nique pour fabriquer des revêtements, des substrats et des structures multicouches céramiques Une poudre céramique fine est mélangée avec un liant temporaire Le liant peut être choisi parmi des substances de poids moléculaire élevé, soit naturelles, soit synthétiques, telles qu'amidons, dextrines, alcools, celluloses, gommes et certains polymères Le mélange de poudre céramique et de liant est mélangé et broyé pour arriver à la viscosité, la rhéologie et l'homogénéité les plus avantageuses Il est ensuite laminé en une bande ou ruban de l'épaisseur désirée. La bande est ensuite séchée pour éliminer l'eau ou les autres véhicules volatils La bande séchée est flexible et suffisam- ment résistante en cet état pour être manipulée et coupée en les formes exigées pour se conformer à la géométrie du substrat sur lequel elle doit être liée en utilisant un adhésif temporaire L'ensemble bande/substrat est ensuite chauffé dans un four approprié, initialement à une tempéra- ture suffisamment élevée pour éliminer l'adhésif et/ou le liant temporaire sous forme de substances volatiles La température est ensuite élevée à un niveau pour lequel les poudres céramiques fondent ensemble et adhèrent au substrat, produisant un revêtement céramique continu très uniforme lié au substrat. Les Brevets US Nos 4 329 271 et 4 353 958 sont des exemples de fabrication de bandes coulées de céramique et le Brevet US No 3 518 756 est un exemple de l'utilisation de bandes coulées céramiques pour fabriquer des structures micro- électriques. Un document technique sur la technologie de coulée en bande, écrit par Rodrigo Mareno, Instituto de Ceramica y Vedrio, CSIC Madrid, Espagne, en deux parties Volume 71, No 10 (octobre 1992) et Volume 71, No 11 (novembre 1992) dans American Ceramic Society Bulletin, est une discussion exhaustive des moyens techniques de l'emploi des bandes céramiques en utilisant les diverses ramifications des procédés de contrôle des bandes céramiques. Les Brevets US Nos 3 743 556, 3 778 586, 3 876 447, 4 194 040 et 5 164 247 décrivent l'utilisation d'une techno- logie de coulée en bande semblable employant un liant temporaire à base de polymères, tel que le polytétrafluoroé- thylène (PTFE), une poudre de surface dure de liaison, telle qu'un carbure de tungstène ou l'analogue, et une poudre d'alliage de brasage à point de fusion relativement bas pour amener le mélange sous la forme d'une bande Cette bande est utilisée pour produire une couche de carbure résistant à l'usure ou à l'érosion brasée sur un substrat métallique, lorsqu'elle est chauffée à la température du liquidus de l'alliage de brasage. La présente invention procure un procédé pour former et fritter un comprimé composite ayant une masse de particules ultra-dures polycristallines liées à un substrat de carbure métallique cémenté Une ou plusieurs feuilles comprenant un liant de coulée en bande contenant des particules ultra-dures sont momentanément collées sur la surface d'un substrat de carbure Le substrat, sur lequel adhère temporairement la feuille, est traité dans un appareil de synthèse de diamant à pression et température élevées pour fritter l'une à l'autre les particules ultra-dures tout en liant la masse de particules ultra-dures polycristallines au substrat de carbure métallique cémenté. Un avantage de la présente invention par rapport aux procédés antérieurs de production de comprimés composites de diamant polycristallin est que le diamant peut être uniformément réparti sur la surface de liaison du substrat de carbure métallique, même si cette surface n'est pas plane Par exemple, la surface de liaison peut être convexe, concave, hémisphérique, asymétrique ou avoir toute autre configuration non-plane. Ces avantages et caractéristiques, ainsi que d'autres, de la présente invention, seront mieux compris à la lecture de la description détaillée suivante de réalisations préférées, en liaison avec le dessin joint, sur lequel: la figure 1 est une vue en perspective explosée et en coupe partielle d'un réacteur HP/HT et des composants utilisés pour fabriquer la réalisation de l'invention représentée sur la figure 2; la figure 2 est une vue en coupe transversale partielle d'une réalisation de la présente invention et du réacteur de confinement HP/HT dans lequel elle est fabriquée; et la figure 3 est une portion à plus grande échelle de la section transversale 3 de la figure 2. La figure 1 illustre les composants non-assemblés d'un réacteur de synthèse de diamant à pression et température élevées (HP/HT) 30 de la figure 2 utilisé pour fabriquer un comprimé composite de diamant polycristallin 10, par exemple un insert pour un fleuret conventionnel utilisé dans le forage des puits de pétrole Une cavité de moulage sous forme d'un alésage cylindrique 12 -est formée au centre dans un matériau réfractaire 11, comme par exemple le molybdène Un tampon ou capuchon terminal 16 en matériau réfractaire, qui se loge étroitement dans l'alésage 12 du moule, est utilisé pour fermer axialement l'ensemble de moule 30 La surface supérieure 14 de la cavité du moule, telle qu'elle est représentée, est par exemple une surface femelle conique oblique arrondie, qui forme une surface extérieure convexe mâle terminée de diamant polycristallin fritté 26 sur le comprimé représenté sur la figure 2 Des formes telles que des cylindres droits, des cônes circulaires droits, diverses formes asymétriques, des hémisphères ou d'autres surfaces de géométrie complexe peuvent être fabriquées sans s'écarter du but et de la portée de la présente invention. Le substrat de carbure cémenté 20 du comprimé a une surface de corps cylindrique 21 se logeant à glissement dans l'alé- sage de moule 12 Le substrat a également une surface termi- nale de base 23 et une surface terminale de tête 22 La surface terminale de tête 22 est une surface conique oblique arrondie mâle, qui est réduite dans les trois dimensions, de façon que l'intervalle entre cette surface et la surface supérieure complémentaire 14 de la cavité du moule soit tel que la couche de diamant composite fritté finale soit compactée à une épaisseur prédéterminée. Des couches de bandes de diamant préformées flexibles 24 a, b, c, sont coupées à la forme de façon que chaque couche recouvre uniformément la totalité de la surface terminale de tête 22 Par exemple, les couches de diamant 24 sont momenta- nément fixées sur la surface terminale de tête du substrat 22 et sont ensuite successivement fixées l'une à l'autre par un adhésif volatil à chaud. Les bandes contenant le diamant peuvent être formulées en utilisant des systèmes de liants compatibles à l'eau, tels que des dérivés de cellulose à poids moléculaire élevé, des amidons, des gommes, des dextrines, des alcools et d'autres systèmes naturels ou synthétiques On a également formulé et essayé des systèmes polymères, tels que polyacrylonitrile, polyéthylène, alcool de polyvinyle, polycarbonate, polypropy- lène en utilisant divers solvants et dispersants. Ces bandes ont des particules de diamant ou des particules de diamant et de carbure métallique distribuées dans un tel liant et fixées ensemble avec ce liant De préférence, la quantité de liant est juste suffisante pour maintenir ensemble les particules et obtenir une bande flexible qui peut être manipulée, coupée, formée et collée sur un subs- trat De façon générale, tous les espaces vides entre les particules sont effectivement remplis du liant. Les bandes de diamant brutes sont traitées en utilisant un équipement standard d'extrusion, de moulage par injection, de compression ou de coulée en bande Les bandes de diamant coulées ainsi fabriquées présentent une épaisseur uniforme, une bonne flexibilité, un bon fini de surface et des concen- trations volumétriques de diamant prévisibles et denses Les bandes de diamant, ayant une telle répartition granulométri- que de diamant uniforme, sont faites uniformément avec une épaisseur d'environ 0,1 à environ 2 mm, selon ce qui est nécessaire pour toute application donnée. L'ensemble temporaire de substrat de carbure 20, de couches de revêtement en bandes de diamant 24 et de tampon terminal 16 de la cavité de moule est fortement comprimé dans l'alé- sage de moule 12 et aligné radialement pour se conformer au contour de la surface supérieure 14 de la cavité du moule et au contour de la surface supérieure 26 de la couche de diamant Ceci assure un compactage correct et une répartition appropriée de la couche de diamant composite 24. Les couches de diamant peuvent avoir des compositions différentes Par exemple, la couche extérieure 24 a peut avoir seulement des particules de diamant dans la bande Les particules de diamant peuvent avoir l'une quelconque d'une large plage de dimensions de particules allant d'un micromè- tre ou moins à plusieurs micromètres On préfère souvent un mélange de dimensions. La couche suivante 24 b comprend un mélange de particules de diamant et de carbure de tungstène avec une quantité de particules de diamant supérieure à celle des particules de carbure La couche intérieure adjacente au substrat de carbure est également un mélange de particules de diamant et de carbure de tungstène, la quantité de particules de carbure étant plus élevée que celle de particules de diamant de façon à correspondre plus étroitement aux propriétés du substrat de carbure Les couches intérieures 24 b et 24 c assurent une transition dans les propriétés ainsi que dans la composition entre le substrat de carbure et la couche extérieure de diamant polycristallin dans le comprimé final. Dans la réalisation représentée, la surface terminale de tête de l'insert est convexe et les couches sont appliquées sur l'extrémité convexe à courbure complexe Si on le désire, on peut utiliser une technique semblable pour appliquer des couches sur des surfaces planes ou concaves. L'ensemble de la cellule sous pression 30 est ensuite chauffé sous vide pour éliminer l'humidité, les adhésifs et les liants temporaires de la bande de diamant Les particules de diamant et de carbure dans les bandes restent en place du fait qu'elles sont emprisonnées dans la cavité de moule proches de la surface terminale de tête. Après le préchauffage, la cellule sous pression 30 est placée dans une presse conventionnelle de synthèse du diamant HP/HT. La pression et ensuite la température sont augmentées jusque dans la région thermodynamiquement stable du diamant Dans cet ensemble de conditions, le cobalt migre du substrat de carbure de tungstène cémenté 20 dans la couche de diamant 24 et agit en tant que solvant catalyseur du carbone élémentaire du diamant pour promouvoir une liaison de diamant à diamant polycristallin On peut remplacer le cobalt par du nickel ou du fer sans s'écarter de la portée de cette invention Le cobalt ou tout autre liant métallique procure également une liaison chimique des particules de carbure de tungstène aux particules de diamant environnantes dans la couche de diamant 24 Le cobalt procure également une forte liaison chimique de la couche composite de diamant 24 à la surface terminale de tête 22 du substrat de carbure de tungstène. Si on le souhaite, on peut amener le liant catalyseur (cobalt, nickel ou fer) à la couche de diamant composite 24 en plaçant une mince feuille du métal préféré au niveau de la couche coulée en bande du diamant 24 et de la surface du substrat 22 On peut également amener le métal liant cataly- seur sous forme d'une couche discrète de coulée en bande de métal pulvérulent, ou bien on peut mélanger le métal pulvéru- lent avec les particules de diamant dans les bandes coulées. Un autre moyen d'amener le système de la couche de diamant et du substrat de carbure au métal liant catalyseur consiste à plaquer sur la surface de tête 22 du substrat de carbure de tungstène le liant métallique préféré en utilisant, soit une électrodéposition, soit une déposition en phase gazeuse par procédé chimique (CVD), soit une déposition en phase gazeuse par procédé physique (PVD). La figure 3, qui est une portion à plus grande échelle de la coupe transversale 3 de la figure 2, montre les couches individuelles de bandes coulées de diamant 24 a, b, c, frittées en une masse polycristalline cohérente, qui est chimiquement liée à la surface terminale de tête 22 du substrat de carbure Les couches discrètes 24 a, b, c, représentées sur la figure 1 ont été transformées dans le procédé HP/HT en une masse continue avec croissance des cristaux de diamant et liaison intercristalline. On voit également le mélange intime des particules de diamant et de carbure au niveau des interfaces des couches pour produire des couches de transition très uniformes. Lorsqu'un gradient de dimensions et/ou de densités de particules est nécessaire pour réduire les concentrations de contraintes, provoquées par un mélange incontrôlé des particules de diamant et/ou des particules de carbure métallique, on empile de minces bandes discrètes de particu- les de diamant et de carbure métallique de dimensions et/ou de densités progressivement croissantes ou décroissantes pour obtenir une répartition des particules prédéterminées dans la couche abrasive du comprimé composite fritté Ainsi, on obtient un contrôle total de la distribution des particules de diamant et de carbure lors du frittage d'une masse de particules de diamant ou d'une masse de particules de diamant et de carbure métallique sur une surface de substrat de carbure cémenté plane ou non-plane en utilisant des bandes coulées de diamant empilées de compositions différentes. On a ainsi décrit un procédé pour fabriquer un comprimé composite de diamant polycristallin qui a une masse de diamant multicouche frittée et chimiquement liée à une surface complexe de substrat de carbure de tungstène cémenté préalablement fritté selon la présente invention Même si l'exemple représenté de la masse de diamant est formé de multiples bandes coulées de diamant, on peut utiliser une bande coulée monocouche de façon avantageuse dans certains cas pour minimiser la ségrégation des particules de diamant et/ou de carbure de dimensions de particules différentes ou de particules ayant des densités différentes. il Bien que la plus grande partie de la description a impliqué l'utilisation de carbure de tungstène lié au cobalt comme matériau du substrat, d'autres carbures métalliques cémentés, ainsi que d'autres types de matériaux sont dans la portée de la présente invention Par exemple, on peut produire des comprimés composites polycristallins de nitrure de bore cubique (NBC) en utilisant les principes de base précités, bien que, par moments, on puisse utiliser pour certains buts un solvant catalyseur différent Les particules ultra-dures peuvent être, soit du diamant, soit du nitrure de bore cubique. Au lieu de placer le(s) stratifié(s) de bandes directement sur le substrat, on peut d'abord les placer dans un moule complémentaire de la forme du substrat ou du comprimé final à former Le substrat est ensuite comprimé en place contre les stratifiés dans le moule et cet ensemble est traité de la même manière que celle décrite précédemment. Il est clair que la portée de la présente invention n'est pas limitée à cette description des réalisations préférées. Toutes les modifications à la portée de l'homme de l'art sont considérées comme se trouvant à l'intérieur de la portée de l'invention, telle que définie dans les revendications jointes. Revendications 1. Procédé pour former et fritter un comprimé composite ayant une masse de particules ultra-dures polycristallines liées à un substrat de carbure métallique cémenté, caracté- risé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: faire adhérer temporairement à la surface du substrat ( 20) une ou plusieurs couches ( 24 a,b,c) d'une bande flexible contenant un liant contenant des particules ultra-dures, et traiter le substrat auquel adhère(nt) temporairement la(les) couche(s) dans un appareil de synthèse du diamant à pression et température élevées ( 30), pour fritter les particules ultra-dures les unes aux autres tout en liant la masse de particules ultra-dures frittées au substrat de carbure cémenté ( 20) pour former le comprimé composite. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend l'étape dans laquelle on place une multiplicité de couches sur la surface du substrat ( 20), la couche extérieure ( 24 a) contenant pratiquement entièrement des particules ultra-dures et une couche ( 24 b, c) entre la couche extérieure et le substrat contenant un mélange de particules ultra-dures et de particules de carbure métallique. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caracté- risé en ce qu'il comprend les étapes supplémentaires suivan- tes placer le substrat dans un moule ( 12,14) complémentaire de la forme du substrat avec la couche en place sur sa surface ( 22), et chauffer le moule et le comprimer suffisamment pour éliminer les liants temporaires de la couche avant le traitement dans un appareil de synthèse du diamant à pression et température élevées ( 30). 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape d'adhérence consiste à placer le stratifié de bandes dans un moule complémentaire de la forme du substrat et à placer le substrat contre le strati- fié. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le comprimé est un insert de trépan à molettes ayant un corps sensiblement cylindrique et une tête incurvée de façon convexe et en ce que l'étape consistant à appliquer un stratifié de bandes consiste à appliquer le stratifié sur la surface convexe de la tête. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on inclut du cobalt dans le stratifié de bandes. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les particules ultra-dures sont sélectionnées dans le groupe comprenant le diamant et le nitrure de bore cubique. 8. Comprimé composite, caractérisé en ce qu'il est fabriqué selon le procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes.