L'outil diamant : du diamant brut au segment de coupe

Le diamant est le matériau le plus dur connu à ce jour. Sa résistance à l'abrasion est 140 fois supérieure à celle du corindon (rubis), qui occupe la neuvième place de l'échelle de Rosiwal. C'est cette propriété exceptionnelle qui en fait le matériau de référence pour la coupe, le sciage et le carottage de matériaux durs : béton armé, granit, asphalte, céramique, verre.

Cet article retrace le cycle complet de l'outil diamanté : de l'origine du diamant naturel à la fabrication et la fixation du segment de coupe, en passant par le diamant industriel synthétique et le principe de fonctionnement d'un grain de diamant en cours de travail.

Qu'est-ce que le diamant ?

Chimiquement, le diamant n'est rien d'autre que du carbone pur cristallisé. Les formes possibles des cristaux — plus ou moins parfaites — sont le cube, l'octàèdre ou le dodécaèdre. On le trouve à l'état naturel ou peut être fabriqué par synthèse.

L'échelle de Rosiwal (résistance à l'abrasion)

Formation et gisements

Il y a des millions d'années, la nature a transformé le carbone en cristaux à grande profondeur — parfois plus de 80 km — sous l'influence de températures de 1 100 à 1 300°C et de pressions allant jusqu'à 70 tonnes/cm². Des explosions volcaniques ont ensuite projeté ces roches vers la surface, où elles se retrouvent dans des cheminées de volcans éteints ou des dépôts alluviaux.

Les principaux pays producteurs sont l'Afrique du Sud, la Namibie, la Russie (Irkoutsk, Sibérie), le Bots wana, l'Angola et l'Australie. Un carat de diamant pèse 0,2 gramme (5 carats = 1 gramme). On trouve en moyenne 0,5 carat dans une tonne de minerai.

Le diamant industriel naturel (« Boart »)

Le diamant naturel industriel, appelé également « Boart », est un diamant impur non utilisable en joaillerie. Les plus grosses pierres sont employées à l'état brut pour des meules à polir, des forages miniers ou des recherches pétrolières. La majorité est broyée, purifiée et triée par granulométrie avant d'être mélangée à un liant et frittée.

Le diamant synthétique

C'est dans les années 1950 que les firmes ASEA (Suède) et General Electric (USA) ont réussi les premières à produire du diamant synthétique en reproduisant les conditions naturelles de formation. La production annuelle dépasse aujourd'hui 100 millions de carats.

Le procédé consiste à placer de la poudre de graphite et un catalyseur métallique dans une cellule soumise à 55 000 atmosphères et un courant de 1 000 ampères portant la température à 1 300°C. Après 10 minutes, le carbone se fixe sous la seule forme possible à de telles pressions : le diamant.

Comparatif : diamant naturel vs synthétique

Comprendre comment travaille un grain de diamant permet d'optimiser l'utilisation de l'outil et d'éviter une usure prématurée des segments.

Le cycle de vie d'un grain de diamant

1. La pointe est neuve : elle coupe bien avec peu de pression.
2. La pointe s'émousse : la pression sur le grain augmente progressivement.
3. La pointe est émoussée : la pression est telle que le grain éclate.
4. Une nouvelle pointe se forme et continue de travailler — et ainsi de suite pour chaque grain. Pendant cette opération, la matière enlevée use le liant sur les côtés et le devant du grain, formant un appui en « queue de comète » à l'arrière du grain, essentiel pour le rendement de l'outil.

Les différents états de l'outil de coupe

Un outil dont la surface de coupe est satinée ou polie indique que le liant est trop dur pour le matériau travaillé : le liant ne s'use pas assez vite pour libérer de nouveaux grains de diamant. Il faut alors rouvrir l'outil en le faisant travailler sur un matériau plus abrasif (brique, grès).

L'outil diamanté se compose de deux parties :

• Un corps de support en matière et forme adaptées à l'application prévue (acier, aluminium, etc.).
• Un élément de coupe (segment) dans lequel du diamant de qualité, de granulométrie et de concentration bien définies est mélangé à un liant puis fritté.

Les 7 étapes de fabrication

1. Choix du diamant : qualité et granulométrie selon le matériau à travailler.
2. Choix du liant : poudre métallique (tendre, mi-dur ou dur) selon l'application.
3. Mélange : diamant + liant = conc rétion homogène.
4. Préformation : compression à froid de la conc rétion dans une matrice pour obtenir la forme désirée.
5. Préfrittage : traitement thermique sous atmosphère neutre ou réductrice.
6. Frittage : compression et élévation de température simultanées — le liant se solidifie autour des grains de diamant.
7. Finition : préparation à la fixation sur le corps de support.

Les trois catégories de liants

Principe : plus le matériau à couper est dur et abrasif, plus le liant doit être tendre pour s'user à la bonne vitesse et libérer régulièrement de nouveaux grains de diamant.

Les principales formes de segments

• Segment couronne : pour les couronnes de carottage
• Segment anneau : pour les disques de sciage
• Segment turbo : pour les disques à coupe rapide
• Segment en V : pour les disques de découpe fine

Une fois le segment fabriqué, il doit être fixé sur son corps de support (tube de couronne, corps de disque, etc.). Il existe quatre types de fixation, dont trois sont couramment utilisés dans la fabrication d'outils diamantés professionnels.

Les 4 types de fixation

1. Brasage : disque, couronne, etc.
2. Frittage sur corps de support : disques, meules, etc.
3. Soudure au laser : disques, forêts, etc.
4. Soudure par faisceau d'électrons (sous vide)

Relation entre fixation et mode d'utilisation

Le type de fixation est en relation directe avec le mode d'utilisation de l'outil :

Attention : une couronne dont les segments sont brasés ne peut jamais être utilisée à sec. La chaleur générée par le carottage sans eau détruit la brasure et provoque le décrochage du segment, créant un risque grave pour l'opérateur.

La performance d'un outil diamanté repose sur l'adéquation entre trois paramètres : la qualité et la granulométrie du diamant, la dureté du liant et le type de fixation du segment. Un outil mal adapté au matériau s'use prématurément ou ne coupe plus (« outil fermé »).

Chez DIAMANT Evolution, nous fabriquons en France des couronnes diamant et des disques diamant adaptés à chaque matériau : béton armé, granit, asphalte, pierre abrasive, silico-alumineux. Nos conseillers sont à votre disposition pour vous aider à choisir l'outil le mieux adapté à votre application.