Elaboration de gradients de composition continue dans des taillants PDC

International audienceCemented carbides are composites which possess an excellent compromise between hardness and toughness. For years, to improve one property without decreasing the other one, the concept of graduated structure was widely studied. In this work, we present a process to create one-step continuous gradients of several millimetres within WCCo cermet, by the imbibition method. This process was applied on commercial drilling bit. The effects of this thermal processing are analysed in term of microhardness, cobalt concentration and grains size. The results obtained on PDC drill cutter show gradients of 540HV in WC-Co bit and 350HV in bit covered by the polycrystalline diamond layer. Such gradients have never been reported before to our knowledge

Reactive imbibition of WC-Co substrate for PDC cutters used in oil and gas and mining drilling

International audienceCemented carbides are used in rock drilling for mining tools and wear resistant parts. These composite materials possess an excellent compromise between hardness and toughness. Nowadays, the concept of graded structure is widely studied to improve these two properties simultaneously, and so to increase the service life of drilling tools. A continuous composition gradient on several millimetres is generated in commercial WC-Co substrate for PDC cutters by using Reactive Imbibition method. The effects of this process are analysed in terms of microhardness, cobalt concentration and WC grain size. A continuous gradient of about 300HV on 8mm-height substrate is obtained in one-step by imbibition process into combination with a boron-rich coating deposed on its free surface. In part, this gradient of hardness and its shape are preserved after HPHT (high pressure-high temperature) process that is used for the diamond table deposition on the WC-Co substrate. Such gradient must significantly increase the cutter service life

Wear mechanisms of WC-Co drill bit inserts against alumina counterface under dry friction: Part 2 — Graded WC-Co inserts

The tribological behaviour of innovative graded cemented carbide inserts were studied by using a rotary tribometer and abrasive alumina counterfaces. This work completes the study made on commercial inserts with homogeneous cobalt content. Inserts with three types of graduation processes were considered: inserts with borides WCoB phases, imbibed inserts and inserts combining both processes (i.e. inserts with reactive imbibition). Physicochemical and mechanical measurements show that the WCoB phases increase the hardness towards the active surface and the imbibition increases the insert core fracture toughness. The wear tests indicate that the boride phases lower the friction coefficient. In addition, as for the commercial inserts, cemented carbide volumes with higher cobalt content also reduce the friction coefficient. Concerning the wear results, the boride phases improve the abrasion resistance. By applying a third body approach, the WCoB phases limit the introduction of cobalt binder in the source flow, the cohesion of alumina particles in the internal flow and the formation of an abrasive paste in the contact. The imbibition process, where the cobalt migration is controlled, does not affect the wear resistance by avoiding a cobalt enrichment of the cemented carbide near the active surface

Établissement d’un critère de qualité des taillants diamant/WC-Co pour l’excavation de formations rocheuses

Sous des conditions géologiques extrêmes, les outils de forage composés d’inserts en diamant polycristallins (PDC) sont particulièrement intéressants au vu de leur performance de coupe [1]. La qualité des matériaux innovants utilisés pour la fabrication de ces outils PDC doit être déterminée avec précision par la mesure de leur efficacité de coupe et de leur résistance à l’usure. Un banc d’usure (tour) composé de roches formées par un mortier spécifique a été utilisé pour réaliser les expériences de cette étude. Durant les essais, des inserts PDC ont été usés sur une distance d’abrasion supérieure à 15 km avec un effort normal moyen compris entre 3000 et 5000 N, une vitesse de coupe autour de 1,8 m.s-1 et une profondeur de coupe de 2 mm. Les analyses sont basées sur des modèles établissant des relations couplées entre les efforts de coupe et de frottement reliées aux mécanismes d’excavation réalisés par les outils de coupe [2]. Dans cette étude, les modèles sont implémentés dans le but d’évaluer l’efficacité de coupe et pour estimer la durée de vie de ces inserts diamantés. Les inserts testés ont révélés des taux d’usure [3] compris entre 1·10-8 et 16·10−8 mm3·N-1·m-1 et des efficacités de coupe à 10 km évaluées entre 31 et 55 %. Une approche originale est ensuite développée pour établir analytiquement un critère de qualité globale d’un taillant, tenant compte à la fois de son comportement tribologique (résistance à l’usure) et de ses capacités d’excavation (efficacité de coupe). Une hiérarchie clairement marquée a été révélée sur les différents taillants étudiés. Les variations de composition des matériaux et des méthodes de production distinctes utilisées pour la mise en œuvre des échantillons en sont à l’origine

Elaboration de carbures cémentés à gradient de propriétés par imbibition réactive : Application aux inserts d’outils tricône pour le forage pétrolier et minier

Les carbures cémentés sont très utilisés dans l’industrie du forage pétrolier et minier, et dans l’usinage en tant que pièces résistantes à l’abrasion et à l’impact. En effet, ces matériaux possèdent un excellent compromis entre dureté et ténacité. Cependant, des conditions de plus en plus sévères, comme le forage profond pour l’industrie pétrolière et haute température pour la géothermie, rendent nécessaire le développement de tels matériaux encore plus performants. Ils doivent être à la fois plus tenaces mais également résister à des usures abrasives toujours plus sévères. Afin d’améliorer ces deux propriétés antagonistes, l’idée la plus simple est de conserver les mêmes constituants dont les propriétés intrinsèques restent intéressantes puis d’introduire dans ce matériau un gradient de composition, i.e. un gradient de phase liante. Dans le domaine des carbures cémentés, l’intérêt de ce concept a été démontré dès les années 70, avant même le foisonnement d’études dix ans après pour les matériaux FGMs (Functionally Graded Materials) impulsé par le Japon. Depuis, de nombreux travaux ont concerné l’élaboration et la caractérisation de tels matériaux FGMs qui dépassent largement le cadre des carbures cémentés mais sont le plus souvent issus de la famille des cermets et des alliages lourds (Heavy alloys). Toutefois, peu de matériaux à gradient de composition ont été industrialisés. Les principales limitations des premiers procédés de gradation des carbures cémentés étaient la formation de structures graduelles sur de trop faibles distances (inférieures au mm), leur mise en œuvre délicate par certaines techniques issues du frittage conventionnel ou encore la formation de défauts métallurgiques (présence de phases η-M6C) compromettant le bénéfice apporté par la gradation. Les travaux présentés ici concernent le procédé d’imbibition réactive actuellement développé par Armines/Centre des Matériaux Mines-ParisTech et la société Varel Europe qui est l’un des derniers outilleurs français installé près de Tarbes. Ce procédé peut être décomposé en deux procédés de gradation, à savoir : l’imbibition et le revêtement réactif. Le rôle de l’imbibition est d’enrichir graduellement en phase liante et en volume le cœur d’une pièce en carbure cémenté dense. Quant au revêtement réactif, son rôle est de venir durcir graduellement la surface de ce même matériau à l’aide d’une fine précipitation de borures ternaires, aux dépens de la phase liante et des carbures WC, sur également des profondeurs millimétriques. Le procédé d’imbibition réactive décrit ci-dessus est le seul procédé de gradation connu à ce jour permettant de générer des gradients continus de plusieurs centaines de HV sur des dizaines de millimètres. Dans le cas de pièces industrielles (inserts tricône et taillants PDC (Polycrystalline Diamond Compact)), les gradients de dureté obtenus sont de l’ordre de 450 HV sur 25 mm. Ces différentes parties actives des deux principaux outils de forage (tricône et PDC) ont montré une hausse très significative de leurs performances en laboratoire après traitement par imbibition réactive. Leurs résistances à l’abrasion présentent une augmentation de l’ordre de 30 à 100% par rapport à des outils non gradués. De même, leurs résistances à l’impact s’avèrent supérieures en moyenne à 20% mais peuvent être au maximum de 40% pour certaines configurations. Des essais chantiers sont en cours et les premiers résultats sont encourageants

Quality and wear behavior of graded polycrystalline diamond compact cutters.

The wear behavior of conventional and graded polycrystalline diamond compact cutters was studied using a vertical lathe with mortar counterfaces. Different cutters were considered regarding to their diamond grain size and the high pressure and the high temperature conditions of the manufacturing process (HPHT). On the base of these cutters, a cobalt graduation process was performed on the WC–Co substrates by reactive imbibition. A quality factor developed in previous studies was calculated to evaluate cutters wear performances. The results showed that a controlled HPHT process can act on the wear resistance certainly by improving the diamond grain boundary cohesion. Unexpectedly, the diamond granulometry appeared to be a secondary factor influencing the wear resistance. The reactive imbibition clearly increased the wear resistance, even for cutters with coarse diamond grains (i.e. potentially impact resistant). Finally, a third body approach describes that the quartz particles detached from the mortar rock realizes abrasive scratches on the cutters wear flat. When the wear flat reaches the substrate, the formation of voids in the contact, associated with the trapping of abrasive particles, rises the wear kinetic. As a secondary mechanism, Raman spectroscopy measurements highlighted tribological transformed structures by the formation of graphite and amorphous carbon on the diamond worn surfaces

Independent analyses of cutting and friction forces applied on a single polycrystalline diamond compact cutter

This paper presents an analysis of the excavation forces involved in the cutting action and in the friction of a cutter/rock contact. A vertical lathe-type device provided data on the forces applied on a single cutter under dry excavation conditions. A cutting device was used to perform cutting experiments with unworn and worn cutters. A tribometer was used to perform friction tests on the cutters wear flat previously realized with the vertical lathe. The experiments display results conform to the literature as the non-dependence of the cutting coefficient to the rock properties. Then, this study focuses on the cutting forces and explains that these forces include a component of rock shearing and impact friction. The impact friction is induced by the interaction between ejected rock particles and the cutting active area. The evidence of this impact friction is then brought by the formation of an eroded zone on the cutting active area

Elaboration de carbures cémentés à gradient de propriétés par imbibition réactive : application au forage pétrolier

Les carbures cémentés sont très utilisés dans l’industrie du forage pétrolier et minier, et dans l’usinage en tant que pièces résistantes à l’abrasion et à l’impact. En effet, ces matériaux possèdent un excellent compromis entre dureté et ténacité. Cependant, des conditions de plus en plus sévères, comme le forage profond pour l’industrie pétrolière et haute température pour la géothermie, rendent nécessaire le développement de tels matériaux encore plus performants. Ils doivent être à la fois plus tenaces mais également résister à des usures abrasives toujours plus sévères. Afin d’améliorer ces deux propriétés antagonistes, l’idée la plus simple est de conserver les mêmes constituants dont les propriétés intrinsèques restent intéressantes puis d’introduire dans ce matériau un gradient de composition, i.e. un gradient de phase liante. Dans le domaine des carbures cémentés, l’intérêt de ce concept a été démontré dès les années 70, avant même le foisonnement d’études dix ans après pour les matériaux FGMs (Functionally Graded Materials) impulsé par le Japon. Depuis, de nombreux travaux ont concerné l’élaboration et la caractérisation de tels matériaux FGMs qui dépassent largement le cadre des carbures cémentés mais sont le plus souvent issus de la famille des cermets et des alliages lourds (Heavy alloys). Toutefois, peu de matériaux à gradient de composition ont été industrialisés. Les principales limitations des premiers procédés de gradation des carbures cémentés étaient la formation de structures graduelles sur de trop faibles distances (inférieures au mm), leur mise en oeuvre délicate par certaines techniques issues du frittage conventionnel ou encore la formation de défauts métallurgiques (présence de phases η-M6C) compromettant le bénéfice apporté par la gradation. Les travaux présentés ici concernent le procédé d’imbibition réactive actuellement développé par Armines/Centre des Matériaux Mines-ParisTech et la société Varel Europe qui est l’un des derniers outilleurs français installé près de Tarbes. Ce procédé peut être décomposé en deux procédés de gradation, à savoir : l’imbibition et le revêtement réactif. Le rôle de l’imbibition est d’enrichir graduellement en phase liante et en volume le coeur d’une pièce en carbure cémenté dense. Quant au revêtement réactif, son rôle est de venir durcir graduellement la surface de ce même matériau à l’aide d’une fine précipitation de borures ternaires, aux dépens de la phase liante et des carbures WC, sur également des profondeurs millimétriques. Le procédé d’imbibition réactive décrit ci-dessus est le seul procédé de gradation connu à ce jour permettant de générer des gradients continus de plusieurs centaines de HV sur des dizaines de millimètres. Dans le cas de pièces industrielles (inserts tricône et taillants PDC (Polycrystalline Diamond Compact)), les gradients de dureté obtenus sont de l’ordre de 450 HV sur 25 mm. Ces différentes parties actives des deux principaux outils de forage (tricône et PDC) ont montré une hausse très significative de leurs performances en laboratoire après traitement par imbibition réactive. Leurs résistances à l’abrasion présentent une augmentation de l’ordre de 30 à 100% par rapport à des outils non gradués. De même, leurs résistances à l’impact s’avèrent supérieures en moyenne à 20% mais peuvent être au maximum de 40% pour certaines configurations. Des essais chantiers sont en cours et les premiers résultats sont encourageants

Gradation process by imbibition in WC-Co for mining tools application

International audienceContinuous composition gradients of several millimetres were generated in commercial WC-Co cutters to improve their shock resistance. This important gradation was obtained in one-step by using the imbibition process. The effects of this thermal processing were analysed in terms of microhardness, cobalt concentration and WC grain size. A gradient of a 300 HV amplitude is measured in the 8 mm-height sample treated by the imbibition process in association with a boron-rich coating. This gradient was preserved after the HPHT (high pressure – high temperature) step used for the diamond table deposition on the WC-Co cutter. To our knowledge, such gradients have never before been reported and should certainly increase cutter service life