L'invention concerne le domaine des poudres métalliques préalliées, à partir desquelles on réalise des outils de découpe diamantés tels que des segments pour scies et des perles pour la fabrication de fils pour la coupe de matériaux durs tels que le granite.
Les poudres métalliques utilisées pour fabriquer des perles diamantées sont habituellement réalisées à partir de granulés contenant 20% environ de carbure de tungstène et 80% environ de cobalt. Ces granulés sont mélangés avec des diamants et comprimés sous forme d'anneaux, et les pièces crues sont frittées selon deux possibilités.
Dans un premier cas, on remplit des moules en graphite avec les pièces crues munies chacune d'un fourreau d'acier, puis on réalise le frittage sous pression dans des presses à chaud classiques. Mais par suite de la forme particulière des perles diamantées :
Dans un deuxième cas, on réalise un frittage naturel, dit aussi « frittage libre », (sans moule) des pièces crues avec leurs fourreaux d'acier, dans un four statique où à défilement. Mais après ce frittage, les perles à base de cobalt et de carbure de tungstène ne sont pas suffisamment densifiées. Un deuxième traitement thermique est indispensable, qui doit être réalisé dans un four fonctionnant à une pression élevée, comprise entre 1500 et 2000 bars, pour réaliser une compression isostatique à chaud des perles. Ce four est coûteux à l'achat et à l'entretien.
Ces procédés sont donc de toute façon très coûteux, aussi bien en termes de matières premières que de procédé de production. L'article
A cet effet l'invention a pour objet une poudre métallique préalliée, notamment pour la fabrication d'outils de coupe par frittage, caractérisée en ce que sa composition en pourcentages pondéraux est :
De préférence, le diamètre Fisher de ses particules est de 1 à 3 µm.
Elle est de préférence constituée par un mélange d'une telle poudre et d'au moins un additif d'aide au frittage à raison de 80 à 90 % en poids de poudre et 10 à 20 % en poids d'additif.
L'additif d'aide au frittage est de préférence un phosphure de fer, de nickel, de cuivre ou de cobalt, ou un mélange d'au moins deux de ces phosphures, ou un phosphure mixte d'au moins deux de ces métaux.
La poudre est de préférence obtenue par mélange d'une première poudre et d'une seconde poudre, et d'un additif de frittage éventuel, lesdites première et seconde poudres ayant les caractéristiques respectives :
De préférence, le diamètre Fisher des particules de la première poudre est de 0,8 à 1,5 µm, le diamètre Fisher des particules de la seconde poudre est de 3,0 à 4,0 µm, et le diamètre Fisher de la poudre obtenue après mélange est de 1 à 3 µm.
L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un outil de coupe diamanté, comportant une étape de mélange d'une poudre métallique préalliée et de diamants, une étape de compression à froid du mélange et une étape de frittage audit mélange comprimé, caractérisé en ce que ladite poudre métallique est du type précédent.
Le frittage est de préférence un frittage naturel.
Ledit outil peut être un segment de coupe pour scie diamantée.
Ledit outil peut être une perle diamantée pour fil de coupe.
Ladite poudre peut être du type précité.
L'invention a également pour objet une scie diamantée du type comportant des segments de coupe fixés sur la périphérie d'un disque métallique, caractérisée en ce que lesdits segments ont été obtenus par le procédé précédent.
L'invention a également pour objet un fil de coupe du type comportant des perles diamantées enfilées sur un câble, caractérisé en ce que lesdites perles ont été obtenues par le procédé précédent.
Comme on l'aura compris, l'invention repose sur l'utilisation d'une poudre préalliée de composition précise, à base de fer, cobalt et cuivre. Il s'avère que cette poudre, qui ne met pas en oeuvre d'éléments très coûteux dans des proportions élevées, permet de réaliser des outils de coupe diamantés (scies et perles) très performants par simple frittage naturel, donc par un procédé économique et pouvant être exécuté avec une productivité élevée.
Un procédé d'obtention de la poudre, permettant d'obtenir à partir de ladite poudre des produits frittés de caractéristiques particulièrement élevées, est aussi proposé.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit.
La poudre préalliée selon l'invention doit notamment répondre aux impératifs suivants.
La densité relative des pièces crues obtenues avec elle doit être d'au moins 60% pour une pression maximale à froid de 700MPa.
Elle doit de préférence être facilement granulable dans la fraction granulométrique comprise entre 63 et 450 µm qui est la mieux adaptée pour le remplissage des moules de compression à froid en acier, destinés à la fabrication de perles pour fils diamantés.
Après frittage libre à 850-1100°C dans un four à défilement (pour une production continue) ou dans un four statique (pour une production par lots), la densité relative de la pièce obtenue doit pouvoir être de préférence d'au moins 97%.
La poudre doit pouvoir être utilisée pour fabriquer des pièces dont la dureté après frittage serait d'au moins 220 HB, afin qu'elles soient utilisables pour la découpe du granite.
Il est apparu que ces objectifs, ainsi que ceux précédemment exprimés, sont atteints, selon l'invention, à l'aide d'une poudre préalliée possédant les caractéristiques suivantes.
Sa composition est (en pourcentages pondéraux) :
Le diamètre Fisher moyen des particules (mesuré selon la norme 150 10070 par détermination de la surface spécifique d'enveloppe à partir de la mesure de la perméabilité à l'air d'un lit de poudre dans des conditions d'écoulement permanent) est de préférence de 1 à 3 µm.
Sa densité théorique typique est de préférence de 8,4 g/cm3.
Le rapport entre les teneurs en fer et cobalt est délibérément ajusté de manière à éviter de former une phase α' dure et fragilisante, qui se forme lorsque le rapport massique Fe/(Fe + Co) est compris entre 30 et 70 %. Selon l'invention, ce rapport est compris entre 72 et 78 %, et la phase α' est donc évitée.
La quantité de cuivre ajoutée est celle qui est suffisante pour procurer un bon frittage.
La teneur en oxygène est maintenue à 1,2 % au maximum pour éviter la présence d'oxydes qui ne seraient pas réduits en totalité par l'hydrogène lors du frittage naturel. De tels oxydes non réduits diminueraient la frittabilité des pièces crues, provoqueraient des hétérogénéités dans les structures des pièces frittées, augmenteraient la dureté, donc la fragilité des pièces et réagiraient avec les diamants en les détruisant au moins en surface. On diminuerait ainsi les performances de coupe des outils.
Cette poudre peut être obtenue notamment de deux manières différentes.
Selon un premier mode d'obtention, on prépare directement par la voie hydrométallurgique classique une poudre possédant les caractéristiques de composition et de morphologie visées.
Cette voie hydrométallurgique consiste à réaliser d'abord des hydroxydes métalliques par précipitation à la soude d'un mélange de chlorures de métaux selon la réaction :
x CuCl2 + y FeCl3 + z CoCl2 + (2 + t) NaOH → Cux Fey Coz (OH)2 + 2 NaCl + t NaOH,
avec x + y + z = 1, et t étant le taux de NaOH en excès par rapport à la stoechiométrie. x, y et z sont dans des rapports correspondant aux rapports atomiques que l'on désire retrouver sur la poudre finale entre les teneurs respectives en Cu, Fe, Co.
On réalise ensuite une séparation solide-liquide, suivie d'un lavage du gâteau d'hydroxyde à l'eau déminéralisée pour éliminer le NaCl. Puis on passe le gâteau dans un sécheur afin d'obtenir une poudre d'hydroxydes co-précipités, avec une teneur en eau résiduelle de quelques %.
Puis la poudre d'hydroxyde est réduite, afin d'être transformée en poudre métallique préalliée. Cette réduction est de préférence effectuée dans un four à défilement et sous H2 selon :
Cux Fey Coz (OH) + H2 → Cux + Fey + Coz + H2O.
Après réduction, la poudre pré-alliée est broyée sous gaz inerte dans un broyeur, puis tamisée à 90 µm.
Selon un deuxième mode d'obtention, on réalise la poudre selon l'invention en mélangeant deux poudres de compositions différentes, obtenues séparément elles aussi par hydrométallurgie. Le tableau 1 présente les compositions des deux poudres à utiliser :
De façon surprenante, comme on le verra, on obtient lors du frittage des résultats meilleurs à plusieurs points de vue lorsqu'on réalise la poudre selon l'invention en mélangeant ces deux poudres I et II, dans des proportions telles que l'on obtient globalement une poudre ayant les caractéristiques spécifiées, que quand on utilise une poudre obtenue directement par un procédé hydrométallurgique selon le premier mode d'obtention décrit.
De manière générale, un mélange des poudres I et II dans des proportions relatives de 60 - 40 % en poids environ permet de fabriquer la poudre selon l'invention.
Après l'obtention de la poudre selon l'invention, celle-ci peut être utilisée directement, ou mise sous forme de granulés par un procédé classique que l'on va à présent décrire. Ces granulés peuvent ensuite servir à fabriquer des outils diamantés spécifiques, tels que des fils diamantés et des segments diamantés de faible épaisseur.
La poudre préalliée à granuler est mélangée à une poudre de liant organique à raison de 2 à 3 % en poids de la quantité de poudre à granuler et à un solvant organique, dans un granulateur à fort cisaillement. Après l'étape de granulation, le solvant est retiré par évaporation.
Enfin les granulés sont tamisés en continu sur des tamis vibrants comportant deux toiles superposées, d'ouvertures de mailles différentes (450 µm pour la première, 63 µm pour la deuxième par exemple). On sélectionne ainsi la fraction de diamètre compris entre 63 µm et 450 µm. Les granulés plus fins et plus grossiers sont recyclés lors de l'opération de granulation suivante.
Il est également conseillé d'ajouter à la poudre un ou des additifs permettant d'augmenter la dureté des pièces frittées. Des additifs classiques connus à cet effet, tels que le carbure de tungstène, se sont avérés inopérants dans le cadre de l'invention, car ils diminuaient la densification lors du frittage, donc la dureté des pièces, résultat inverse de ce qui était recherché. Il s'avère que le carbure de tungstène est insoluble dans la poudre selon l'invention et ne se lie donc pas métallurgiquement à la matrice métallique. En revanche, il s'avère que le phosphure de fer permet d'obtenir des résultats remarquables de ce point de vue ; les phosphures de nickel, de cuivre et de cobalt sont également intéressants.
On a réalisé des essais de frittage naturel de poudres selon l'invention, qui ont démontré la supériorité des poudres obtenus par un mélange des poudres I et II décrites plus haut sur les poudres obtenues directement par un unique traitement hydrométallurgique.
La poudre obtenue directement (« poudre directe ») a été préparée par le procédé hydrométallurgique précédemment décrit, c'est-à-dire par addition de NaOH à un mélange de chlorures de Co et Fe, séchage de l'hydroxyde ainsi obtenu en sécheur microniseur, réduction à 660°C et broyage dans un broyeur à jet d'azote. Sa composition était Fe = 48,8 % ; Co = 16,0 %; Cu = 34,4 % ; O = 0,8 %. Son diamètre Fisher était de 1,3 µm.
La poudre obtenue par mélange (« poudre mélange ») l'a été dans un mélangeur mis préalablement sous CO2, à partir de 60 % de poudre I et 40 % de poudre II, ces poudres ayant été préalablement préparées séparément par hydrométallurgie. L'opération de mélange a duré 50 minutes. La poudre qui en a résulté avait la composition : Fe = 49,1 % ; Co = 16,0 % ; Cu = 34,4 % ; O = 0,6 %. Son diamètre Fisher était de 1,74 µm.
Les poudres « directe » et « mélange » ont ensuite été comprimées à 200MPa , afin de réaliser des pièces de type PS 21, dont on a calculé la densité à cru à partir de leur cotes et de leur poids. La poudre directe avait une densité égale à 58,0 % de la densité théorique, la poudre mélange une densité égale à 55,2 % de sa densité théorique.
On rappelle que, conventionnellement, les pièces PS21 sont des pièces parallélépipédiques obtenues par compression à froid sous 200 MPa de 6 g de poudre dans une matrice en acier de dimensions 24,48 x 7,97 mm. La hauteur de la pièce crue obtenue dépend de la compressibilité de la poudre, et est généralement de l'ordre de 5 à 6 mm.
Puis on a procédé au frittage dans un four de laboratoire statique sous H2 à des températures allant de 850 à 1000°C environ. Dans tous les cas, la vitesse de montée en température était de 150°C/h, le palier à la température de frittage était de 1h et le refroidissement a été naturel, durant environ une nuit. On a mesuré sur les pièces frittées leur densité en % de la valeur théorique (8,35g/cm3), leur dureté HB et leur dureté HRB. Les résultats sont regroupés dans le tableau 2.
Les résultats d'essais montrent que la poudre directe présente une meilleure compressibilité à froid que la poudre mélange. Elle sera donc la plus facile des deux à mettre en forme avant le frittage.
En revanche, la poudre mélange présente la meilleure densification au frittage et la meilleure dureté après frittage.
On a réalisé des essais semblables sur des poudres directe et mélange auxquelles, avant le frittage, on a ajouté du phosphure de fer à 10% en masse de P fourni par la société BASF. Le mélange a eu lieu dans un mélangeur Gericke sous CO2 pendant 50 min, à raison de 85% de poudre et 15% de FeP (% en masse).
On a réalisé des essais de compression à froid dans les mêmes conditions que précédemment. On a trouvé que la poudre directe additivée au FeP avait une densité égale à 59,1 % de la densité théorique et la poudre mélange une densité égale à 53,1 % de sa densité théorique.
On a ensuite procédé au frittage de ces poudres, dans les mêmes conditions que précédemment, et mesuré les densités et duretés HB et HRB des pièces obtenues. Les résultats sont regroupés dans le tableau 3.
La hiérarchie des performances entre les poudres directe et mélange additivées au FeP est la même que pour les poudres pures (non additivées). La poudre mélange présente les meilleurs résultats après frittage.
L'additivation permet d'obtenir des pièces frittées ayant une dureté sensiblement plus élevée que celle des pièces obtenues dans les mêmes conditions à partir de poudres non additivées, comme on le voit en comparant les résultats des tableaux 2 et 3.
A titre indicatif, une poudre selon l'invention à laquelle on ajouterait du FeP à raison de 85 % de poudre et 15 % de FeP se retrouverait avec approximativement les caractéristiques suivantes :
On a également réalisé des essais de frittage sur une poudre mélange additivée par un phosphure de Ni contenant 8,8 % en masse de P, à raison de 85 % de poudre mélange et 15 % de NiP. Les résultats sont regroupés dans le tableau 4.
L'additivation au NiP dans les conditions qui ont été dites procure donc également des résultats remarquables en termes de densité et de dureté des pièces frittées.
A titre indicatif une poudre selon l'invention à laquelle on ajouterait du NiP à raison de 85 % de poudre et 15 % de NiP aurait approximativement les caractéristiques suivantes :
L'additivation peut aussi être effectuée à l'aide de phosphure de cuivre ou de cobalt. Egalement, on peut utiliser un mélange d'au moins deux parmi les phosphures de fer, nickel, cuivre et cobalt, ou un phosphure mixte d'au moins deux de ces métaux.
Des tests de coupe de granite effectués avec des pièces réalisées à l'aide de poudres selon l'invention et d'une poudre de référence ont donné les résultats suivants.
On a réalisé des essais de coupe de granite avec des scies diamantées de diamètre 500 mm dont les segments de coupe ont été réalisés par frittage naturel, en utilisant pour fabriquer les segments :
Les deux poudres ont servi à la fabrication de segments diamantés formant la denture des scies. Ces segments étaient du type « segments sandwich », c'est-à-dire qu'ils avaient une concentration en diamants plus importante à leur périphérie (1,1 carat/cm3 de segment) qu'à leur centre (0,8 carat/cm3 de segment). On a utilisé des diamants standard et des diamants revêtus de titane. Ce type de segments a été choisi car ils sont particulièrement complexes et coûteux à réaliser par le procédé classique de pressage à chaud dans des moules en graphite.
Les segments réalisés avec la poudre de référence et avec la poudre de l'invention ont été frittés par frittage naturel dans un four à défilement à 940°C pour la poudre de l'invention et 980°C pour la poudre de référence, puis brasés sur des disques d'acier de diamètre 500 mm pour constituer les scies. On a ensuite découpé des granites de différentes catégories avec des scies. Pour chaque type de poudre, trois types de mélanges de diamants ont été testés, réalisés à partir de diamants de la Société ELEMENT SIX dont on indiquera les références.
Après chaque essai de coupe on a calculé la vitesse de coupe (en cm2 de granite coupé par minute) et la durée de vie de la scie (en m2 de granite coupé par mm de hauteur de segment). Plus ces valeurs sont élevées, meilleure est la qualité de la scie.
En utilisant un mélange de diamants SDB VB 40 à 50 mesh (30 %) et SDB LBW 50 à 60 mesh (70 %), les résultats ont été les suivants :
La scie de l'invention avait une durée de vie de 4,8 m2/mm et une vitesse de coupe de 620 cm2/min.
En utilisant un mélange de diamants SDB VB 30 à 40 mesh (10 %), SDB VB 40 à 50 mesh (40%) et SDB LBW 50 à 60 mesh (50 %) les résultats ont été les suivants.
La scie de référence s'est avérée incapable de découper le granite.
La scie de l'invention avait une durée de vie de 3 m2/mm et une vitesse de coupe de 620 cm2/min.
En utilisant un mélange de diamants SDB VB 30 à 40 mesh (10 %), SDB TMF 40 à 50 mesh (40 %), et SDB TMF 50 à 60 mesh (50 %) les résultats ont été les suivants (les diamants de type TMF sont revêtus de titane).
La scie de référence avait une durée de vie de 4,1 m2/mm et une vitesse de coupe de 600 cm2/min.
La scie de l'invention avait une durée de vie de 6,7 m2/mm et une vitesse de coupe de 900cm2/min.
Les résultats d'essais des scies de l'invention sont donc excellents en valeur absolue, et systématiquement meilleurs à tout point de vue que ceux des scies de référence. Le procédé de fabrication des segments de scie de l'invention, couplant un frittage naturel des segments avec une composition précise de la poudre préalliée utilisée, donne donc des résultats satisfaisants pour un prix de revient très modéré par rapport aux procédés connus utilisant des moules.
On a également vérifié que la poudre selon l'invention se prêtait bien à la fabrication de perles diamantées utilisables pour la fabrication de fils de coupe pour la coupe du granite, qui sont l'application privilégié envisagée pour l'invention.
Ces perles avaient des diamètres extérieurs de 7,2 mm (perles destinées à des machines multi-fils) et 11 mm (perles destinées à des machines mono-fil) et ont été fabriquées par le procédé suivant :
Les opérations de déliantage, frittage et brasage ont été réalisées dans un four à défilement sous H2.
Les perles obtenues ont été enfilées sur des câbles d'acier à raison de 37 perles/mètre linéaire, puis l'ensemble a été plastifié pour le rigidifier.
Les fils ont été testés sur différentes machines pour la coupe de granites variés. Les résultats des essais sont regroupés dans le tableau 5.
Ces résultats sont tout à fait satisfaisants, et montrent que l'invention permet de réaliser des perles diamantées performantes, pour un prix de revient sensiblement plus bas que par les procédés classiques. A titre de comparaison, la durée de vie des fils habituels, utilisant des diamants revêtus de titane, est de l'ordre de 28 m2/m linéaire.
De manière générale, la poudre selon l'invention, utilisée pure, présente une bonne compressibilité à froid et se densifie très correctement dès 900°C (97 % de sa densité théorique), en particulier lorsqu'elle est obtenue par mélange des poudres I et II telles que précédemment définies. La dureté obtenue après frittage peut être considérée comme insuffisante pour la découpe du granite, mais serait suffisante pour la découpe de marbre. Mais l'addition de 15 % de phosphure de fer ou de nickel permet d'augmenter la densification et la dureté des pièces frittées d'une manière qui les rend parfaitement adaptées à la découpe du granite.
A titre de comparaison, afin de montrer que l'invention nécessite l'utilisation d'une poudre préalliée ou d'un mélange de telles poudres pour l'obtention des résultats recherchés, on a effectué les essais suivants.
On a préparé un mélange dit « mélange 1 » sous CO2 pendant 50min, à partir de poudres de Fe, Co et Cu commerciales, comme indiqué dans le tableau 6 :
Les pourcentages pondéraux des métaux sont exprimés hors oxygène contenu.
Cette composition est dans le milieu de la fourchette de la poudre pré-alliée selon l'invention.
A 85 % en masse de ce mélange, on a rajouté (selon le même protocole que précédemment) 15 % de phosphure de fer FeP 10% de BASF, de même qualité que celui des essais mentionnés précédemment. La composition de ce Mélange 2 est alors (tableau 7) :
Les pourcentages pondéraux des métaux et du phosphore sont exprimés hors oxygène contenu.
Pour les deux mélanges, on a comprimé sous 200 MPa, des pièces de type PS21.
La densité à cru moyenne des pièces, calculée à partir des cotes et du poids était (tableau 8):
Ces pièces crues sont ensuite frittées à 850, 900, 950 et 1000°C. Sur ces pièces, on a mesuré leur densité en % de la densité théorique, leur dureté HB et leur dureté HRB, selon le protocole décrit précédemment pour les pièces réalisées selon l'invention.
Après frittage on a obtenu les résultats suivants (tableaux 9 et 10)
L'ensemble des résultats montre que ces deux mélanges de poudres commerciales de métaux, en comparaison avec les poudres pré-alliées selon l'invention de compositions comparables, présentent :
Dans ces conditions :
La poudre selon l'invention, en particulier dans sa version additivée, est facilement granulable, ce qui permet de réaliser des segments de faible épaisseur et des fils diamantés par des procédés peu onéreux. Elle est facilement frittable en présence de diamants, que ce soit en four statique ou en four à défilement, tant à l'état de poudre qu'à l'état de granulés. Elle répond donc très bien aux problèmes posés.
Bien entendu, la poudre selon l'invention serait également utilisable avec profit pour fabriquer des outils de coupe par des procédés différents de ceux décrits.
Cette liste de références citées par le demandeur vise uniquement à aider le lecteur et ne fait pas partie du document de brevet européen. Même si le plus grand soin a été accordé à sa conception, des erreurs ou des omissions ne peuvent être exclues et l'OEB décline toute responsabilité à cet égard.