Le diamant dans le sciage circulaire des roches

PERRIER R., Mines et Carrières, Les Techniques 3/92, juin 1992, p. 83-96

    Depuis quelques décennies le diamant est devenu le principal outil de travail de la pierre, tant au niveau de la carrière que de l'atelier (sciage, moulurage, et en partie polissage), et sa conquête des parts de marché par rapport aux autres produits abrasifs n'est sans doute pas terminée.

Cette percée est due bien entendu aux propriétés particulières du diamant, notamment sa dureté et sa conductivité thermique (qui dépassent celles de tous les autres matériaux connus), mais aussi à l'abaissement des prix de vente depuis que les diamants synthétiques ont largement complété la production de diamants naturels. Si la fabrication des diamants synthétiques est encore réservée à un petit nombre d'entreprises disposant de moyens puissants, celle des outils diamantés s'est considérablement répandue dans de nombreux pays, même peu avancés. Les utilisateurs se trouvent donc confrontés à un grand nombre de produits, dont ils ignorent souvent la composition et les propriétés ; ils font généralement confiance à leurs fournisseurs pour le choix d'outils adaptés aux roches qu'ils scient.

Nous pensons rendre service aux utilisateurs qui cherchent à comprendre comment agissent les diamants d'une scie, en décrivant les propriétés des diamants, la composition des outils diamantés, les paramètres intervenant dans le sciage, et les résultats publiés sur la sciabilité des différentes roches.

1 - Les abrasifs traditionnels

Le quartz (dureté Mohs 7) est l'oxyde de silicium SiO2 ; constituant principal des sables naturels, il est employé pour le travail de la pierre depuis le Néolithique. Il existe en France quelques châssis sciant encore les pierre calcaire avec du sable de quartz.

Les grenats (dureté 6,5 à 7,5) se trouvent dans les roches de métamorphisme de contact ou de métamorphisme profond, et s'exploitent dans les sables alluviaux provenant de ces roches. Autrefois employés en forage et polissage, ils sont à peu près abandonnés.

L'alumine est l'oxyde d'aluminium Al2O3 : on la trouve à l'état naturel dans les émeris (Naxos, Turquie, Oural, Massachussets), elle constitue aussi certaines pierres précieuses (saphir, rubis, etc.). De nos jours elle est surtout produite artificiellement sous le nom de corindon par fusion au four électrique de bauxites ou d'alumine pure à 2100°C, en présence de coke et de carbonates alcalins. Les variétés les plus pures ont une dureté de 9, une couleur claire, mais sont fragiles.

Le carbure de silicium SiC, ou carborundum, est un produit artificiel découvert par Moissan en 1891, par fusion de quartz et de carbone à plus de 2000°C. D'une dureté de 9,6, il est incolore quand il est pur : plus souvent il est vert clair (variété dure et fragile, servant à l'affûtage des outils au carbure de tungstène), ou vert sombre, bleu ou noir selon les impuretés contenues. Il est encore largement employé pour les disques de sciage et meules de surfaçage (le liant est un ciment magnésien, une résine ou une porcelaine), et sous forme de sable pour le sciage au châssis.

Le carbure de bore B4C et le nitrure de bore cubique (CBN), plus durs que le carborundum, sont utilisés dans l'usinage des alliages ferreux durs, mais pas dans l'industrie de la pierre. Le CBN est synthétisé à partir de carbure de bore ordinaire dans des conditions de température et de pression voisines de celles du diamant ; on obtient des monocristaux ou des cristaux moins parfaits qui sont broyés, et parfois revêtus de nickel, pour fabriquer des meules.

Par contre la grenaille de fonte ou d'acier au manganèse n'a toujours pas été remplacée par le diamant dans le sciage des granits au châssis.

    Malgré sa rareté, le diamant était déjà connu dans l'Antiquité : les plus anciennes mines se trouvaient en Inde (Visapur, Golconde) dans le conglomérat de Panna (Précambrien du Madya Pradesh) ; les propriétés du diamant ont été décrites dès le IVe siècle avant J.C. par Kautilya dans l'Artha Sastra. Après avoir produit certains des plus célèbres diamants du monde, comme le Koh-i-Nor (186 carats) et le Grand Mogol (787 carats), l'Inde n'est plus qu'un producteur mineur. En effet elle fut remplacée par le Brésil après la découverte en 1725 des mines de Diamantina (Minas Gérais) par Leme do Prado, un prospecteur portugais qui avait vu des diamants bruts en Inde, et qui reconnut la valeur des pierres que les chercheurs d'or rejetaient comme déchets.

Puis le Brésil fut éclipsé par les découvertes d'Afrique du Sud, où quelques 50000 prospecteurs se ruèrent après la découverte de Kimberley en 1866 : c'est là que les géologues comprirent l'origine du diamant, il provient de cheminées d'explosion volcanique. En 1905 la mine Premier fournit le plus gros diamant connu, le Cullinan (3106 carats, soit 621,2 g).

Puis ce furent d'autres découvertes en Namibie, au Zaïre, au Botswana, dans l'Ouest de l'Afrique, puis en Sibérie dans les années cinquante. Récemment l'Australie est devenue le premier producteur de diamants industriels, avec la découverte du gisement d'Argyle.

Malgré la concurrence du diamant synthétique, la production de diamants naturels a augmenté de 9,48 à 17 tonnes de 1982 à 1988.

L'origine du diamant naturel est maintenant assez bien connue : il provient de roches ultrabasiques du manteau terrestre, se trouvant à des profondeurs de 150 à plus de 200 km, donc bien au dessous de la croûte terrestre. Ces roches sont remontées à travers la croûte par des cheminées volcaniques à caractère explosif (pipes), que l'on trouve remplies d'une brèche bleutée dénommée kimberlite ; le pipe de Kimberley est exploité jusqu'à plus de 1058 m de profondeur, sur un diamètre moyen de 460 m.

Les cheminées ont souvent une forme de cône ou entonnoir, et passent en profondeur à des filons. L'érosion de ces brèches a entraîné et concentré le diamant (inaltérable aux agents atmosphériques) dans des alluvions fluviatiles, où on l'exploite aussi sous forme de placers. D'autre part des diamants noirs de petite taille ont été observés dans des météorites, en particulier aux USA.

    Longtemps le diamant a été recherché comme pierre précieuse, à cause de sa dureté et de son éclat dit adamantin (indice de réfraction très élevé, et dispersion de la lumière) ; il était porté à l'état brut, jusqu'à ce qu'au XVe siècle soit découverte à Bruges la méthode de taille par clivage et de polissage par de la poussière de diamant entraînée dans un peu d'huile sur un plateau tournant. Mais dès 77 avant J.C. Pline l'Ancien avait signalé son emploi pour la gravure du verre et des pierres précieuses. Au XVe siècle il servait à la coupe du verre.

2 - L'introduction du diamant industriel

Son utilisation dans les travaux publics ne date que du percement du tunnel du Mont Cents en 1862, quand furent fabriquées par Cleschot les premières couronnes de forage ; en 1864 fut présentée à Paris une scie circulaire en fer sur laquelle des diamants de la taille d'un pois étaient sertis par forgeage. Dès 1900 on fabriquait des scies circulaires de grand diamètre (2,2 m) munies de gros diamants sertis. L'industrie pétrolière se mit à employer des couronnes diamantées vers 1930, et des outils diamantés de forage dans les années 50.

Il fallut cependant attendre encore pour voir l'emploi du diamant se généraliser dans le travail de la pierre, car le sertissage de gros diamants isolés laissait à désirer sur le plan de la robustesse : c'est l'emploi de petits diamants répartis dans une matrice de cuivre qui permit le premier développement industriel. Ensuite fut découverte la méthode d'inclusion dans une matrice frittée, beaucoup plus résistante à l'abrasion.

En 1986 l'industrie de la pierre a utilisé 10,4 tonnes de diamant, c'est à dire 26 % de l'ensemble de la production de diamants industriels (naturels et synthétiques). Le diamant intervient à tous les stades du travail des marbres et calcaires marbriers, sauf pour les dernières passes du polissage ; dans les granits, un tiers du travail est fait par le diamant, le sciage au châssis posant encore des problèmes avec les lames diamantées.

3 - Propriétés physiques du diamant

Le diamant est constitué de carbone pur, cristallisé dans le système cubique (fig. 1). A partir du cube initial on obtient assez facilement par clivage des octaèdres à faces striées (troncature 111 ) : on pense que la croissance des cristaux de diamant se produit suivant les faces de l'octaèdre, des impuretés se répartissent sur ces surfaces, ce qui facilite la rupture.

Le clivage est bien connue des diamantaires, qui découpent les gemmes naturelles plus ou moins informes en pierres plus petites de forme géométrique. Pour cela le cliveur prépare une petite encoche à un endroit soigneusement choisi, et frappe un coup sec sur une lame d'acier trempé, qui écarte les bords de l'encoche : il se crée une fracture suivant le clivage 111 ( en cas de maladresse, le diamant se rompt en plusieurs fragments). Un autre clivage, moins commun, a été observé suivant la face 110.

Cette fragilité particulière selon certaines directions (clivage 111) a une grande importance dans l'usinage par le diamant : quand cela est possible (ce ne l'est pas pour les diamants de petite taille) on s'arrange pour  que  les  efforts  soient  appliqués  sur  l'outil  diamanté perpendiculairement aux faces de l'octaèdre, et perpendiculairement aux stries.

L'étude des plans de clivage au microscope a révélé que la fracture créée par le cliveur se propage en laissant des ondulations concentriques (les lignes de Walner) et des lignes longitudinales disposées en éventail (fig. 2) ; ces dernières correspondent à des ruptures discontinues avec changement de niveau. Les clivages des diamants sans azote (classe II, voir plus loin) sont des plans très réguliers, ceux des diamants azotés (classe I) le sont beaucoup moins.

D'autres troncatures du cube se rencontrent dans les pierres naturelles, dodécaèdres (12 faces), hexaoctaèdres (48 faces), etc., on rencontre aussi des formes géométriques à faces courbes (fig. 3). Mais souvent les diamants naturels présentent des formes non géométriques qui paraissent résulter de dissolutions.

Fig. 1 - La troncature octaédrique du cube

Fig. 2 - Figures de fracture dans un diamant, dessin d'après une photographie de Wilks

 

  Fig. 3 - Formes cristallines usuelles du diamant

Les pierres pures de qualité gemme sont parfaitement transparentes, il existe souvent des impuretés (oxydes de silicium, aluminium, magnésium,  fer,  titane...),  qui provoquent diverses colorations, dont certaines sont appréciées par la joaillerie (rosés, bleus).

Les variétés trop colorées sont considérées comme diamants industriels, qui ont de nombreux emplois dans l'usinage des métaux et des matériaux durs, ainsi que dans le forage minier et pétrolier. La présence d'impuretés comme le graphite diminue la dureté, mais le groupement de plusieurs cristaux dans une pierre (assemblages polycristallins) assure une meilleure résistance au choc.

- les boarts (ce qui signifie bâtard) sont des agrégats de petits cristaux gris ou noirs ; on les broie pour faire des abrasifs,.

- les ballas, provenant du Brésil, sont des sphères à structure fibro-radiée, qui possèdent une grande ténacité,

- les carbonados sont des agrégats de microcristaux (moins de 20 µm), noirs ou gris ; légèrement poreux (densité de 3,15, au lieu de 3,51 pour le diamant cristallin), ils ne se clivent pas et résistent bien au choc. Ils sont employés dans les outils de forage et de carottage.

Les diamants synthétiques (fig. 4), qui ont des propriétés physiques similaires, sortent des presses généralement sous forme de monocristaux (cubes, cubo-octaèdres, dodécaèdres) ; depuis quelques années on sait les agglomérer sous forme d'assemblages polycristallins (PCD), auxquels on peut donner des formes de plaquettes géométriques de plus grande taille.

La dureté du diamant sur l'échelle de Mohs, qui indique la résistance relative à la rayure entre minéraux, a une valeur de 10 : le diamant raye donc tous les autres minéraux, aucun composé de synthèse n'a encore été découvert qui aurait une dureté supérieure.

    D'autres méthodes de mesure de la dureté montrent que l'échelle de Mohs est loin d'être linéaire : la méthode Rosiwal, qui procède par abrasion, et la méthode Knoop par indentation d'une pointe de diamant en forme de pyramide losangique (fig. 5), révèlent un écart beaucoup plus important entre le corindon et le diamant qu'entre tous les autres degrés de l'échelle Mohs. On notera cependant que la dureté à l'indentation (Knoop) varie selon les directions sur les faces de 560 à 1020 kilobars, ce qui tient à la plus grande facilité de certains clivages.

Cette dureté exceptionnelle s'explique par la structure cristalline (fig. 6) : elle correspond à un réseau en trois dimensions formé par un empilement compact de tétraèdres, dans lesquels chaque atome de carbone est relié à quatre atomes voisins équidistants par une liaison forte (covalence). Le graphite, forme de basse pression du carbone, est constitué au contraire de lamelles à structure hexagonale, glissant facilement les unes sur les autres, d'où une dureté apparente inférieure à celle du talc.

Fig. 4 - Diamants naturels à gauche, et synthétiques à droite

   

Fig. 5 - Comparaison des échelles de dureté Mohs (rayure), Rosiwal (abrasion) et Knoop (indentation)

Fig. 6 - Structure comparée du graphite et du diamant

La densité est de 3,51, l'indice de réfraction de 2,42 (comparer à celui du verre ordinaire qui est de 1,52). La tension superficielle est élevée, le diamant n'est pas mouillé par l'eau ni par la plupart des métaux fondus ; par contre il se colle aux corps gras, d'où l'emploi de graisses pour le retenir dans les goulottes des prospecteurs.

Les propriétés mécaniques ont été beaucoup étudiées par les chercheurs, car le diamant est un produit irremplaçable pour certaines applications (domaine des hautes pressions et usinage des matériaux de haute dureté en particulier).

La résistance à la compression statique s'étend de 35 à 94 kilobars selon la taille des diamants, les plus petits étant les plus résistants, ce qui s'explique par la chance plus faible que l'on a de rencontrer des défauts quand la taille diminue.

La résistance à la compression dynamique (ou résistance au choc) a été étudiée par l'impact d'un barreau de carbure de tungstène, projeté par un canon à gaz, sur des cubo-octaèdres de diamant synthétique (Feng et Field, 1989) : ces valeurs (55 à 111 kb) sont à peine supérieures à celles de la compression statique (fig. 7), ce qui signifie que la fracture du diamant est presque insensible à la nature du milieu environnant, contrairement aux roches, aux verres et aux céramiques : ces derniers matériaux ont une résistance nettement diminuée aux faibles vitesses de charge, spécialement en présence de l'eau, qui favorise la propagation des fractures. Ces résultats ont pour nous une grande importance pratique, puisqu'il est montré que les diamants de petite taille sont les plus résistants, en charge statique comme à l'impact : les valeurs mesurées pour des diamants synthétiques de granulométrie usuelle en sciage sont de loin supérieures à celles des roches, dont les plus résistantes ne dépassent pas 3 kb en charge statique.

Fig. 7 - Résistance à la compression (statique et dynamique) de diamants industriels (d'après Feng et Field, 1989)

    Plus communément la friabilité, autre expression de la résistance au choc, est mesurée par les impacts répétés d'une bille d'acier sur une charge de diamants de 0,4 g placée dans un tube d'acier ; cette friabilité intervient dans le classement des diamants synthétiques en différents grades.

Les propriétés thermiques du diamant sont également particulières : son coefficient de dilatation est très faible (environ 1.10-6/K) comparé à celui des métaux (9 à 16 pour les aciers, 17 pour le cuivre), mais il existe des matériaux à dilatation plus faible, comme le verre de silice (0,5) et le silicate de titane (0,03). Il peut donc se poser des problèmes de dilatation différentielle entre le diamant et le liant des outils : à haute température le diamant est moins bien maintenu par la matrice métallique.

    Sa conductivité thermique est extraordinairement élevée (600 à 2100 W/m.K) par rapport à celle des métaux (384 pour le cuivre, 53 pour l'acier) et à plus forte raison à celle des roches (6 à 8 pour le granite).

Son inaltérabilité est remarquable vis à vis des produits chimiques (acides, bases, solvants). Cependant le nitrate de sodium l'attaque à partir de 427°C, l'oxygène pur le recouvre d'une couche noire de graphite à partir de 427°C ; dans l'air il noircit vers 627°et brûle à 1400°. En atmosphère inerte la graphitisation débute vers 1527°, et devient rapide à 2100°. Ainsi le diamant est-il assez résistant à réchauffement pendant l'usinage, à condition d'être arrosé abondamment ; pour le travail à sec on doit prendre des précautions (ventilation abondante, passes peu profondes, pression faible).

La résistance mécanique du diamant est parfois améliorée par un traitement à 1000-1500°C en atmosphère inerte, qui a probablement un effet de recuit et élimine les tensions internes. La résistance à la compression statique des diamants synthétiques ne varie pas jusqu'à 700°C, puis elle chute brutalement, sans doute du fait de la dilatation des inclusions métalliques ; les diamants naturels résistent mieux à ce phénomène (Novikov et al., 1985).

A haute température certains métaux réagissent avec le diamant :

- le tungstène, le zirconium, le tantale et le titane forment des carbures,

- le fer, le manganèse, le cobalt, le nickel et le chrome à l'état fondus dissolvent le carbone du diamant.

Les inclusions minérales des diamants naturels peuvent être nombreuses, on a identifié par des méthodes analytiques modernes de l'olivine, du quartz, des grenats, des spinelles, de la pyrite, de la chromite, du graphite, etc. (au total 25 minéraux).

Dans les diamants de synthèse on rencontre surtout des inclusions métalliques (jusqu'à 10 %), provenant des métaux employés comme solvants et catalyseurs ; ces inclusions, qui se dilatent plus que le diamant quand la température augmente, rendent les diamants synthétiques sensibles aux hautes températures, ce qui pose des problèmes lors du frittage et de la brasure.

La présence d'azote dans les diamants naturels a été montrée en 1959 par absorption dans l'infrarouge, le phénomène a aussi été constaté dans des diamants synthétiques. L'azote provoque une diminution de la résistance à l'abrasion et de la conductivité thermique, ainsi qu'une absorption des radiation infrarouges et ultraviolettes, et même du violet. La densité n'est pas modifiée, mais l'azote cause aussi une cassure conchoïdale et une anisotropie optique.

Sur la base de cette découverte, on a réparti les diamants en deux classes:

- Classe 1 : diamants contenant de l'azote (jusqu'à 0,2% ). Dans cette sous-classe la l'azote se trouve réparti en substitution dans le réseau cristallin, le diamant présente une couleur jaune-verte (absorption du violet), c'est le cas de la plupart des diamants artificiels. Dans la sous-classe Ib, l'azote est concentré dans des plaquettes, d'une taille de 10 à 100 nm : ces diamants absorbent peu la lumière visible, mais arrêtent l'ultraviolet ; la plupart des  diamants  naturels  se  placent dans  ce  groupe.

- Classe II : diamants dépourvus d'azote. Très rares, ils absorbent peu  l'ultraviolet (sauf au dessous de 220 nm), sont isotropes, se clivent selon des plans réguliers et sont transparents aux rayons infrarouges. Certains d'entre eux (IIb) sont phosphorescents et semiconducteurs. alors que les autres ont normalement une résistance électrique très élevée ; cette propriété est attribuée à de l'aluminium en solution solide.

La transparence du diamant aux rayons X permet de le distinguer de ses imitations. Signalons aussi qu'il est possible de modifier la couleur des diamants en les soumettant à un bombardement de neutrons ou d'électrons ; ils peuvent prendre des couleurs bleues, vertes, ou jaunes, qui ne sont pas stables à la chaleur. La cathodoluminescence distingue sans ambiguïté les diamants naturels, qui émettent une lumière bleue à 450 nm, les diamants synthétiques,  qui produisent une lumière vert-jaune à 520 nm et un faible pic à 430 nm, et les zircons qui sont parfois utilisés comme imitation des diamants.

4 - La synthèse du diamant

Les premiers essais de fabrication de diamants artificiels datent de la fin du XIXe siècle quand furent disponibles des fours électriques à haute température (Hannay, 1880, Moissan, 1894). Sachant déjà que la formation du diamant demandait une haute température et une très forte pression, Moissan chauffait dans un creuset en graphite porté à très haute température du charbon de bois et du fer pur. Puis il jetait dans l'eau le creuset surchauffé : le fer se solidifiait et son retrait de solidification développait une pression importante, qui aurait permis la formation de tout petits diamants. Cependant cette découverte est contestée, car on estime que la pression développée, de l'ordre de 10 kb, était insuffisante (il aurait fallu 50 kb).

En 1902 Hoyerman et Hasslinger seraient parvenus à synthétiser des diamants purs, de forme octaédrique, mais de moins de 50 µm.

C'est seulement en 1953 que la firme suédoise ASEA (reprise par la suite par De Beers) parvenait à une fabrication industrielle, en travaillant sous 55 à 100 kb et entre 1300 et 1600°C. Le procédé consistait à placer du carbone et des métaux jouant le rôle de catalyseur et de solvant (nickel, cuivre, manganèse, fer, chrome, tantale, rhodium) dans une capsule de pyrophyllite (silicate d'aluminium en feuillets) elle-même contenue dans une enceinte chauffante en carbure de tungstène, mises sous pression par un vérin hydraulique. Au cours du chauffage et de la mise en pression, le carbone amorphe se transforme en graphite, qui entre en solution avec les métaux ; le diamant se forme alors, sous forme de petits cristaux qui s’accroissent progressivement. Lorsque les cristaux ont atteint la taille souhaitée, l'ensemble est refroidi rapidement de telle sorte que le diamant formé ne retourne pas à l'état de graphite, forme thermodynamiquement plus stable dans les conditions ordinaires.

En 1955 la General Electric arrivait à des résultats similaires à 2000°C sous 100 kb, suivie par De Beers en 1959, et démarrait une production industrielle à Détroit en 1958 : cependant les premiers diamants étaient de petite taille (moins de 0,25 mm) et se trouvaient souillés d'inclusions métalliques, ils servaient seulement à le rectification des outils en carbure.

En 1971 la General Electric, puis De Beers en 1975, parvinrent à produire des diamants de plus grande taille (environ un carat) et de qualité "gemme", similaires aux diamants naturels : dans un four allongé, on fond du carbone et un métal solvant, un petit diamant est placé à l'extrémité froide du four. Le carbone fondu dans la partie chaude migre vers le petit diamant qui sert de germe de cristallisation, et augmente lentement de taille. Toutefois les gemmes de synthèse n'ont pas supplanté les diamants naturels, car leur prix n'est pas compétitif : la croissance des gros cristaux est lente, il faut maintenir pendant cinq jours des pressions et températures élevées, et soigneusement contrôlées ; peu de matériaux connus résistent dans ces conditions, même le carbure de tungstène.

Une autre méthode, totalement différente, avait été tentée par Carli et Jamieson en 1961, en soumettant du graphite pur à une onde de choc produite par un explosif. La pression dépassait 300 kb pendant une microseconde, la température montait à 1000-1500°C, et ils obtenaient des diamants microscopiques noirs, semblables aux carbonados des météorites.

Tous ces travaux ont permis de reconstituer les conditions de formation du diamant (fig. 8). Aux basses pressions, la forme stable du carbone est le graphite ; au dessus se situe le domaine de stabilité du diamant, dans lequel on distingue trois zones  :

- A : conditions probables de formation du diamant dans la nature,

- B : l'emploi d'un métal solvant permet la synthèse du diamant à des conditions  de   température  et   pression  moins  sévères,

- C : synthèse sous très forte pression engendrée par un explosif, et peut- être formation des diamants dans les météorites entrant en collision avec la terre.

Fig. 8 - Diagramme de stabilité du diamant et du graphite (A = conditions naturelles de formation, B = synthèse par solvants métalliques, C = synthèse par onde de choc)

Fig. 9 - Schémas d'appareils pour la synthèse du diamant

Bien que les conditions opératoires soient des secrets jalousement gardés, le schéma des appareils servant à la synthèse (fig. 9) a été publié (Field, 1979). Dans toutes les méthodes on emploie des métaux-solvants, qui permettent de travailler à des pressions et températures raisonnables, mais laissent des impuretés plus ou moins abondantes dans les cristaux. Le graphite et les métaux-solvants sont placés dans une chambre en graphite, fermée par des joints en talc ou pyrophyllite ; un fort courant électrique passant dans un manchon de graphite produit la chaleur.

Autour de cet ensemble est placée une isolation en alumine ou pyrophyllite, qui protège de la chaleur le dispositif de mise sous pression, souvent constitué de carbure de tungstène. La manière de transmettre la pression de la presse hydraulique est variable : il s'agit d'un cylindre avec deux pistons (De Beers), ou de quatre enclumes disposées en tétraèdre.

La vitesse de croissance des diamants étant assez rapide, de l'ordre de 0,1 mm/min, un maintien sous pression et température pendant quelques minutes suffit à synthétiser les diamants industriels usuels. Les hautes températures favorisent la formation d'octaèdres incolores ; aux moyennes températures on obtient des cubo-octaèdres et des dodécaèdres de couleurs verte à jaune, aux températures inférieures des cubes de couleur noire.

Actuellement la production de diamants synthétiques est de l'ordre de 20 tonnes par an, elle couvre 80 à 90 % des besoins en diamants industriels. Les principaux producteurs sont De Beers et General Electric, qui couvrent environ 90 % du marché, auxquels s'ajoutent les compagnies japonaises Tomei et Sumitomo, et des productions russes, tchèques, roumaines et chinoises.

5 - Les gammes de diamants industriels pour la pierre

Les diamants naturels se reconnaissent facilement à leurs formes souvent peu géométriques, leur surface irrégulière, leur couleur transparente, rosée ou jaune ambré. Ils sont plus stables à haute température (absence d'inclusions métalliques dilatables) ; les irrégularités de surface assurent un meilleur accrochage du liant.

La forme des diamants synthétiques est beaucoup plus géométrique (cubo-octaèdres presque parfaits dans les premières qualités), avec des faces lisses, une couleur jaune d'or, vert clair ou gris clair. Ils sont préférés dans l'industrie de la pierre, du fait de leur qualité plus constante.

Selon les conditions opératoires, on parvient à produire des cristaux parfaits comme les SDA (Saw Diamond Abrasives}, des masses informes et bourrées d'inclusions comme les RDA (Resinoid Diamond Abrasives}, ou toutes sortes de produits de qualité intermédiaire, formant une large gamme que nous tenterons de déchiffrer.

Les diamants polycristallins (Polycrystalline Diamond, ou PCD) sont obtenu par frittage de poudre de diamant avec un peu de liant (par exemple du cobalt), à une température d'environ 1500°C sous une pression de l'ordre de 65 kb, conditions proches de celles de la synthèse ; des liaisons se produisent entre les cristaux de diamant, qui forment une masse compacte, comportant une faible proportion de liant. Comme les cristaux ont une orientation quelconque, les fractures s'y propagent moins facilement que dans les monocristaux. Leurs propriétés s'approchent de celles du diamant : résistance à la compression 76 kb, module d'élasticité E = 776-810 kb (contre 1141 pour le diamant), conductivité thermique 560 W/m.K (contre 600-2000). Le grand avantage du PCD est que l'on peut fabriquer des outils de formes diverses (cubes, plaquettes, disques), qui se brasent sur des porte-outils ou sont déposés sur des supports en carbure de tungstène ; ils ont des applications dans l'usinage des matériaux durs, mais encore peu dans l'industrie de la pierre.

La qualité des produits synthétiques dépend de nombreux facteurs:

    - qualité du graphite initial et choix du métal ou des métaux solvants. Ces métaux subsistent toujours, au moins en traces, dans les diamants synthétiques, qui ont une couleur jaune, verdâtre ou grise, plus ou moins foncée selon la quantité d'inclusions. Dans les meilleures qualités la teinte est toujours claire ; il est aisé de vérifier la teneur en inclusions par étude au microscope, et possible d'analyser les inclusions métalliques à la microsonde.

- cycle de pression et de température : si la température (de l'ordre de 1200°C) est relativement facile à mesurer par des thermocouples placés dans la chambre de réaction, et à contrôler par régulation du courant passant dans la résistance en graphite, la mesure de la pression (plus de 60 kb) et son contrôle sont difficile à maîtriser : en effet l'étanchéité des joints est critique, d'autant plus que la transformation du graphite en diamant s'accompagne d'une réduction de volume de 43 % .

- taux de nucléation : si de nombreux germes cristallins se forment en même temps, ce que l'on peut favoriser en plaçant de la poudre de diamant dans le graphite au début des opérations, les cristaux formés sont nombreux mais restent de petite taille. Inversement, si l'on veut de gros cristaux il faut que les premiers germes soient peu nombreux dans le graphite et que le maintien sous pression et température soit plus long.

Il résulte de tout cela que la gamme des produits est très large, avec des prix variant de 1,5 à 5,8 $ par carat (35000 à 145000 F/kg) pour les diamants convenant au travail de la pierre. Les prix dépendent naturellement de la qualité, mais aussi de la taille des grains, car l'obtention de gros cristaux demande un maintien sous haute pression et température pendant un temps plus long : en gros les prix doublent quand la taille est multipliée par quatre.

5.1- Granulométrie

    Les grains sont séparés en classes de taille par tamisage jusqu'à 0,05 mm environ, par élutriation ou centrifugation pour les tailles inférieures. La taille des grains tamisables n'est naturellement pas exprimée en unités métriques, ce qui serait trop facile pour les utilisateurs non anglo-saxons, mais selon les numéros de tamis américains (US Standards), numéros qui croissent quand la taille diminue. De plus on ne peut fournir une formule de conversion exacte, car la taille des mailles du tamis dépend du diamètre du fil employé ; quoi qu'il en soit on trouvera sur la figure 10 l'équivalence en millimètres et micromètres des numéros de maille (mesh). On notera que ces numéros ne sont plus employés au dessous du n° 400 (37µm), faute de tamis à maille assez fine, et que les fabricants en reviennent alors au système métrique, selon la gamme de la Fédération Européenne des Produits abrasifs (FEPA).

Les grains de plus de 1 mm servent pour les outils de forage et les couronnes de carottage dans les sondages miniers ou pétroliers. Dans les scies diamantées on utilise des grains de 1 mm à 0,21 mm (mesh n° 18 à 80). En polissage, des grains fins à très fins de 0,25 à 0,037 mm (mesh n° 60 à 400) sont proposés. Pour les phases finales de polissage il existe des gammes ultrafines (potées et micropoussières) descendant Jusqu'à 0,5 µm, toutefois l'industrie de la pierre préfère encore des produits moins coûteux comme l'oxyde d'étain.

Fig. 10 - Granulométrie des diamants industriels

Fig. 11 - Gammes de diamants et recommandations d'emploi des fabricants

    5.2 - Qualités ou grades

Les critères de qualité sont :

- la forme géométrique (cubo-octaèdres réguliers),

- des faces lisses, et l'absence de fractures,

- une faible quantité d'impuretés (couleur claire), qui permet la fixation par des liants à haute température,

- une granulométrie homogène.

Ces critères peuvent se vérifier par examen à la loupe binoculaire.

La qualité mécanique globale se mesure par la friabilité (inverse de la résistance au choc, voir plus haut), la mesure s'effectuant dans l'air à la température normale et à 1200°C en atmosphère inerte. La friabilité augmente avec la taille des grains (Feng et Field, 1989).

La qualité des diamants industriels n'a pas fait l'objet .de normalisation, si bien que chaque fabricant dispose de sa propre échelle (fig. l1).

    La firme DE BEERS propose pour le travail des roches par sciage, fraisage et forage, une gamme de diamants synthétiques avec cinq grades allant de SDA 100+ à EDC, dans les granulométries de 18/20 à 50/60 mesh ; les premiers grades, qui ont une plus forte résistance aux chocs et peuvent être agglomérés par des liants à plus haute température, conviennent à l'usinage des roches dures. Dans les roches tendres les grades inférieurs, moins chers, sont conseillés. Les diamants naturels EMB (ou EMBS avec traitement de surface), proviennent du broyage de boarts, ils présentent une surface irrégulière, et s'emploient pour le sciage au châssis des roches tendres. Une gamme de produits très fins à ultrafins, allant de 80 à 0,5 µm est disponible pour le polissage.

Le département Superabrasives de la GENERAL ELECTRIC présente une gamme de sept grades de diamants synthétiques allant de MSD à MBS (Métal Bond Sawing), dans les granulométries de 20/25 à 70/80 mesh. Les grades supérieurs sont conseillés pour les grès et granits, les grades inférieurs pour le sciage circulaire ou au châssis des roches calcaires (marbres, pierres marbrières, travertins). La firme recommande de ne pas dépasser 900°C lors du frittage, sinon apparaissent des microfractures. Il s'y ajoute le grade MDS 710 convenant à la rectification et au polissage des pierres tendres (liant électrolytique ou liant fritté à basse température). Une gamme de produits fins (Micron) est également proposée pour le polissage des matériaux durs, allant de 0,1 à 60/l00 µm.

6 - Fabrication des outils diamantés

Les outils diamantés pour scies circulaires sont généralement des segments de cercle soudés à la périphérie d'un disque d'acier ; le diamètre des disques s'étend de 0,1 à 3,5 m, parfois même 5 m. La vitesse périphérique varie de 25 à 60 m/s, les plus faibles vitesses étant choisies pour les roches dures. La périphérie est découpée par des encoches qui favorisent l'élimination des déblais de sciage ; dans les diamètres inférieurs à 0,4 m la couronne peut être continue, ce qui assure une meilleure finition du trait de coupe.

Le premier problème qui se pose est celui du maintien des diamants dans la matrice de l'outil. Le diamant n'est en effet pas mouillé par la plupart des métaux usuels à l'état fondu (problème de tension superficielle), il n'est donc pas possible de le souder ni de le braser ; au début de l'emploi industriel des diamants, on devait les sertir dans un métal par forgeage.

Ensuite fut employé le dépôt électrolytique de métaux comme le cuivre et le nickel pour englober des diamants de petite taille : cette méthode, qui ne nécessite pas de haute température, a toujours des applications dans le travail de la pierre (meules de forme, perles pour câbles de découpage), mais assez peu en sciage circulaire, car elle n'autorise pas de dépôts épais.

Puis la métallurgie des poudres a permis d'agglomérer les petits diamants dans une matrice d'alliages ferreux ou de bronzes, par pressage à chaud ; ce procédé est encore employé pour des scies destinées aux roches tendres, à liant bronze.

Certaines techniques améliorent la liaison diamant/métal, par exemple le choix de diamants très irréguliers en surface (diamants naturels, diamants multi-grains, diamants broyés), ou le revêtement des grains par un métal évaporé sous vide (cuivre, nickel). Mais un pas fondamental a été franchi par la métallurgie des poudres quand on a réalisé que certains métaux pouvaient former une liaison atomique avec le diamant. On a bien trouvé des métaux qui à l'état fondu mouillent le diamant, mais sans laisser de liaison résistante à froid : ce type de liaison n'est obtenu que par les métaux qui dissolvent le carbone du diamant, ou mieux, qui forment un carbure avec le diamant. C'est le cas du tungstène, l'un des métaux les plus rigides (E = 6500 kb) ; bien que très difficilement fusible (3374°, raison pour laquelle on en fait des filaments de lampes), il forme au moment du frittage un film de carbure de tungstène CW à la surface du diamant, ce qui assure une espèce de soudure. Toutefois, le tungstène n'étant pas très résistant à l'abrasion, on ajoute au mélange à fritter de la poudre de carbure de tungstène, qui assure cette fonction, tout en n'étant pas capable de se lier au diamant. En outre les interstices entre les grains de la poudre sont comblés par un métal auxiliaire, comme le cobalt (le plus employé), le nickel, le cuivre, le titane, etc. (Kennametal, 1985).

Il existe deux techniques principales pour le frittage des poudres :

- l'une consiste à placer le mélange de poudres et de diamants, soigneusement homogénéisé au préalable, dans un moule en acier ou en graphite, que  l'on  chauffe  tout  en  exerçant  la  pression,

- dans l'autre, un liant organique est ajouté aux poudres, l'ensemble est pressé à froid dans un moule, puis il est placé dans un four à haute température mais sans pression ; le composé organique est détruit, l'atmosphère doit être dépourvue d'oxygène (l'air est évacué ou remplacé

par de l'argon ou un mélange azote-hydrogène) de manière à éviter la graphitisation du diamant par la haute température.

Une autre méthode, utilisée surtout dans la fabrication des outils de forage à gros diamants, consiste à positionner les diamants dans des cavités aménagées dans les parois d'un moule en graphite, à remplir le moule avec une poudre de tungstène et de son carbure, et à placer un alliage de cuivre-nickel-zinc dans un réservoir séparé : par chauffage de l'ensemble, l'alliage fond et s'infiltre par capillarité à l'intérieur de la poudre.

Pour le diamant, le danger du frittage réside dans la surchauffe : une température excessive cause la rupture par dilatation des inclusions métalliques (à partir de 900° pour les diamants synthétiques), et la graphitisation, qui dépose une couche de graphite noir peu adhérent en surface (elle débute à 627°C dans l'air et à 1527°C en atmosphère inerte).

La teneur en liant (cobalt) conditionne la résistance aux chocs et à l'abrasion : une teneur élevée favorise la résistance au choc (car le carbure de tungstène est fragile), une teneur faible rend la matrice plus résistante à l'abrasion, mais aussi plus fragile.

7 - Fixation des outils diamantés

Il existe actuellement deux possibilités de fixation des segments sur les disques de scies :

- le brasage par une machine automatique, qui assure l'alimentation en segments, leur positionnement sur le disque et leur fixation à l'aide d'une brasure à base d'argent, fondue par le passage d'un courant électrique ; c'est la méthode la plus courante.

- la soudure au laser, plus récente, permet d'assurer des soudures profondes et très étroites, sans apport de métal, également par une machine automatique. Un laser au CO2 produit un rayon très mince, qui vaporise les métaux le long de l'intervalle entre segment et disque, et les soude sur une profondeur notable, sans apport de métal : pour les disques de faible épaisseur le soudage de la seconde face du disque n'est pas nécessaire. Cette méthode évite les chocs thermiques qui peuvent fissurer les diamants ou modifier les contraintes de la lame. La soudure est beaucoup plus résistante que la brasure : les segments ne risquent plus de se détacher quand la lame chauffe, ce qui permet de réaliser des disques pour le travail à sec, sans arrosage (petites scies de chantier).

8 - Les paramètres de sciage

Un disque diamanté de diamètre d (en m) tournant à une vitesse de rotation Vr. (en t/min) a une vitesse périphérique Vt (en m/s)

            soit 0,0524. Vr.d.

    Si p est la profondeur de passe (en mm) et Vh, la vitesse d'avance de la table (en m/min), la surface sciée par unité de temps Ss (m2/h) est Vh.p/60000. En appelant e l'épaisseur du segment (en mm), le volume scié par unité de temps Vs (cm3) = Ss.e/1000.

Les forces générées dans la scie au contact de, la roche (le long de l'arc actif AB, soutenu par l'angle a) ont pour résultante Fr (fig. 12). L'angle a se calcule à partir de la profondeur de passe p et du diamètre d de la scie par           .

Le point d'application C de cette résultante n'est pas le centre de l'arc AB, mais un point situé plus près de B, comme l'ont montré Takubo et al. (1982) ; travaillant sur une scie de 0,15 m de diamètre avec une passe de 8 mm, ils trouvent pour l'angle b une valeur de 15,7°, alors que l'angle a est de 26°. Nous verrons plus loin que la position de ce point est importante pour l'interprétation des mesures de force.

La force résultante Fr sur la scie se décompose de deux manières, selon les axes considérés:

- selon les directions verticale et horizontale on a Fv, qui est la réaction verticale sur la table, et Fh qui est la force exercée par le mécanisme d'avance,

- selon le rayon CO et sa tangente, on a la force normale Fn et la force tangente Ft.

La scie peut se déplacer de deux manières par rapport à la roche :

- soit « en opposition » ou « en remontant » {upcutting), la force tangente Ft est dirigée vers la droite du rayon OC  ; les diamants pénètrent progressivement dans la roche à partir du fond de la saignée,

- soit « en avalant » (downcutting), Ft est dirigé vers la gauche de OC, les diamants attaquent la roche brutalement à la surface, puis la profondeur de leur attaque diminue.

Fig. 12 - Composition des forces dans le sciage

Fig. 13 - Usure et force totale F dans le sciage d'un granite en fonction de la profondeur de passe (disque de 0,6 m, vitesse imposée1,5 m2/h), selon les résultats d'Ertingshausen, 1985)

Il a été montré par Ertingshausen (1985), au cours de sciage du granite rouge Colombo, que la première méthode produit une usure plus régulière. La seconde a pour résultat une usure cyclique de la périphérie, et une puissance consommée plus importante, mais elle autorise des passes plus importantes sans usure excessive, ce qui risque cependant de causer d'importantes vibrations.

Le segment est caractérisé, outre sa forme géométrique, par quatre paramètres principaux :

- le grade du diamant : les qualités les plus élevées (cf  § 5.2) sont conseillées pour les roches très dures, tandis que les roches tendres peuvent être travaillées plus économiquement par les derniers grades.

- la granulométrie du diamant : en sciage circulaire la gamme s'étend des grains 18 à 80, soit de 1 à 0,2 mm. Les gros grains, employés dans les roches tendres, permettent un avancement important et laissent un espace plus large entre la matrice et la roche pour l'évacuation des copeaux. Dans les roches dures on recommande les grains plus fins, qui ont effectivement une plus grande résistance à la compression et au choc.

- la concentration : une concentration de 100 correspond à 72 carats de diamant par pouce cube de mélange. Sachant qu'un carat vaut 0,2 g et que la densité du diamant est 3,51, une concentration 100 correspond en fait à 25 % en volume. Les fortes concentrations sont plus chères, mais assurent en principe une vie plus longue à l'outil, et réclament une puissance plus importante.

- la matrice : l'usure de la matrice doit être égale à celle des diamants, de manière à ce que les diamants aient une exposition constante (voir plus loin).

9 - Le diamant considéré comme outil de coupe

    Les diamants de sciage ont une forme plus ou moins géométrique, mais qui n'a rien à voir avec celle des outils de coupe des métaux, qui sont affûtés en biseau avec des angles de coupe bien définis (angle de taillant et dépouille). L'orientation des arêtes éventuelles est tout à lait quelconque, et l'on ne dispose d'aucun moyen pour les orienter : ils attaquent donc la roche dans des conditions défectueuses, sans doute plus par écrasement que par cisaillement ; dans ces conditions il n'est pas surprenant que la force normale soit beaucoup plus élevée que la force tangentielle.

La taille des diamants est nettement plus petite que celle des grains de la roche, tout au moins dans la plupart des granits : vu la faible taille des copeaux qu'ils produisent, on en déduit que les cristaux sont détruits par formation de fractures intracristallines plus que par arrachement des grains.

Ces grains sont de nature très variée dans les granits : les granites vrais et les diorites comportent une proportion plus ou moins élevée de quartz, qui les rend plus difficiles à scier que les syénites ou les gabbros.

Le quartz a une dureté Mohs de 7, mais l'observation au microscope montre qu'il peut se trouver très fracturé, et donc plus facile à scier. Il existe des minéraux plus durs que le quartz, par exemple certains grenats (6,5 à 7,5), la tourmaline (7,5), les zircons (7,5), etc.; ils peuvent jouer un rôle, même à faible teneur, dans l'usure des diamants, mais on n'en a pas tenu compte jusqu'ici pour évaluer la sciabilité des roches.

Par ailleurs les feldspaths frais ont une dureté Mohs de 6 à 6,5 ; étant assez altérables, ils sont fréquemment plus ou moins décomposés en produits argileux tendres. La présence d'hématite dans les feldspaths alcalins des granites rosés ou rouges pourrait avoir un effet sur la sciabilité. La biotite et la cordiérite s'altèrent facilement en produits argileux. Le passage rapide des diamants d'un minéral dur à un tendre pourrait générer des chocs tendant à les endommager. Il en est de même dans les roches sédimentaires poreuses.

Nous n'avons pas trouvé beaucoup de données publiées sur les forces exercées par le sciage, en particulier sur les forces normales et tangentielles, qui sont les plus importantes à notre avis pour la compréhension du sciage. Selon Takubo et al. la force normale est de 6 à 9 fois la force tangentielle dans le sciage d'un granité ; la force normale augmente peu à peu avec l'usure des segments.

Dans un outil neuf les diamants enrobés par frittage ou électrolyse sont noyés dans la matrice, aucun d'eux ne forme relief : on commence par "aviver" l'outil en travaillant un bloc de grès abrasif ou une meule spéciale.

Au cours du travail la matrice s'use, les diamants sont progressivement mis en relief et commencent à entrer en action contre la roche (fig. 14) ; leur exposition, c'est à dire le rapport de leur hauteur exposée sur leur hauteur totale, augmente peu à peu. Ils s'usent progressivement, puis lorsque leur exposition est excessive, ils sont déchaussés.

On reconnaît plusieurs types d'usure sur les diamants, qui ont été bien illustrés par des photographies au microscope électronique à balayage (Ertingshausen, 1985, Wright, 1986) :

- le polissage forme une facette régulière. Il semble résulter d'une pression insuffisante du diamant sur la roche : au lieu de pénétrer dans la roche, le diamant frotte en surface, il s'use au contact des minéraux et des déblais. Quand tous les diamants sont polis, on dit que la lame se glace : elle ne pénètre plus la roche, la force produite par le mécanisme d'avance automatique augmente la pression au niveau de l'outil, qui dévie et peut se bloquer ou se rompre.

- l'arrachement d'éclats : des fragments se détachent du diamant, et le rendent beaucoup plus coupant, c'est le mode d'usure le plus efficace pour le sciage. Ce type d'usure a été étudié par Wright (1986), sur deux grains de diamant (de taille 40/50, soit 0,30/0,42 mm) dont il a suivi révolution au cours du sciage de 0,62 m2 de granité : la figure 15 montre que pendant la première partie du sciage (0,15 à 0,25 m2) la hauteur d'exposition des diamants s'accroît jusqu à 0,105 mm, puis des fractures se produisent, détachant des éclats et réduisant l'exposition . Celle-ci recommence à augmenter, de nouvelles fractures se forment, etc., jusqu'à ce que finalement le diamant s'arrache. Il est remarquable que la hauteur d'exposition ne dépasse jamais 0,105 mm pour ce type de diamant, valeur représentant sans doute l'espace libre entre matrice et roche, dans lequel circule l'eau qui entraîne les déblais. L'exposition est donc au maximum de 25 à 35 %. On aurait pu penser a priori que l'exposition pouvait approcher de 50 % : en fait, une érosion de la matrice se produit autour de la base du diamant, qui limite plus sévèrement l'exposition. Wright estime que le pourcentage de diamants actifs par rapport aux diamants exposés n'est que de 26 % .

- le déchaussement : le diamant trop ébréché finit par être  arraché de son logement. Entraîné dans le sillon de coupe, 11 est capable d'endommager d'autres diamants.

Fig. 14 - Stades de la vie d'un diamant

Fig. 15 - Evolution dela hauteur exposée de deux diamants au cours du sciage d'un granite, d'après Wright (1986)

Fig. 16 - Usure de la matrice autour d'un diamant exposé

10 - L'usure de la matrice

Au cours de leur période d'activité les diamants sont précédés par un sillon creusé à leur pied dans la matrice et passant sur les côtés ; ils sont suivis par un relief de la matrice, la queue ou comète, qui contribue à leur maintien en place (fig. 16). Ceci se passe quand le disque tourne toujours dans le même sens : quand un outil a commencé à travailler dans un sens, on a intérêt à toujours continuer à le faire tourner dans le même sens jusqu'à la fin de sa vie. Dans les scies alternatives par contre (châssis), le mouvement dans un sens puis dans l'autre est défavorable à la tenue du diamant.

Ces sillons résultent sans doute de l'érosion de la matrice par les déblais de coupe, qui comprennent des copeaux, des poussières de roche, de matrice et de diamants. Ce mélange très abrasif doit impérativement être évacué au plus vite par la circulation de l'eau : l'eau est injectée contre la lame, obliquement, par des gicleurs répartis de telle sorte que la nappe d'eau se répartisse, après des trajectoires en spirale sur chaque flanc du disque, tout au long de l'arc actif.

    Une grande partie de l'énergie fournie par le moteur (de l'ordre de 80 %) est dépensée en frottements entre les diamants et la roche : de grandes quantités de chaleur sont dégagées au niveau d'un petit nombre de diamants actifs. Cette chaleur se transmet en partie à la roche (certains minéraux montrent des traces de métamorphisme dus à l'élévation de température), et aussi au diamant, qui peut se graphitiser ou éclater (dilatation des inclusions) si sa température atteint 900°; cependant le diamant, excellent conducteur de la chaleur, transfère bien la chaleur vers l'eau (à condition que ne se forme pas une couche de vapeur autour du diamant) et vers la matrice : celle-ci est plus dilatable que le diamant, ce qui a pour effet d'affaiblir le maintien du diamant. Il faut signaler à ce propos que le diamant n'est pas mouillé par l'eau (on dit qu'il est hydrophobe), aussi des additifs sont proposés (huiles solubles) qui abaissent la tension superficielle de l'eau, évitent l'oxydation des aciers et souvent diminuent la puissance consommée. Cependant ces produits sont difficiles à éliminer au moment du rejet de l'eau à l'extérieur de l'atelier ; dans certains cas ils accentuent l'usure de l'outil.

La matrice doit être étudiée pour s'user à la même vitesse que les diamants, en leur assurant une exposition constante. Avec une matrice trop dure pour le type de roche travaillée, les diamants ne sont pas suffisamment en relief, on dit que la scie se glace : on doit alors aviver l'outil comme à ses débuts, ou travailler en alternance une roche plus abrasive. Au contraire une matrice trop tendre conduit à un déchaussement trop rapide des diamants. Dans le cas des grès poreux, qui sont plus abrasifs que les grès compacts, on peut penser que c'est le détachement des grains de quartz mal cimentés qui est à l'origine de l'abrasion anormale de la matrice.

Des tentatives ont été faites pour évaluer l'abrasivité de la roche sur la matrice, en mesurant l'usure d'une pointe en acier ou en bronze phosphoreux traîné sur la roche, sous une pression donnée et sur une très faible distance (travaux du Cerchar et de De Beers) : il en résulte que les roches riches en quartz, les roches poreuses et les roches à gros grain sont les plus abrasives pour ces outils.

Nous pensons qu'une mesure de l'abrasivité des roches devrait se faire dans des conditions plus proches de la réalité, par exemple en entraînant des plaquettes de matrices usuelles (bronzes ou carbures de tungstène frittés), sans diamants, sur les différentes roches, avec un parcours de plusieurs centaines de mètres, et sous arrosage d'eau. L'abrasivité des boues de sciage pourrait aussi être testée dans ces conditions, sur plateau tournant.

11- Les essais de sciabilité

Des essais de sciage avec mesure de certains paramètres ont été effectués par plusieurs laboratoires, ils ont eu pour résultat d'établir diverses classifications des roches.

En Allemagne l'Union technique de l'Industrie et de l'Outillage avait défini trois classes de pierres dures; en France le Synfodia reconnaissait cinq catégories, mais qui ne semblent plus en vigueur.

La firme Winter & Sohn en 1979 indiquait six catégories pour les roches, avec la production moyenne en m2/h pour chacune d'entre elles (fig. 17). A titre d'exemple la classe 0 comprend les calcaires, la classe 1 les granits noirs et le Labrador foncé, la classe II le Labrador clair, la classe III le granite du Tarn, la classe IV le Balmoral, le Baltic brun, le Halmstad, le Vanga, et la classe V le rouge d'Assouan, le rouge de Sardaigne, le rouge de Tranas, le quartzite de Wasa.

Birle et Ratterman (1986), ont classé les granits en quatre groupes, sur la base de l'usure de la scie, qui est mise en relation avec la teneur en quartz de la roche et sa résistance à l'abrasion par le corindon : le nombre de mètres carrés sciés pour une usure de un millimètre de la scie (lame de 60 cm) est :

- Groupe 1 - plus de 7 m2/mm

- Groupe II - 7 à 4

- Groupe III - 4 à 3

- Groupe IV - moins de 3.

    En fait les corrélations entre durée de la scie, teneur en quartz et résistance à l'abrasion sont plutôt vagues pour les 10 échantillons mesurés. La General Electric, sur la base de ces quatre groupes propose ses divers grades de diamants selon le type d'usinage (fig. 18).

Les travaux de Wright, Jennings et Cassapi (De Beers) entre 1985 et 1989 ont porté sur sept granits. Les plus faciles à scier sont les granits noirs (diabases ou norites), puis viennent les syénites et diorites, ensuite les granites vrais : parmi eux les plus riches en quartz et ceux à gros grain sont les plus difficiles à scier. Ils ont constaté que la puissance nécessaire pour scier les granites durs est 2,2 fois plus importante que pour le marbre de Carrare.

Diamant Boart (fig. 19) divise les granits en 5 groupes pour le sciage par disques de grand diamètre : les productions décroissent de 3 à 0,6 m2/h selon la classe, pour des vitesses recommandées décroissant de 38 à 23 m/s, et des profondeurs de passe de 20 à 4 mm. Ces tests ne précisent pas toujours la composition des segments (diamants et matrice), ni l'état d'avivage du disque (il faut scier au préalable 1 m2 environ pour que l'usure des diamants et de la matrice se stabilise). D'autre part les roches essayées ne sont pas suffisamment précisées, ni décrites strictement sur le plan pétrographique. Mais surtout nous pensons que la seule mesure des forces horizontales et verticales, quand elle est faite, n'est pas adéquate pour reconstituer la dynamique du sciage, il eut fallu mesurer la force tangentielle et la force radiale.

Fig. 17 - Catégories d'usure des roches selon Winter & Sohn (1979) par sciage circulaire

   

Fig. 18 - Groupes de sciabilité et choix des grades de diamant selon General Electric

  

 Fig. 19 - Groupes de sciabilité selon Diamant Boart en sciage circulaire de grand diamètre

12 - Les essais de carottage

Les carottiers diamantés travaillent dans des conditions nettement différentes de celles des scies : leur vitesse périphérique est faible, le nombre de diamants en action est limité ; mais il est facile de mesurer le couple, la force normale (ici verticale) et la vitesse de pénétration. Aussi nous devons les signaler, car ils fournissent des résultats qui pourraient être vérifiés par les essais de sciage.

Déjà en 1970 Brison et Brych avalent montré à la Faculté Polytechnique de Mons (fig. 20) que la vitesse de pénétration en fonction de la force normale (indiquée en pression de l'outil sur le graphique) est faible au début (A), croît linéairement entre deux valeurs déterminées de pression (B), puis culmine et même redescend (C). L'usure de la couronne n'est pas négligeable, même pour les faibles pressions (partie A) ; elle est stable dans la partie B, puis s'accroît nettement aux fortes pressions.

Puis Conca et Cubba (1986), travaillant à vitesse et pression constante sur différents matériaux, montraient que l'avancement ne commence qu'à une certaine pression, et souvent culmine pour une autre valeur de la pression, variable selon les matériaux (fig. 3 de leur publication).

Plus récemment Miller et Bail (1990), par carottage d'une norite (gabbro à hypersthène) dans des conditions bien définies, ont clairement établi les trois stades de la pénétration en fonction de la pression de l'outil (fig. 21) :

A - au dessous d'un seuil de pression que nous appellerons Pmin ; (valant ici 20 bars), la pénétration est nulle : les diamants s'usent par polissage, les déblais sont très fins, toute la puissance consommée est dépensée inutilement en chaleur et en usure du diamant. Ils évaluent à 4000 bars la pression effective minimale au niveau des diamants actifs pour que ceux-ci commencent à pénétrer dans la roche, alors que la résistance à la compression de la norite est de 2870 bars.

B - entre Pmin et un autre seuil appelé Pmax, (60 bars) l'avance est proportionnelle à la pression, les diamants pénètrent bien dans la roche, les déblais sont de bonne taille, l'usure des diamants, modérée, se fait par détachement d'éclats.

C - au dessus de Pmax. l'avance plafonne, toute augmentation de pression (et donc de puissance dépensée) n'a aucun effet utile ; au contraire l'usure des diamants devient excessive, les diamants se déchaussent, et à une certaine pression la lame finit par se coincer. Ceci s'explique par le fait qu'au dessus de la pression Pmax; les diamants s'enfoncent exagérément dans la roche : l'espace entre matrice et roche est trop réduit, les déblais sont mal évacués, ils sont rebroyés et réduits en poudre Inutilement.

    Ayant ainsi fixé la fourchette de pressions entre lesquelles le carottier effectue un travail utile, les auteurs montrent en plus qu'il est possible de définir un point optimal pour l'usinage de cette roche, en portant en graphique l'énergie spécifique en fonction de la pression : ils indiquent qu'à 50 bars l'outil travaille dans les meilleures conditions d'économie d'énergie et d'usure minimale de l'outil, avec une vitesse d'avance proche de l'avance maximale possible.

Fig. 20 - Vitesse d'avance et usure des couronnes en fonction de la pression du carottier, d'après Brison et Brych (1970), sans échelle


Fig. 21 - Vitesse d'avance et énergie spécifique en fonction de la pression du carottier (diamètre 12/20 mm) dans une norite, d'après Miller et Ball (1990)

13 - Conclusion

Tous les essais de sciage, portant pour la plupart sur un petit nombre de roches, ont montré qu'il y a peu de corrélation entre sciabilité des roches et les caractéristiques mécaniques mesurées habituellement sur les roches (résistance à la compression, résistance à l'extension, dureté Shore ou Knoop, résistance à l'abrasion au corindon, etc.) : seule la teneur en quartz a une influence certaine, mais elle n'est pas la seule.

Il faut donc trouver un autre type de mesure représentant mieux la sciabilité des roches, par exemple en mesurant le travail requis pour enlever un certain volume de roche par un outil diamanté affûté selon des angles de coupe définis.

Ce coefficient de sciabilité devrait ensuite être comparé aux résultats d'une étude pétrographique, comportant particulièrement la détermination des minéraux plus durs que le quartz, la teneur en hématite, la granulométrie et l'état d'altération de la roche (microfractures, transformations minérales).

L'abrasivité des roches vis à vis des différents types de matrices devrait être mesurée par de nouvelles méthodes, faciles à envisager. Cette étude devrait aussi prendre en compte l'abrasivité des déblais de sciage, qui sont probablement l'agent principal intervenant dans l'abrasion de la matrice.

Les essais de sciage devraient être conduits avec des segments de composition bien définie (grade, granulométrie et concentration des diamants, nature de la matrice frittée), avec un état d'avivage connu : celui-ci s'obtient en sciant une surface définie de roche (ou meule) étalon, et se mesure par l'exposition des diamants. Le type d'usure des diamants doit aussi être contrôlé périodiquement, puisqu'il permet de s'assurer que la scie travaille dans la bonne fourchette de pressions.

Les études de carottage ont bien montré en effet qu'un outil diamanté doit travailler entre deux valeurs précises de pression normale, et même qu'une pression optimale pouvait être définie : il reste à mesurer ces pressions en cour de sciage, pour différentes roches et différentes compositions de segments. La présentation des résultats serait simplifiée en calculant les pressions au niveau des diamants actifs.

L'évaluation des pressions minimale, optimale et maximale, devra se faire par mesure des forces normale et tangente, et non par les forces horizontale et verticale comme on l'a trop souvent fait jusqu'ici ; pour ce faire, un dispositif spécial de mesure des forces doit permettre de déterminer la position du point C.

Cette voie recherche, que nous nous proposons de poursuivre, devrait fournir des éclaircissements sur les raisons des difficultés particulières de sciage que montrent certaines roches, et de prévoir à l'aide d'un test rapide la difficulté de sciage de toutes les roches nouvelles présentées sans cesse sur le marché.

Mais aussi, par essai dans des conditions bien définies sur des roches étalons, il serait possible de comparer les performances des différentes fabrications d'outils diamantés.

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