Corps abrasifs compacts
La présente invention est relative à des corps abrasifs et, en particulier; à des corps abrasifs compacts.
Les corps abrasifs compacts sont connus dans la technique et ils consistent en une masse de particules abrasives, en particulier, en particules de diamant ou de nitrure de bore cubique, liées en conglomérats durs de préférence au moyen d'une matrice de liaison appropriée, habituellement un métal. La teneurs en particules abrasives de corps compacts est d'au moins 50 %
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Des matrices de liaison qui conviennent sont, par exemple, le cobalt, le fer, le nickel, le platine, le titane, le chrome, le tantale et des alliages contenant un ou plusieurs de ces métaux.
Lorsque les particules abrasives des corps compacts sont faites de diamant ou de nitrure de bore cubique, le corps compact est fabriqué dans des conditions de température et de pression auxquelles les particules sont cristallographiquement stables. De telles conditions sont bien connues dans la technique. On préfère que la matrice, lorsqu'il en est utilisé une, soit capable de dissoudre les particules abrasives au moins dans une mesure limitée. Avec de telles matrices, il
se produit une certaine proportion d'intercroissance entre les particules durant la fabrication du corps compact.
Les corps abrasifs compacts sont liés à un
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de tungstène cémenté et ils sont ensuite utilisés pour des opérations de coupe, de meulage et d'abrasion analogues. La liaison du corps abrasif compact sur un support peut être réalisée au moyen d'une brasure à basse température. Cependant, une telle brasure n'est pas très efficace. Une autre proposition consiste à utiliser un procédé à l'hydrure de titane/soudure, mais les conditions de ce procédé conduisent inévitablement à la détérioration des particules abrasives du corps compact.
Comme autre variante vis-à-vis de la brasure,
il a été proposé de produire une liaison in situ entre un corps compact à base de diamant ou de nitrure de bore cubique et un support de carbure de tungstène cémenté durant la fabrication du corps compact par infiltration du métal de liaison provenant du support de carbure de tungstène dans la couche de diamant ou de nitrure de bore cubique.
Suivant la présente invention, un corps abrasif compact comprenant des particules de diamant ou de nitrure de bore cubique ou un de leurs mélanges, présentes en pro-
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dur, et présentant une couche de métal liée à au moins une de leurs surfaces, se caractérise en ce que ce métal est un métal de brasure à haute température apte à mouiller le corps abrasif compact, ce dernier étant sensiblement exempt de particules abrasives détériorées.
Le corps abrasif compact peut aisément être lié à un support par liaison de la couche du métal de brasure à haute température au support au moyen d'une brasure appropriée à basse température, comme un bronze.
Le résultat est une liaison très efficace entre le corps compact et le support, cette liaison présentant une ré-
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l'utilisation d'une brasure à basse température seule.
Les corps compacts peuvent présenter diverses formes et la couche de métal de brasure à haute température est liée à la surface du corps compact qui doit être fixé sur le support. Les corps compacts se présentent fréquemment sous la forme d'un segment de cercle et, dans ce cas, il est courant de fixer la couche de métal de brasure à haute température sur une des surfaces planes principales du segment. A titre d'exemple, la figure 1 des dessins annexés illustre un tel segment. Dans la figure 1, le corps compact est représenté en 10 et la couche de métal de brasure à haute température en 12.
Le métal de brasure à haute température comprend aussi bien des métaux purs que des alliages. En vue de réaliser une liaison efficace entre la couche
et le corps compact, le métal est choisi de façon qu'il soit apte à mouiller le corps abrasif compact, c'est-àdire, apte à mouiller les particules abrasives du corps compact ou à mouiller ou à former un alliage avec la matrice de liaison du corps compact, lorsqu'une telle matrice est présente.
Des métaux de brasure à haute température qui conviennent comprennent un métal de transition comme le titane, le nickel, le cobalt, le fer, le chrome, le manganèse, le vanadium, le molybdène, le tantale ou le platine ou un alliage contenant un ou plusieurs de ces métaux de transition. Des métaux particulièrement préférés sont le titane et des alliages de titane comme des alliages cuivre/titane et cuivre/étain/titane.
L'épaisseur de la couche peut varier d'après le procédé par lequel la couche est appliquée sur le corps compact. Cependant, la couche a généralement une épaisseur inférieure à 0,5 mm.
Comme mentionné plus haut, le corps compact de l'invention se caractérise également par le fait qu'il est sensiblement exempt de particules abrasives détériorées. Ceci signifie que le corps compact est sensiblement exempt de graphite;. résultant de la détérioration du diamant, et de nitrure de bore hexagonal résultant de la détérioration du nitrure de bore cubique. Lorsqu'on réalise la liaison entre le métal de brasure
à haute température et le corps compact, il est important de s'assurer que la détérioration du corps compact suivant cette voie est inhibée.
Les particules abrasives présentes dans le corps compact sont constituées de diamant, de nitrure de bore cubique ou d'un de leurs mélanges. Il est préférable que la matrice de liaison, lorsqu'elle est utilisée, soit une matrice agissant comme solvant des particules abra-sives. Avec une telle matrice de liaison, il peut se produire une intercroissance entre les particules si des conditions de température et de pression auxquelles les particules sont cristallographiquement stables sont employées durant la fabrication du corps compact. Les solvants du diamant sont bien connus dans la technique et ils comprennent le cobalt, le nickel et le fer, et des alliages contenant un ou plusieurs de ces métaux.
Les solvants du nitrure de bore cubique sont également bien connus dans la technique et ils comprennent l'aluminium, le plomb, l'étain, le magnésium et le lithium et des alliages contenant un ou plusieurs de ces métaux.
Les corps abrasifs compacts de l'invention peuvent être fabriqués par formation d'un mélange des particules abrasives et d'une matrice de liaison en poudre, en plaçant le mélange en contact avec une couche de métal de brasure à haute température et en soumettant le mélange et la couche à des conditions de température et de pression élevées du domaine cristallographiquement stable des particules abrasives convenant pour la formation d'un corps compact à partir de ce mélange. Ce procédé constitue une autre forme de réalisation de l'invention. Comme mentionné plus haut, les conditions de stabilité cristallographique du diamant et du nitrure de bore cubique sont bien connues dans la technique et la figure 3 des dessins annexés illustre ces conditions.
La région stable du diamant est au-dessus de la ligne A et la région stable du nitrure de bore cubique est au-dessus de la ligne B.
Le métal de brasure à haute température peut se présenter sous la forme de poudre ou sous la forme d'une feuille mince. L'épaisseur de la couche de poudre ou de la feuille est généralement inférieure à 0,5 mm. Ce procédé permet de former simultanément le corps compact et la liai'son entre la couche de métal de brasure et une surface du corps compact. Une liaison très efficace entre le métal de brasure et le corps compact est obtenue.
Un autre procédé de formation du corps compact de l'invention, procédé qui constitue une autre forme de réalisation de l'invention, comprend le dépôt d'une couche de métal de brasure à haute température sur une surface d'un corps abrasif compact comprenant des particules de diamant ou de nitrure de bore cubique ou un de leurs
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volume, liées en conglomérat dur et soumises à la totalité du traitement thermique dans des conditions auxquelles la détérioration des particules abrasives est inhibée pour réaliser la liaison de la couche avec le corps compact. La détérioration des particules abrasives peut être inhibée en procédant au traitement thermique à une température non supérieure à 800[deg.]C, en atmosphère inerte. L'atmosphère inerte peut être constituée d'un gaz inerte tel que l'argon ou le néon, ou on peut établir un vide
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une variante, on peut procéder au traitement thermique sous une pression convenant pour réaliser les conditions de la région cristallographiquement stable des particules abrasives.
On peut procéder au dépôt de la couche de métal de brasure sur la surface du corps abrasif compact en utilisant des techniques connues, de préférence, de dépôt sous vide. Dans le cas du dépôt sous vide, l'épaisseur de la couche se situe généralement entre des limites de 0,1 à 0,5 micron.
Le corps abrasif compact de l'invention peut être lié à un support tel qu'une barre pour former un outil ou il peut être lié à un support qui convient comme un support de carbure de tungstène cémenté. La liaison peut être réalisée en fixant la couche de métal de brasure à haute température sur le support par l'emploi d' un métal de brasure à basse température.
Dans le cas de supports tels que des supports de carbure de tungstène cémenté, ceux-ci peuvent être fixés in situ aux corps abrasifs compacts par le premier procédé décrit plus haut,, en plaçant le support formé ou un mélange en poudre apte à produire le support en contact avec le métal de brasure et en soumettant l'ensemble aux conditions de température et de pressicn décrites plus haut. La figure 2 des dessins annexés illustre un corps compact de l'invention lié à un support de carbure de tungstène. Dans cette figure, le corps compact est représenté en 14, la couche de métal de brasure à haute température en 16 et le support de carbure de tungstène en 18. En général, le support de carbure de tungstène est d'un volume considérablement plus important que celui du corps compact.
Les exemples non limitatifs qui suivent illustrent l'invention.
EXEMPLE 1
Un corps compact à base de diamant, consistant en 80 % en volume de particules de diamant et 20 % en volume de cobalt comme liant, est préparé en utilisant des techniques classiques. Le corps compact se présente sous la forme d'un segment de cercle, comme illustré à la figure 1. Une couche mince (épaisse d'environ 0,5 �) de titane est déposée sur une des surfaces planes principales du corps compact par des techniques classiques de dépôt sous vide. Le corps compact, avec la couche de titane, est ensuite traité à chaud à une température d' environ 500[deg.]C pendant 15 minutes sous un vide de 10-4 mm de mercure. Le corps compact est ensuite fixé à un support de carbure de tungstène en fixant la couche de titane au support par l'utilisation d'une brasure à basse température du commerce. On obtient une très bonne liaison entre le support et le corps compact.
EXEMPLE 2
On place ce qui suit dans la capsule de réaction d'un appareil classique à hautes température/pression :
un support de carbure de tungstène en contact avec une couche mince (épaisseur de 100 �) de titane métallique et un mélange de cobalt en poudre et de particules de diamant sur la couche de titane. Le cobalt en poudre <EMI ID=7.1>
en volume. La capsule est placée dans la zone de réaction d'un appareil classique à hautes température/pression et la pression est élevée à environ 55 kilobars tandis que
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de température et de pression sont maintenues pendant une durée suffisante pour permettre la formation d'un corps compact à partir du mélange diamant/cobalt. On laisse ensuite la température et la pression revenir aux valeurs ambiantes. On récupère dans la capsule de réaction un corps abrasif consistant en un corps compact à base de diamant lié à un support de carbure de tungstène par une mince couche de titane. Le corps compact est fermement fixé au support. Le corps est un disque circulaire qui est découpé en segments du type représenté dans la figure 2 en utilisant des techniques classiques de découpage. EXEMPLE 3
Un corps compact cobalt/diamant est préparé de façon classique. La teneur en diamant du corps compact
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Une couche ce nickel d'une épaisseur de 0,5 � est déposée sur une surface plane principale du corps compact en utilisant des techniques classiques de dépôt sous vide. Le corps compact portant la couche de nickel est ensuite traité à chaud pendant une durée de 2 heures à 800[deg.]C
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Compact abrasive bodies
The present invention relates to abrasive bodies and, in particular; to compact abrasive bodies.
Compact abrasive bodies are known in the art and consist of a mass of abrasive particles, in particular diamond or cubic boron nitride particles, bonded into hard conglomerates preferably by means of a suitable bonding matrix, usually a metal. The content of abrasive particles in compacts is at least 50%
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Suitable bonding matrices are, for example, cobalt, iron, nickel, platinum, titanium, chromium, tantalum and alloys containing one or more of these metals.
When the abrasive particles of compacts are made of diamond or cubic boron nitride, the compact is manufactured under conditions of temperature and pressure at which the particles are crystallographically stable. Such conditions are well known in the art. It is preferred that the matrix, when one is used, is capable of dissolving abrasive particles at least to a limited extent. With such matrices it
a certain amount of intergrowth between the particles occurs during the manufacture of the compact body.
The compact abrasive bodies are linked to a
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of cemented tungsten and then used for similar cutting, grinding and abrasion operations. The bonding of the compact abrasive body to a support can be achieved by means of low temperature solder. However, such a solder is not very effective. Another proposal is to use a titanium hydride / solder process, but the conditions of this process inevitably lead to deterioration of the abrasive particles of the compact.
As another variant with respect to solder,
it has been proposed to produce an in situ bond between a diamond or cubic boron nitride compact and a cemented tungsten carbide support during manufacture of the compact by infiltration of the bond metal from the carbide support. tungsten in the diamond layer or cubic boron nitride.
According to the present invention, a compact abrasive body comprising particles of diamond or cubic boron nitride or a mixture thereof present in the present invention.
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hard, and having a layer of metal bonded to at least one of their surfaces, is characterized in that this metal is a high temperature brazing metal capable of wetting the compact abrasive body, the latter being substantially free of deteriorated abrasive particles.
The compact abrasive body can easily be bonded to a backing by bonding the layer of the high temperature solder metal to the backing using a suitable low temperature solder, such as bronze.
The result is a very efficient connection between the compact body and the support, this connection having a re-
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the use of a low temperature solder alone.
The compacts can have various shapes and the high temperature solder metal layer is bonded to the surface of the compact to be fixed to the holder. Compacts are frequently presented in the form of a segment of a circle, and in this case it is common to attach the layer of high temperature solder metal to one of the major planar surfaces of the segment. By way of example, FIG. 1 of the accompanying drawings illustrates such a segment. In Figure 1, the compact body is shown at 10 and the layer of high temperature solder metal at 12.
The high temperature solder metal includes both pure metals and alloys. In order to achieve an effective bond between the layer
and the compact body, the metal is chosen so that it is able to wet the compact abrasive body, that is to say, able to wet the abrasive particles of the compact body or to wet or form an alloy with the matrix of binding of the compact body, when such a matrix is present.
Suitable high temperature solder metals include a transition metal such as titanium, nickel, cobalt, iron, chromium, manganese, vanadium, molybdenum, tantalum or platinum or an alloy containing one or more several of these transition metals. Particularly preferred metals are titanium and titanium alloys such as copper / titanium and copper / tin / titanium alloys.
The thickness of the layer may vary depending on the method by which the layer is applied to the compact body. However, the layer generally has a thickness of less than 0.5 mm.
As mentioned above, the compact body of the invention is also characterized by being substantially free from deteriorated abrasive particles. This means that the compact body is substantially free of graphite ;. resulting from deterioration of diamond, and hexagonal boron nitride resulting from deterioration of cubic boron nitride. When making the bond between the solder metal
at high temperature and compact body, it is important to ensure that deterioration of compact body along this path is inhibited.
The abrasive particles present in the compact body consist of diamond, cubic boron nitride or a mixture thereof. It is preferable that the binding matrix, when used, is a matrix acting as a solvent for abrasive particles. With such a binding matrix, intergrowth between the particles can occur if conditions of temperature and pressure at which the particles are crystallographically stable are employed during manufacture of the compact. Solvents for diamond are well known in the art and include cobalt, nickel and iron, and alloys containing one or more of these metals.
Solvents for cubic boron nitride are also well known in the art and include aluminum, lead, tin, magnesium and lithium and alloys containing one or more of these metals.
The compact abrasive bodies of the invention can be made by forming a mixture of the abrasive particles and a powdered bonding matrix, placing the mixture in contact with a layer of high temperature solder metal and subjecting the mixture to mixing and coating at elevated temperature and pressure conditions of the crystallographically stable range of abrasive particles suitable for the formation of a compact from this mixture. This method constitutes another embodiment of the invention. As mentioned above, the conditions for crystallographic stability of diamond and cubic boron nitride are well known in the art and Figure 3 of the accompanying drawings illustrates these conditions.
The stable region of diamond is above line A and the stable region of cubic boron nitride is above line B.
The high temperature solder metal may be in the form of powder or in the form of a thin sheet. The thickness of the powder layer or the sheet is generally less than 0.5 mm. This process allows the compact body to be formed simultaneously and the bond between the layer of solder metal and a surface of the compact body. A very efficient bond between the solder metal and the compact body is obtained.
Another method of forming the compact body of the invention, which method constitutes another embodiment of the invention, comprises depositing a layer of high temperature solder metal on a surface of a compact abrasive body comprising particles of diamond or cubic boron nitride or one of their
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bulk, bonded in a hard conglomerate and subjected to the entire heat treatment under conditions in which deterioration of the abrasive particles is inhibited to achieve bonding of the layer to the compact body. The deterioration of the abrasive particles can be inhibited by carrying out the heat treatment at a temperature not higher than 800 [deg.] C, in an inert atmosphere. The inert atmosphere can consist of an inert gas such as argon or neon, or a vacuum can be established.
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Alternatively, the heat treatment can be carried out under a pressure suitable to achieve the conditions of the crystallographically stable region of the abrasive particles.
The solder metal layer can be deposited on the surface of the compact abrasive body using known techniques, preferably vacuum deposition. In the case of vacuum deposition, the layer thickness is generally between limits of 0.1 to 0.5 microns.
The compact abrasive body of the invention can be bonded to a backing such as a bar to form a tool or it can be linked to a suitable backing such as a cemented tungsten carbide backing. The bond can be achieved by fixing the layer of high temperature solder metal to the support by the use of low temperature solder metal.
In the case of supports such as cemented tungsten carbide supports, these can be fixed in situ to the compact abrasive bodies by the first method described above, by placing the support formed or a powder mixture capable of producing the support in contact with the solder metal and subjecting the assembly to the temperature and pressure conditions described above. Figure 2 of the accompanying drawings illustrates a compact body of the invention bonded to a tungsten carbide support. In this figure, the compact body is shown at 14, the high temperature brazing metal layer at 16, and the tungsten carbide carrier at 18. In general, the tungsten carbide carrier is of considerably larger volume. than that of the compact body.
The nonlimiting examples which follow illustrate the invention.
EXAMPLE 1
A diamond compact, consisting of 80% by volume of diamond particles and 20% by volume of cobalt as a binder, is prepared using conventional techniques. The compact body is in the form of a segment of a circle, as shown in Figure 1. A thin layer (about 0.5 ép thick) of titanium is deposited on one of the main flat surfaces of the body. compact by conventional vacuum deposition techniques. The compact body, with the titanium layer, is then heat treated at a temperature of about 500 [deg.] C for 15 minutes under a vacuum of 10-4 mm Hg. The compact body is then attached to a tungsten carbide backing by securing the titanium layer to the backing using commercial low temperature solder. A very good bond is obtained between the support and the compact body.
EXAMPLE 2
The following is placed in the reaction capsule of a conventional high temperature / pressure apparatus:
a tungsten carbide support in contact with a thin layer (thickness 100) of metallic titanium and a mixture of powdered cobalt and diamond particles on the titanium layer. Cobalt powder <EMI ID = 7.1>
in volume. The capsule is placed in the reaction zone of a conventional high temperature / pressure apparatus and the pressure is raised to about 55 kilobars while
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temperature and pressure are maintained for a sufficient time to allow the formation of a compact from the diamond / cobalt mixture. The temperature and pressure are then allowed to return to ambient values. An abrasive body consisting of a diamond-based compact bonded to a tungsten carbide support by a thin layer of titanium is recovered from the reaction capsule. The compact body is firmly attached to the holder. The body is a circular disc which is cut into segments of the type shown in Figure 2 using conventional cutting techniques. EXAMPLE 3
A cobalt / diamond compact body is prepared in a conventional manner. The diamond content of the compact body
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One layer this nickel with a thickness of 0.5 � is deposited on a major planar surface of the compact body using conventional vacuum deposition techniques. The compact body carrying the nickel layer is then heat treated for a period of 2 hours at 800 [deg.] C
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