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Outil abrasif dans lequel un ou des diamants sont incrustés et son procédé de fabrication
Cette invention concerne les outils pour l'abrasion, le rodage, le perçage ou le façonnage de surfaces et elle a plus particulièrement pour objet un outil abrasif ou une pointe d'outil abrasive pour des outils en alliage métallique dur et tenace dans lequel un ou des diamants de diverses grosseurs peuvent être incrustés pour constituer des outils abrasifs, coupants ou façonneurs de surface,
la composition étant de telle nature que les diamants sont incrustés dans l'alliage de façon à empêcher qu'ils en soient délogés ou déplacés par des pressions
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ou chocs de force inférieure à celle qui est capable de causer la cassure du diamant en formant ainsi un outil abrasif très efficace et ayant une plus longue durée d'existence que ceux faits jusqu'à présent.
L'invention englobe aussi un procédé de fabrication de cet outil par lequel les surfaces du diamant cèdent du carbone à l'alliage et lient ainsi le diamant et l'alliage, à la différence d'une simple adhérence ou mouillage de la surface du diamant par le métal, comme c'était le cas avec le procédé appliqué jusqu'à présent dans cette partie.
Une caractéristique de l'invention consiste à former un outil abrasif ou coupant à diamant en chauffant du tungstène (W), du carbone (C) et du nickel (Ni) pulvérisés à la température d'alliage, la teneur en carbone étant insuffisante pour satisfaire ou saturer le tungstène et les diamants étant distribués dans la masse ; le chauffage est fait reprise par reprise sous pression jusqu'à une température finale de l'ordre de 1900 G à 2200 C, pendant que la masse est enfermée par rapport à l'atmos- phére pour empêcher l'oxydation et pendant un court laps de temps suffisant pour amener les surfaces des diamants seulement à se gazéifier et à se combiner avec le tungstène pour former un siège en carbure de tungstène solidaire du diamant.
L'invention prévoit aussi la formation de l'outil dans un creuset en charbon ou graphite qui, à la haute température, cède du carbone au tungstène en formant une surface très résistante à l'usure et un corps très tenace et dur, mais de nature non cassante du fait que
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la température à laquelle la composition est finalement soumise est suffisamment élevée et cela pendant un laps de temps assez long pour produire un état fondu ou très plastique des métaux, mais ces conditions étant insuffisantes pour liquéfier ces métaux.
On a proposé antérieurement de faire un outil abrasif ou de façonnage des surfaces en mélangeant de la poussière de diamant et des particules de diamant avec une matière telle que carbure de .tungstène pulvérisé et en soumettant ce mélange à une température d'agglutination. L'outil perfectionné de l'invention se distingue de ces outils antérieurs en ce que les diamants utilisés ne sont pas ce qu'on appelle dans le commerce de la poussière ou des particules de diamant, mais sont de véritables diamants, ayant habituellement, titre d'exemple non limitatif, plus de 1,mm6 de largeur de surface dans une direction quelconque et ordinairement 3,mm2 environ, et parfois avec des diamants de pareille grosseur il est incorporé à la pointe extrême de l'outil un diamant beaucoup plus gros entouré par les plus petits diamants.
Bien que d'une façon générale l'invention ne soit pas limitée à la grosseur des diamants, on signale qu'avec les grosseurs proposées ci-dessus, il est possible de porter les métaux à une température d'alliage pendant quelques secondes sans pertes de diamant, car il semble que seules les surfaces du diamant sont affectées suffisamment pour permettre au carbone se trouvant à la périphérie d'être absorbé par le tungstène et de former ainsi ce qu'on peut appeler un siège solidaire ou en une seule pièce, c'est-à-dire cohésion réelle entre le diamant
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et le métal plutôt qu'une simple adhérence entre ces éléments, ce qui est le résultat obtenu à la température d'agglutination d'approximativement 1350 C.
L'invention englobe aussi un nouveau procédé perfectionné de fabrication d'un outil de la nature indiquée qui consiste à placer un moule en graphite ou garni de graphite comportant un évidement de la profondeur et de la forme désirées en coupe transversale entre les électrodes d'une machine à souder, à mettre une petite quantité du tungstène, du carbone et du nickel pulvérisés avec les diamants dans cette cavité, à les y tasser, à ajouter successivement de petites quantités- de la matière pulvérisée et des diamants, chaque charge étant tassée.successivement jusqu'à obtention d'un corps formé de poudre et des diamants tassés de la longueur désirée puis, pendant qu'une légère pression est appliquée et que la matière est enfermés par rapport à l'atmosphère,
à chauffer le moule et la matière préparée à une température suffisamment haute (au rouge foncé) pour faire commencer la formation de gaz et l'évacuation de l'air enfermé, enfin également, en raison de la pression, à augmenter la densité ou compacité, à augmenter ensuite la température et la pression par reprises ou phases successives jusqu'à ce qu'on obtienne finalement une température de l'ordre de 1900 à 2200 C et une pression finale d'approximativement 700 kgs. au cm2 pendant un laps de temps inférieur à celui qui produirait la liquéfaction des métaux.
Par les moyens sus-décrits destinés à rendre la matière compacte et la chauffer par phases successives sous température et pression croissantes, les vides qui se forment
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habituellement dans la matière à la température d'agglutination sont empêchés de se former et on assure un alliage réel des métaux à l'état plastique.
Le procédé se distingue en conséquence des procédés antérieurs dans lesquels la matière peut être rendue compacte ou être tassée sous pression dans un moule et être ensuite mise avec le moule ou même retirée de ce moule dans un four et portée à la température d'agglutination.
Par le procédé perfectionné de l'invention, l'outil est fait complètement dans une machine à souder, tout d'abord en utilisant cette machine et le piston ou refouloir pour tasser et rendre la matière compacte, puis pour appliquer la pression sous la chaleur dans les phases successives, comme mentionné dans ce qui précède, et, à la température finale, l'objet est complètement formé ; il suffit alors de le retirer du moule et de nettoyer sa surface. Le procédé de fabrication est en conséquence plus rapide que les procédés antérieurs, il nécessite moins de frais de main-d'oeuvre et assure la fabrication d'un meilleur outil en raison de la densité du produit et du bon encastrement des diamants en place, qui sont si solidement fixés que la cassure se produit le long du plan de clivage du diamant avant qu'il puisse être descellé ou desserré.
Ces caractéristiques, buts et avantagès de l'invention sont complètement décrits dans ce qui suit à l'aide d'exemples de réalisation particuliers qui ne limitent l'invention en aucune façon, car on peut faire varier considérablement les procédés d'obtention et les constituants de l'alliage sans sortir du cadre de l'invention.
Dans les dessins annexés :
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La fig. 1 est une élévation latérale, partie en coupe, d'une machine à souder électrique appropriée à la fabrication de l'outil ou de la pointe d'outil perfectionné selon l'invention.
La fig. 2 est une coupe suivant la ligne 2-2 de la fig. 1.
La fig. 3 est une élévation du côté droit de la fig. 1.
La fig. 4 est une coupe à plus grande échelle montrant un moule garni de graphite avec la pointe d'outil qui y est formée.
L'invention est décrite ici à titre d'exemple dans le cas d'utilisation de tungstène comme élément de l'alliage, mais d'autres éléments qui ont la dureté et la tendance nécessaires pour absorber du carbone peuvent être utilisés avec un métal quelconque du groupe fer, tel que le nickel, le cobalt ou le fer. La composition préférée est tungstène (W), carbone (C), nickel (Ni), le tungstène n'étant pas satisfait ou saturé par le carbone et le nickel étant utilisé pour former un alliage ayant la ténacité voulue et empêchant l'outil de se casser sous l'action d'un choc.
L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui suit du procédé de fabrication de l'objet.
Le mécanisme servant à faire l'objet peut être une machine à souder électrique telle que celle représentée dans la fig. 1 qui comporte les électrodes refroidies par eau 1 et 2. Le creuset, indiqué en 3, est placé entre ces électrodes et peut reposer sur une embase 4 refroidie par eau. L'électrode 1 est portée par un porte-électrode 5,
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qui est mobile sur le bâti 6 de la machine et peut être commandé au moyen d'un volant à main 7, l'électrode 1 étant tirée en arrière pour permettre l'introduction du creuset et étant ensuite avancée à l'aide de la vis jusqu'à ce que le creuset soit maintenu sous pression entre les électrodes. Le creuset peut être en charbon ou graphite ou être un creuset en métal garni intérieurement de charbon ou de graphite.
Dans l'un et l'autre cas, le graphite est évidé, comme indiqué en 8 dans la fig. 4, et est de préférence creusé sous une forme légèrement conique au fond 9. Un piston 10 à mouvement alternatif vertical a une extrémité en molybdène ou autre métal dur pour entrer dans l'évidement et est supporté par le porte-piston 11 prenant un mouvement alternatif dans une console 12 fixée au montant 13, qui est à son tour supporté par le bâti 6. La console 12 empêche le porte-piston de se déplacer latéralement et le maintient en position vraiment verticale. L'extrémité supérieure du montant 13 comporte une tête creuse 14 fixée à ce montant et dans laquelle est disposé un ressort héli- coidal 15.
L'extrémité supérieure de cette tête creuse est taraudée pour recevoir un bouchon 16 comportant une saillie centrale 17 s'engageant dans la spire d'extrémité du ressort et centrant ce dernier ; ce bouchon peut être réglé pour augmenter ou diminuer la tension normale du ressort.
Au fond de la tête creuse 14, il y a un siège à ressort 18 comportant une saillie qui entre dans la spire inférieure du ressort hélicoïdal pour le centrer ; ce siège 18 est taraudé pour recevoir un manchon fileté 19, qui est réglable longitudinalement dans le siège 18. Une
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tige 20 est enfilée dans ce mamchon et est fixée en place par un écrou 21. L'extrémité inférieure de cette tige affecte la forme d'un étrier 22 qui reçoit un plateau 23, articulé à cet étrier par un axe 24. L'extrémité opposée du plateau forme un étrier 25 dans lequel une extrémité de la bielle 26 est articulée, son extrémité opposée étant articulée à l'extrémité supérieure du porte-piston 11 par un axe 27. Un levier de manoeuvre 28 est fixé au plateau 23.
La bielle et le plateau constituent une liaison articulée entre l'étrier 25 à l'extrémité supérieure et le porte-piston 11 à l'extrémité inférieure, puis, en actionnant le levier de manoeuvre, on peut imprimer un mouvement alternatif au porte-piston 11 et au piston 10. La position normale des pièces est indiquée en pointillé dans la fig.l et, lorsque de la pression est appliquee sur la matière se trouvant dans le creuset ou moule, on abaisse le levier 28 dans la position indiquée en traits pleins dans la fig. 1.
Pour pouvoir déterminer les pressions à appliquer, le siège vissé 18 comporte un ergot 29 s'engageant dans une fente 30 prévue dans la pièce creuse 14 et une plaque graduée calibrée 31 est fixée à la tête 14, l'ergot 29 étant mobile à travers cette plaque 31, en permettant à l'ouvrier de déterminer la pression appliquée par l'abaissement du levier à main 28. Les axes de pivotement 24 et 27 dépassent d'un côté de la timonerie, comme représenté dans la fig.
3, et un ressort hélicordal 32 est attaché aux extrémités de ces axes en tendant normalement à maintenir le levier à main 28 relevé avec le piston 10 hors de l'évidement du creuset, comme représenté en pointillé dans la fig. 1.
On n'a pas représenté le circuit électrique pour les
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électrodes et le dispositif pour distribuer de l'eau à ces électrodes pour les refroidir, ces éléments étant habituels dans les machines à souder.
L'un des buts visés en utilisant une machine à souder ou analogue est de permettre de conformer l'objet complètement dans cette machine. Jusqu'à présent, on a eu pour habitude de tasser une matière pour la rendre compacte et même de la chauffer quelque peu dans une machine de ce genre et ensuite de retirer le moule ou creuset et de terminer le traitement thermique dans un four ou de retirer la matière après l'avoir chauffée suffisamment pour lui conserver sa forme et la soumettre à une température d'agglutination dans un four.
Cependant dans le procédé décrit ci-après et afin d'assurer la confection d'un outil ayant une dureté et une densité convenables, tout le traitement de la matière est effectué entièrement dans la machine à souder, en économisant ainsi non seulement les frais de mains-d'oeuvre pour la manipulation, mais en économisant aussi un matériel considérable et en permettant à l'outil d'être terminé sous une forte pression pendant qu'il est à une température supérieure à la température d'agglutination ; ceci permet aussi d'exécuter tout le procédé pendant que la matière est empêchée de s'oxyder, car elle est enfermée par rapport à l'atmosphère pendant la conformation et également parce qu'elle est encastrée dans un creuset en graphite et parce qu'à la température atteinte une atmosphère réductrice est créée.
Cette atmosphère se combine à son tour avec l'oxygène présent pour former du gaz carbonique qui est chassé sous forme de gaz par la pression engendrée, en retirant ainsi l'oxyde de la
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matière.
Selon un mode de réalisation, non limitatif, on prépare une poudre contenant approximativement 60 à 70 % de tungstène (W), 3 à 5 % de carbone et le reste de nickel (ni) et on la traite au broyeur à boulets pendant un nombre d'heures suffisant pour produire une poudre très fine.
La matière est habituellement mise dans le broyeur sous une forme plus ou moins granuleuse et est broyée jusqu'à plus de 120 heures. pour faire un outil ou une pointe d'outil avec cette matière, on met une petite quantité de cette poudre dans un creuset, puis on la presse ou tasse à l'aide du piston 10 en actionnant le levier à main 28, la pression étant insuffisante pour soulever le siège 18 du ressort, On met ensuite une seconde quantité de poudre dans le creuset et on la tasse et on recommence ces opérations jusqu'à ce que la hauteur de matière désirée soit atteinte dans le moule et cette hauteur, qui peut être prédéterminée par l'expérience, est telle que l'outil, une fois terminé, ait la longueur convenable inférieure à la longueur de la matière tassée.
Un fond de piston en graphite est ensuite posé, comme le montre la fig. 4, et la pression est appliquée au moyen du levier à main 28 et du piston 10, puis en même temps du courant électrique est envoyé aux électrodes.
A cette phaae, la pression est relativement faible et la température est suffisante pour amener la matière environ au rouge cerise ou moins pendant un court laps de temps, après quoi le courant est coupé et la pression est relâchée.
La matière se refroidit alors rapidement étant donné que les électrodes refroidies par eau sont en contact avec le creuset. On applique ensuite un degré supérieur de pression
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et du courant est maintenu jusqu'à ce que soit assurée une température supérieure qui peut être déterminée de' toute manière reconnue bonne.
Le chauffage sous pression et le refroidissement se font par trois ou quatre phases successives en faisant une pointe d'outil de 2,cm5 de longueur ou légèrement plus et d'un diamètre d'environ 8mm., la dernière phase se faisant une haute température de l'ordre de 19UO C à 2250 C et une pression d'environ 100 kgs. au cm2. far ce chauffage et ce refroidissement par phases, le gaz est chassé des matières ou absorbé par elles progressivement pendant qu'elles sont enfermées par rapport à l'atmosphère, de sorte que l'oxydation est empêchée.
Ainsi, les vides qui se forment ordinairement dans des matières de ce genre général à la température d'agglutination sont pratiquement éliminés d'une manière complète, car la pression excessive à laquelle la matière est soumise à la température la plus élevée tasse si fortement la matière qu'elle chasse les gaz ou cause leur absorption. On assure ainsi un très haut degré de densité et de sûreté et, au cours de l'opération, les matières absorbent du carbone provenant du creuset et forment une surface fortement carburée.
Le tungstène, le nickel et le carbone se combinent aussi pour former une structure très dure et tanace de nature non cassante qui empêche l'outil de se briser à l'usage. ces mêmes matières sont plus cassantes à la température d'agglutination et présentent un nombre considérable de vides qui font que l'outil se casse facilement sous un choc et, en conséquence, avec les matières mentionnées, on réalise, selon l'invention, un outil abrasif en métal dur ou une
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pointe pour un outil qui est utilisable dans les diversos industries nécessitant des outils de ce genre.
Lorsqu'il est nécessaire d'avoir un outil ayant de grandes qualités abrasives, on utilise des diamants ; voici un procédé de confection d'un outil dans lequel des diamants sont incrustés :
Un diamant de toute grosseur désirée, de préférence plus gros que les autres, est tout d'abord placé dans le creuset dans lequel il se centre grâce au siège conique.
De petits diamants supplémentaires peuvent être placés autour de ce diamant central si on le désire. Dana l'un ou l'autre cas, après avoir placé le ou les diamants, on met une petite quantité de poudre de la composition sus-indiquée ou de composition équivalente sur les diamants, puis on tasse comme précédemment expliqué, Les diamants ne peuvent pas être brises parce qu'ils sont protégés par l'effet amortisseur de la matière pulvérisée placée sur aux, Lorsque le premier tassage a été terminé, plusieurs autres petits diamants sont posés sur le dessus du bloc, puis une nouvelle charge de matière pulvérisée est mise sur eux et on retasse et de cette façon, par plusieurs opérations ou phases, la matière est amenée à la hauteur voulue dans le moule pour former un objet de la longueur désirée.
Comme dans le premier exemple décrit, après le tassage, on envoie du courant aux électrodes pendant que de la pression est appliquée par le piston 10 jusqu'à ce qu'un chauffage au rouge clair soit obtenu, ce qui peut être déterminé par la couleur ou autrement, cette température faisant commencer la gazéification et chassant l'air emprisonné, puis on laisse refroidir jusqu'au-dessous du rouge. Ensuite une
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pression supérieure est appliquée et du courant est envoyé aux électrodes jusqu'à ce qu'une température supérieure soit atteinte et ceci est recommencé jusqu'à ce que le gaz ait été entièrement chassé ou absorbé et que la matière ait été mise sous la pression et la température les plus hautes.
Dans ce procédé comprenant l'incrustation de diamants dans une matière, l'air est exclu de celle-ci comme dans le procédé précédement décrit et ainsi l'oxydation des diamants est empêchée. La matière étant soumise à une haute température et les diamants étant entièrement couverts avec la matière, la surface des diamants cède.du carbone au tungstène pour assurer ainsi un assemblage du diamant, du tungstène et du nickel. Le diamant est par conséquent maintenu en place pratiquement par une liaison ne faisant qu'une seule pièce du diamant, du tungstène et du nickel.
Cette union est si complète qu'on a constaté en faisant de nombreux essais pour retirer le diamant de la matière que dans n'importe quel cas d'un outil fait sous les hautes pressions et températures et de la manière décrite, il n'est pas possible de déloger le diamant, mais qu'on ne réussit qu'à en détacher de petites particules ou éclats en laissant d'autres particules dans la surface de l'évidement.
Il est évident à l'examen de l'objet terminé que les diamants cèdent du carbone au tungstène sur la surface en formant une mince pellicule de carbure de tungstène très dur qui renferme le diamant, qui peut être distinguée à l'oeil nu du métal':contigu avec lequel elle est unie.
On préfère utiliser des diamants pas plus petits que
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ceux qui passeraient par un tamis de 1CO mailles au cm2 et ces diamants, lorsqu'ils sont incrustés dans le métal par le procédé perfectionné de l'invention, apparaissent à un état complet dans l'objet terminé et semble-t-il sans être abîmes dans leur structure par la chaleur et la pression auxquelles ils ont été soumis.
Le procédé sus-décrit a pour résultat de former une pointe d'outil de plus longue durabilité que les outils su carbure de tungstène agglutinés usuels de la technique antérieure en raison de leur plus grande compacité, de leur plus grande résistance à la casse et de leur plus grande dureté et, lorsqu'ils sont utilisés avec des diamants, comme dans la formation d'alésoirs, outils de perçage ou outils abrasifs pour le dressage ou la rectification des meules et pour le travail général nécessité par les industries, l'invention permet de créer des outils ou pointes d'outils dans lesquels des diamants sont incrustés qui, autant que les métaux sont concernés, présentent toutes les qualités désirables sus-mentionnées en ce qui concerne l'alliage et qui ont en raison de l'incrustation des diamants une qualité abrasive supérieure,
qui ne sont pratiquement pas sujets à déloger les diamants, car il n'est pas possible de dégager ces derniers de leurs sièges sauf en les cassant sous une pression excessive et même dans ce cas ils ne sont pas à proprement parler délogés.
Ces outils sont ainsi très recherchés dans les industries car leur efficacité n'est pas affectée par la perte des diamants dans les utilisations ordinaires auxquelles ils sont soumis et ils peuvent ainsi être employés pendant un laps de temps beaucoup plus long que les outils
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habituels comportant des diamants incrustés conformément à la technique antérieure et qui sont agglutinés de la façon ordinaire et comportent ainsi un nombre considérable de vides, et au surplus sont plus cassants qu'un outil fait de la manière sus-décrite, dans lequel la matière est réellement alliée et pratiquement exempte de vides.
On doit signaler aussi que les proportions de tungstène, de nickel et de carbone peuvent varier quelque peu, même de plus de 10 % au-dessus et au-dessous des proportions spécifiées dans ce qui précède et qu'on peut augmenter la proportion de l'une de ces matières et diminuer celle d'une autre entièrement suivant la nature de l'outil devant être fait. On peut utiliser un outil moins dur pour certaines opérations et un outil de plus grande dureté pour d'autres, ce qui est habituellement fait en augmentant ou diminuant la teneur en carbone.
Avec un outil comportant des diamants incrustés, on préfère utiliser comme base du tungstène (W) et ainsi, même en supposant qu'un peu de carbone soit utilisé dans la composition et broyé au broyeur à boulets, comme décrit, la composition a encore une forte avidité pour le carbone, ce qui est une caractéristique désirable dans la fabrication d'un outil comportant des diamants incrustés. Une caractéristique principale de l'invention réside dans l'application d'un haut degré de pression à la température d'alliage des métaux utilisés, température et pression qui n'ont pas encore été utilisées dans la fabrication d'outils à diamants incrustés de ce type général.
On conçoit par ce qui précède que le chargement du creuset par phases successives, soit avec de la matière pulvérisée seule, soit avec des diamants et de la matière
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pulvérisée, assure la formation d'une masse pulvérisée très compacte avant l'application de chaleur et qu'ensuite, en chauffant et refroidissant par des phases successives à températures et pressions croissantes jusqu'à une température et une pression d'alliage d'approximativement 700 kgs. au cm2, on assure une grande compacité et la confection d'un outil ayant une surface fortement carburée, ainsi qu'une extrême dureté associée à une ténacité empêchant la casse sous des conditions de fonctionnement ou travail normales, puis qui est exempt des défauts des compositions agglutinées de la technique antérieure.
Bien que le tungstène et le nickel soient les matières qu'on utilise de préférence, on peut aussi utiliser un métal du sixième groupe de la table périodique de Mendeleieff ensemble avec un métal du groupe fer. En tous cas, le métal du sixième groupe de la table périodique de Mendeleieff doit être non-saturé de carbone, mais non pas complètement, car il est hautement désirable que le métal ayant une certaine avidité pour le carbone absorbe du carbone du creuset au cours du traitement et que dans le cas d'outils comportant des diamants incrustés il tende, à des températures et pressions données, à absorber du carbone de la surface du diamant et à unir ainsi le diamant et le métal par ce qu'on peut appeler la graphitation du diamant.
L'invention n'est également pas limitée à l'emploi du nickel comme l'un des éléments, mais c'est l'élément préféré du groupe fer et selon les expériences il donne les outils les plus satisfaisants.
Il est en outre évident que les caractéristiques principales de l'invention résident dans la formation d'un
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alliage de métaux tels/que le tungstène et le nickel avec une quantité insuffisante de carbone libre pour saturer le tungstène, l'alliage étant fait pendant que la matière est enfermée par rapport à l'atmosphère et que les diamants sont en place dans la matière, puis en ce que toute la série des opérations, sauf le broyage au broyeur à boulets pour faire la poudre, peut être exécutée dans une machine à un seul usage, telle que la machine à souder décrite ici, et que l'outil ou la pointe d'outil obtenue est caractérisé par la carburation du tungstène ou d'une matière analogue au contact du ou des diamants.
REVENDICATIONS
1 - Procédé de fabrication d'un outil dans lequel un ou des diamants sont Incrustés ou incorporés, caractérisé en ce qu'on place l'ensemble des diamants dans une compo- sition métallique pulvérisée ayant une certaine avidité pour le carbone et on les chauffe à une température suf- fisante pour graphiter les distants à la surface seulement pour former un carbure du métal en contact avec les sur- faces des diamants.