Applications du diamant polycristallin PCD

Le diamant polycristallin, communément appelé PCD dans l’industrie, est un matériau ultra-dur formé par frittage d’un grand nombre de grains de diamant fins sous haute température et haute pression. Il conserve la dureté quasi maximale et la résistance à l’usure du diamant, tandis que ses cristallites orientées aléatoirement l’empêchent de se cliver le long d’un plan cristallographique spécifique en gros fragments cohérents, comme le diamant monocristallin a tendance à le faire. C’est précisément pour cette raison qu’il est fabriqué en dents de coupe, outils et divers composants résistants à l’usure, trouvant des applications dans des industries apparemment sans rapport telles que l’extraction pétrolière, l’exploitation minière, la transformation de la pierre et l’usinage. Lorsque ces scénarios sont reliés entre eux, ils forment précisément une image complète des applications du diamant polycristallin (PCD).

Forage pétrolier et gazier: l’apogée du diamant polycristallin

Dans le forage pétrolier et gazier, la forme la plus courante de diamant polycristallin est la dent de coupe PDC. PDC est l’abréviation de compact de diamant polycristallin, qui fritte une couche de diamant polycristallin sur un substrat en alliage dur de carbure de tungstène, permettant à une couche de travail en diamant tranchante de racler la roche, tout en s’appuyant sur l’alliage dur sous-jacent pour fournir un support et une interface de brasage. Ces trépans à couteaux fixes sont utilisés dans les puits de pétrole et de gaz de réservoirs compacts, les puits de gaz de schiste, les formations interlitées et le forage en mer profonde pour cisailer en continu la roche au fond du puits, plutôt que de la broyer à plusieurs reprises par un cône. Comme ces conditions sont souvent abrasives et dures, le fait que les dents de coupe puissent encore garder l’arête de coupe tranchante après un long forage détermine directement le métrage et la fréquence de manœuvre du trépan.

Mines, géologie, puits et forage géothermique

En dehors du pétrole et du gaz, l’application du diamant polycristallin est également très large. Dans l’exploration géologique et le forage minier, des dents de coupe plates et en micro-arc sont montées sur des trépans d’ancrage, des carottiers et des trépans à lames pour faire face à une grande variété de lithologies allant de la roche tendre au granit et au quartzite. Les puits d’eau et géothermiques sont forés avec des trépans à lames et des trépans pilotes, et les marteaux fond de trou utilisent des dents composites sphériques, coniques et balistiques pour mâcher des formations très abrasives contenant de la silice et du quartz. Dans ces formations à forte teneur en silice, la durée de vie des dents composites en diamant du trépan à marteau fond de trou peut atteindre 5 à dix fois celle des dents en alliage dur, un écart que l’alliage dur pur a du mal à rattraper.

Découpe de la pierre et entretien routier

Le diamant polycristallin ne travaille pas seulement en fond de trou. Dans l’industrie de la pierre, des dents de coupe carrées sont utilisées pour couper le granit et le marbre sur des scies à bras à chaîne, et des dents de coupe étagées sont boulonnées sur l’équipement pour un remplacement rapide après usure. Les équipements d’entretien routier et de fraisage de chaussée s’appuient également sur lui pour améliorer la durée de vie des pièces de coupe. Ces scénarios ont un point commun : ils sont tous en contact avec des matériaux durs très abrasifs. Une fois l’outil émoussé, l’efficacité chute rapidement et le coût d’arrêt et de changement d’outil est élevé, si bien que la valeur de la résistance à l’usure est particulièrement grande.

Usinage de précision des métaux non ferreux et des non-métaux

Une autre direction facilement négligée est l’usinage. Les outils en diamant polycristallin sont souvent utilisés pour l’usinage de précision des matériaux non ferreux et non métalliques, tels que l’alliage d’aluminium, le cuivre et divers matériaux composites, et peuvent conserver des arêtes de coupe fines et lisses sur ces matériaux. Ici, pour rappeler une chose, le diamant lors de la coupe continue à haute température du fer, de l’acier et des matériaux à base de fer, de nickel ou de cobalt, subit une usure chimique et même une graphitisation, il ne convient donc pas à la coupe de l’acier, le choix du matériau doit tenir compte de l’objet à usiner.

Pourquoi le diamant polycristallin

Si vous regardez ces scénarios ensemble, vous constaterez qu’ils pointent vers la même logique : le diamant polycristallin est particulièrement apte à s’exprimer dans les conditions de travail où l’usure est la contradiction principale et où l’impact reste dans une plage contrôlable. Ses grains de diamant forment un squelette continu, après une usure locale, les grains adjacents peuvent ensuite reprendre la charge; associée à la matrice en alliage dur qui fournit un support et une surface de montage, une dent composite peut être à la fois résistante à l’usure, brasable et résistante aux chocs. Sa véritable valeur réside dans la création d’une arête de travail résistante à l’usure à un coût maîtrisé, puis dans sa fixation fiable sur l’outil, plutôt que de simplement rechercher le matériau le plus dur.

Ce qu’il faut vraiment regarder lors de la sélection

Bien sûr, le diamant polycristallin n’est pas une panacée. La dureté de la formation ou de la pièce n’est qu’un paramètre d’entrée pour la sélection, mais celle-ci dépend aussi de l’abrasivité, de la composition minéralogique, de l’intercalation, des chocs et de la température. La condition de travail à forte abrasion et faible impact convient pour placer la résistance à l’usure au premier plan, tandis que les strates interlitées à fort impact doivent d’abord garantir la stabilité de l’arête de coupe. Le véritable jugement de mise en œuvre ne peut jamais se concentrer uniquement sur un ou deux paramètres matériaux, mais il faut aussi revenir aux conditions de travail spécifiques pour faire des essais et examiner les données.