Brevet FR2713223A1 — publié le 19950609

L'invention concerne un produit compact fritté constitué principalement de grains de nitrure de bore cubique et un procédé de fabrication de ce produit. Les produits frittés compacts contenant des grains de nitrure de bore cubique qui sont généralement utilisés comme produits abrasifs pour l'usinage de matériaux tels que des aciers trempés et des fontes présentent une structure dans laquelle chaque grain de nitrure de bore cubique est lié directement à des grains voisins, de sorte que le compact présente une structure polycristalline. De manière plus générale, les produits compacts frittés sont constitués de grains de produits ultradurs liés entre eux par des pontages créés par diffusion de matière entre les grains. Le frittage en phase plastique qui est nécessaire pour obtenir le pontage entre les grains est réalisé à des pressions et températures extrêmement élevées qui ne peuvent être obtenues de manière pratique et reproductible dans le cadre d'une fabrication industrielle. I1 est donc nécessaire d'abaisser les pressions et températures nécessaires pour le frittage du compact en utilisant un élément solvant catalyseur. Cet élément solvant catalyseur est généralement constitué d'un métal qui est également un catalyseur de la réaction de transformation de la phase hexagonale du produit ultradur considéré en une phase cubique. On connaît également, par les FR-A-2.451.802, FR-A-2.144.426 et EP-A-0.181.258, des compacts de nitrure de bore cubique constitués d'un squelette de grains de nitrure de bore cubique fritté dont la porosité intergranulaire est remplie d'un ou de plusieurs liants de frittage. Les propriétés physiques de tels compacts sont altérées par la présence des phases métalliques, intermétalliques ou céramiques présentes aux joints de grains. I1 en résulte que la thermostabilité et la conductibilité thermique de ces compacts sont sensiblement inférieures à celles des compacts théoriquement denses et ne contenant que des grains de nitrure de bore cubique. On connaît par ailleurs, par exemple par le EP A-0.137.711, des compacts de diamant polycristallin dont l'élément catalyseur a été éliminé par attaque chimique après le frittage du compact. On obtient un produit poreux dont la thermostabilité est accrue mais dont la compacité est nettement inférieure à celle d'un compact théoriquement dense et ne comportant que des grains de diamant. Cette technique pourrait être appliquée aux compacts de nitrure de bore cubique pour obtenir des propriétés et un comportement similaires. On sait qu'une densification très élevée des compacts constitués de grains de nitrure de bore peut être obtenue par frittage sans élément catalyseur. Cependant, cette densification n'est réalisable qu'à des pressions supérieures à 100 kbars et des températures supérieures à 1800 C. Ces pressions et températures ne peuvent pas être obtenues de manière pratique et reproductible dans le cadre d'une production industrielle, en mettant en oeuvre les techniques connues de frittage du type "press belt" ou du type "presse cubique" dont les plages nominales de travail sont inférieures à 100 kbars et 1800"C. Jusqu'ici, on ne connaissait pas de procédé d'obtention d'un compact dense de nitrure de bore cubique, sans catalyseur, à des pressions inférieures à 100 kbars et des températures inférieures à 1800"C. I1 en résulte qu'on ne connaissait pas de produit compact fritté dense à base de nitrure de bore cubique, pouvant être obtenu par un procédé de production industrielle. Le but de l'invention est donc de proposer un produit compact fritté constitué principalement de grains de nitrure de bore cubique liés entre eux qui ne renferme pas de liant de frittage ou de catalyseur métallique, qui présente une forte densité et qui puisse être obtenu par un procédé pratique et reproductible, dans le cadre d'une production industrielle. Dans ce but, le produit compact suivant l'invention comporte au moins 90 % en volume de grains de nitrure de bore cubique et entre 2 et 10 % en volume de grains de diamant dont la taille est comprise entre 0,5 et 2 um L'invention est également relative à un procédé de fabrication d'un produit compact fritté à base de grains de nitrure de bore cubique mettant en oeuvre des pressions inférieures à 100 kbars et des températures inférieures à 1800 C. Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décrire, à titre d'exemple non limitatif, en se référant aux figures jointes en annexe, un produit compact fritté selon l'invention et un procédé de fabrication de ce produit compact. La figure 1 est une micrographie montrant la structure d'un produit compact de référence à base de nitrure de bore cubique sans diamant. La figure 2 est une micrographie obtenue au même grossissement que la micrographie de la figure 1 d'un produit compact suivant l'invention contenant à la fois du nitrure de bore cubique et du diamant. Pour obtenir le produit compact fritté suivant l'invention dont la structure est visible sur la micrographie de la figure 2, on prépare un mélange homogène de grains de nitrure de bore cubique dont la taille s'échelonne de 0,5 à 40 micromètres et de grains de diamant d'une taille voisine d'un micromètre. On met en place le mélange dans une coupelle de métal protecteur réfractaire, par exemple dans une coupelle de molybdène, pour l'isoler du milieu transmetteur de pression. L'assemblage ainsi obtenu est placé dans un matériau transmetteur de pression et de température d'un type connu de l'homme de métier. La cellule constituée par la coupelle placée dans le matériau transmetteur de pression est montée dans une presse pouvant développer des pressions de quelques dizaines de kbars et des températures supérieures à 1000"C. Après avoir atteint une pression suffisante pour placer la cellule de frittage dans la zone de stabilité du nitrure de bore cubique et du diamant, on réalise le chauffage de la cellule par résistance, de manière à atteindre une température supérieure à 1000 C. De manière générale, on soumet la cellule à une pression comprise entre 20 et 90 kbars et à une température supérieure à 1000"C. De préférence, on porte la cellule à une pression de 40 à 80 kbars et on applique une température de 1250 à 1800"C, pendant une durée pouvant aller de 2 à 30 mn. A l'issue du frittage, le produit compact fritté est récupéré dans la cellule. On réalise un examen micrographique du produit. Sur la figure 2, on voit que le produit suivant l'invention possède une structure dense caractérisée par un réseau de ponts entre les grains de nitrure de bore cubique et une quasi absence de porosité entre les grains. Comme il est visible sur la figure 2, le produit suivant l'invention présente une structure homogène montrant une porosité réduite et se traduisant par une très bonne compacité. On réalise dans des conditions opératoires analogues aux conditions indiquées ci-dessus, le frittage de grains de nitrure de bore cubique sans adjonction d'élément catalyseur et de grains de diamant, le produit soumis au frittage étant constitué uniquement par des grains de nitrure de bore cubique placés dans la cellule de frittage. Comme il est visible sur la figure 1, le produit comporte des grains de nitrure de bore cubique 1 liés entre eux de manière incomplète, de sorte qu'un réseau important de porosités 2 se trouve présent au niveau des joints de grains. La présence d'un réseau de porosités important autour des grains de nitrure de bore se traduit par une compacité du produit fritté beaucoup plus faible que dans le cas du produit suivant l'invention. Le produit suivant l'invention présente donc par rapport à un produit ne contenant que des grains de nitrure de bore cubique frittés dans les mêmes conditions, une meilleure compacité et un réseau de porosité très réduit. Le produit suivant l'invention présente en conséquence de meilleures propriétés mécaniques et uns très bonne thermostabilité du fait de l'absence dans ce produit de phase liante ou de catalyseur métallique. Le produit de l'invention peut être obtenu à des pressions et températures sensiblement inférieures aux pressions et températures qui sont théoriquement nécessaires pour obtenir un produit équivalent ne contenant que des grains de nitrure de bore cubique. Le produit suivant l'invention peut être facilement obtenu par une technique industrielle parfaitement reproductible mise en oeuvre sur une installation du type "press belt" ou "presse cubique", de sorte que le produit suivant l'invention peut être fabriqué sous forme de pièces produites en grand nombre et avec un coût de production modéré. L'invention ne se limite pas au mode de réalisation qui a été décrit. C'est ainsi que, lors de la réalisation du mélange des grains de nitrure de bore cubique et des grains de diamant, les proportions en volume du nitrure de bore cubique peuvent être comprises entre 90 et 98 % et corrélativement, les proportions de grains de diamant entre 10 et 2 %. Les grains de diamant ont de préférence une granulométrie moyenne au voisinage de 1 pm, ces grains de diamant pouvant avoir des tailles entre 0,5 et 2 um. Les produits selon l'invention sont de préférence des produits qui ne renferment que du nitrure de bore cubique et du diamant à l'exception de liant et de catalyseur ; cependant, des produits qui renferment à la fois du nitrure de bore cubique, du diamant, un liant métallique, intermétallique ou céramique et un catalyseur métallique tel que l'aluminium ne sortent pas du cadre de l'invention. En effet, la présence de diamant mélangé au nitrure de bore cubique permet de faciliter le frittage également en présence de catalyseur et d'un liant. Il n'a pas été possible de définir le mécanisme par lequel les grains de diamant permettent d'améliorer la liaison entre les grains de nitrure de bore et évitent la formation de porosité entre les grains. Cependant, les expériences conduites par la Société demanderesse ont permis de montrer que le phénomène est tout-à-fait reproductible si les proportions volumiques de nitrure de bore et de diamant ainsi que les conditions sur la taille des grains de diamant sont respectées, le frittage étant d'autre part réalisé dans les conditions indiquées. L'invention s'applique à tout produit compact fritté à base de nitrure de bore cubique. REVENDICATIONS 1.- Produit compact fritté constitué principalement de grains de nitrure de bore cubique liés entre eux, caractérisé par le fait qu'il comporte au moins 90 % en volume de grains de nitrure de bore cubique et entre 2 et 10 % en volume de grains de diamant dont la taille est comprise entre 0,5 et 2 pm. 2.- Produit compact suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que les grains de nitrure de bore cubique ont des tailles allant de 0,5 à 40 um. 3.- Produit suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que les grains de diamant ont une taille voisine de 1 pm. 4.- Produit selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait qu'il renferme en outre un liant métallique, intermétallique ou céramique et un catalyseur métallique. 5.- Procédé de fabrication d'un produit compact fritté constitué principalement de grains de nitrure de bore cubique liés entre eux, caractérisé par le fait - qu'on prépare un mélange de grains de nitrure de bore cubique et de grains de diamant, les grains de nitrure de bore cubique représentant au moins 90 % en volume dans le mélange et les grains de diamant ayant une taille allant de 0,5 à 2 um représentant de 2 à 10 % en volume dans le mélange, et - qu'on soumet le mélange à une pression inférieure à 100 kbars et à une température inférieure a 1800"C pour réaliser le frittage des grains de nitrure de bore cubique mélangés aux grains de diamant sans catalyseur et sans liant métallique. 6.- Procédé suivant la revendication 5, caractérisé par le fait qu'on soumet le mélange à une pression comprise entre 20 et 90 kbars et à une température supé rieure à 1000"C pour réaliser le frittage des grains de nitrure de bore cubique. 7.- Procédé suivant la revendication 6, caractérisé par le fait qu'on soumet le mélange à une pression comprise entre 40 et 80 kbars et à une température comprise entre 1250 et 1800"C pendant une durée de 2 à 30 mn pour réaliser le frittage.