Brevet FR2096507A1 — publié le 19720218

La présente invention concerne les plaquettes de coupe en métal dur utilisées pour l'usinage par enlèvement de copeaux de l'acier, de la fonte et d'autres matières métalliques et non métalliques. 5 Pour ce travail, les plaquettes sont habituellement fixées à l'outil de coupe par soudage, pinçage ou serrage, la plaquette ayant souvent une forme triangulaire ou carrée, et offrant des arêtes coupantes entre une des faces d'extrémité, ou les deux, et les surfaces latérales de la plaquette. 10 L'application de couches minces de matières dures, par exem ple de carbures, sur un métal dur fritté pour obtenir une résistance supérieure à l'usure de la matière de coupe est déjà connue. Une couche mince de carbure de titane est ainsi utilisée pour l'usinage de l'acier et de la fonte. Pour l'usinage de la fonte, 15 en particulier avec des vitesses de coupe faibles, des couches de carbure de tungstène sont aussi utilisées. L'une ou l'autre des couches dures ci-dessus donne le meilleur résultat selon le type de mécanisme d'usure. Dans la pratique, il a été nécessaire jusqu'ici de se contenter à titre de 20 compromis d'une couche de TiC qui donne de très bons résultats pour l'usinage de l'acier et des résultats relativement bons pour l'usinage de la fonte, en particulier aux grandes vitesses de coupe. Il a été proposé aussi d'utiliser des couches de carbures mélangés, par exemple de (TiW)C, mais c'est aussi un compromis. 25 Une solution radicale au problème pour obtenir une durée de vie optimale de la matière de l'outil pour l'usinage de matières diverses à vitesse élevée aussi bien qu'à faible vitesse de coupe est obtenue de façon surprenante, selon l'invention, en appliquant des couches de matières dures de catégories différentes les unes 30 sur les autres. Conformément à l'invention, le revêtement appliqué sur le corps de la plaquette en métal dur est formé de deux couches très minces extrêmement résistantes à l'usure appliquées l'une sur l'autre, l'une des couches étant en carbure de titane, en carbure 35 de tantale, en carbure de zirconium, en carbure d'hafnium, en carbure de vanadium et/ou en carbure de niobium à grains extrêmement fins et l'autre couche en carbure de tungstène, en carbure de molybdène et/ou en carbure de chrome à grains extrêmement fins. Les deux couches peuvent, de préférence, être appliquées sur IfO le corps de la plaquette par dépôt à partir d'une phase gazeuse. 71 23000 2. 2096507 Dans ce cas, il est convenable d'utiliser, un halogénure du métal choisi mélangé avec de l'hydrogène et un hydrocarbure. Par exemple, pour l'application de carbure de titane, Un mélange -de tétrachlorure de titane et d'hydrogène et de méthane convient en géné-5 ral. La réaction a lieu habituellement à une température comprise entre 700°C et 1100°C avec une pression de gaz comprise entre 1 et 100 mm Hg, les gaz circulant à travers le récipient dans lequel a lieu le dépôt. D'autres procédés peuvent être utilisés pour l'application 10 du revêtement double. Par exemple, il est avantageux d'effectuer le dépôt par bombardement ionique. Le dépôt par évaporation et le dépôt électrolytique peuvent être aussi mentionnés parmi les procédés donnant d'excellents résultats. Il a été constaté qu'un revêtement double formé de la façon 15 indiquée ci-dessus donne les mêmes bons résultats pour l'usinage de l'acier ainsi que de la fonte ou d'autres métaux, et d'autres matières. En particulier, l'invention permet de tirer profit, pendant la durée de vie de la plaquette, d'une part, de l'excellente résistance mécanique et de l'excellente résistance à l'usure 20 de la couche de carbure de tungstène, de carbure de chrome, ou de carbure de molybdène et, d'autre part, de la résistance élevée à la formation de cratères et à l'usure par écaillage, en particulier dans l'usinage de l'acier, qui sont caractéristiques de la couche de carbure de titane, de carbure de tantale, de carbure de 25 zirconium, de carbure d'hafnium, de carbure de vanadium ou de carbure de niobium. Il est ainsi possible d'obtenir les résultats optimaux pour l'usinage de la fonte ou de matières similaires à des vitesses et à des températures de coupe faibles, ainsi que pour l'usinage de l'acier, de la fonte et de matières similaires à 3Q grande vitesse de coupe avec des pressions élevées et des températures élevées. Le revêtement doit être extrêmement mince pour obtenir une vie utile optimale dans des conditions de coupe extrêmement variables, cette durée de vie supérieure étant caractéristique d'une 35 plaquette de coupe selon l'invention. Selon un mode de mise en oeuvre de l'invention, le revêtement de la plaquette doit couvrir au moins la ou les arêtes coupantes et la face ou les faces de dégagement et en général aussi la face ou les faces de dépouille. Il convient souvent aussi de couvrir 40 le substrat, c'est-à-dire le corps de la plaquette, entièrement 71 23000 3. 2096507 d'un revêtement du type indiqué ci-dessus. Le corps de la plaquette de coupe est en métal dur fritté contenant au moins un carbure, par exemple WC, TiC, TaC et/ou NbC en dehors d'un métal liant, par exemple Co, Ni et/ou Fe. Le 5 corps de la plaquette doit recevoir la forme désirée avant l'application du revêtement. Selon des facteurs tels que la matière à usiner et le type de coupe, la vie utile optimale de la plaquette est obtenue avec différentes positions relatives des deux couches du revêtement. 10 Dans de.nombreux cas, le meilleur résultat est obtenu quand la couche intérieure située sur le corps de la plaquette est en carbure de titane, carbure de tantale, carbure de vanadium, carbure de zirconium, carbure d'hafnium et/ou carbure de niobium, et la couche extérieure en carbure de tungstène, carbure de molybdène 15 et/ou carbure de chrome. A titre d'exemple de conditions de coupe avec lesquelles le revêtement donne des résultats optimaux, on peut citer le tournage de l'acier et de l'acier moulé. Cette opération est commencée par un usinage d'ébauchage effectué à une vitesse de coupe faible, suivi d'un usinage fin à des vitesses 20 supérieures et finalement à très grande vitesse de coupe. Dans d'autres cas, une vie optimale de la plaquette est obtenue quand la couche située au contact du corps de la plaquette est en carbure de tungstène, carbure de molybdène et/ou carbure de chrome et la couche extérieure en carbure de titane, carbure de 25 tantale, carbure de vanadium, carbure de zirconium, carbure d'hafnium et/ou carbure de niobium. A titre d'exemple d'opérations de coupe pour lesquelles ce revêtement donne des résultats optimaux, on peut citer le tournage de la fonte dans des conditions extrêmement variables parmi lesquelles l'avance de l'outil et la vites-30 se de coupe. Il est convenable, dans certains cas, d'appliquer une couche extrêmement mince de cobalt, de«nickel, et/ou de fer entre les deux couches résistant à l'usure appliquées l'une sur l'autre. De cette façon, la ténacité du revêtement est augmentée dans une me-35 sure substantielle. L'épaisseur de cette couche intermédiaire mince peut être comprise entre 0,1 et 2 microns. Il est avantageux aussi, dans certains cas, d'appliquer une couche mince de métal entre le corps en métal dur et le revêtement. Cette couche par exemple en platine, en fer ou en nickel peut avoir une épais-40 seur inférieure à 2 microns. La résistance à l'usure des deux 71 23000 2096507 couches de carbures selon l'invention, avec ou sans les couches intermédiaires, augmente remarquablement la durée de vie d'autres pièces en métal dur fritté ayant le revêtement. A titre d'exemples, peuvent être citées les parties d'usure d'éléments de machines ou 5 d'outils pour lesquelles il est demandé une résistance à l'usure et une dureté extrêmement élevées en même temps qu'une bonne résistance mécanique. Les caractéristiques de l'invention ressortiront plus particulièrement de,la description des exemples suivants, faite en se 10 référant au dessin annexé sur lequel : Fig. 1 est une coupe d'une partie de plaquette de coupe portant un revêtement exécuté selon un mode de mise en oeuvre de l'invention, et Fig. 2 et 3 sont des courbes de la résistance à l'usure en 15 fonction du temps d'usinage pour le tournage^ EXEMPLE 1 La partie de plaquette représentée sur la fig. 1 comporte un corps de plaquette de coupe 1 en métal dur fritté portant un revêtement mince formé par des couches 2, 3 et if Cet exemple con-20 cerne une plaquette dans laquelle le revêtement est constitué par une couche intérieure 2 en TiC, une couche extérieure 3 en WC et une couche intermédiaire 4 en Co entre les deux couches résistant à l'usure. L'épaisseur de chaque couche résistant à l'usure est d'environ 2 microns, et l'épaisseur de la couche de Co moins dure 25 est d'environ 0,5 micron. La composition du métal dur formant le corps de la plaquette est, en pourcentages en poids, 10 % de Co, 7,0 % de WC et 20 % de carbure ternaire sous la forme TiC, TaC et NbC. Les deux couches de carbures résistant à l'usure sont déposées suivant cet exemple à partir de phases gazeuses contenant le 30 chlorure métallique correspondant (TiCl^ ou WClg suivant le cas) mélangé avec du méthane et de l'hydrogène. La couche de Co suivant cet exemple est appliquée par bombardement ionique. EXEMPLE 2 Le diagramme de la fig. 2 montre le résultat d'essais de 35 coupe suivant lesquels une plaquette portant un revêtement formé par une couche superficielle de TiC selon une technique antérieure est comparée avec une plaquette selon l'invention portant un revê-teaent comportant use couche de TiC et une c&uche de WC. L'usinage suivant cet exemple est effectué par tournage de 40 pièces en fonte d'un diamètre initial relativement important. 71 23000 5. 2096507 L'essai est effectué principalement en coupe orthogonale, c'est-à-dire par avance uniquement radiale de l'outil, et avec une vitesse de rotation constante de la pièce usinée. Des conditions d'essais identiques sont ainsi obtenues avec une vitesse de coupe décrois-5 sant progressivement avec la diminution du diamètre de la pièce usinée. L'épaisseur du revêtement comportant les deux couches est la même que l'épaisseur de la couche simple. Les résultats des essais sont donnés ci-après. Tournage de pièces en fonte. L'usure de l'outil est considé-10 rée en fonction du temps d'usinage avec une vitesse de coupe décroissant progressivement, mais avec des conditions de coupe par ailleurs constantes. Vitesse de coupe 280-25 m/mn Nombre de tours 282 t/mn 15 Avance 0,60 mm/tour Profondeur de coupe '2,5 mm Angle de l'arête coupante 90° Matière de la pièce usinée : fonte SIS 0125 ayant pour composition, à l'analyse C = 3,3 %, 20 Si = 2,0 %, Mn = 0,8 % Matières de l'outil : (a) Plaquette en métal dur avec revêtement de TiC (couche simple) d'une épaisseur de 3>5 microns (outil témoin) 25 (b) Plaquette en métal dur avec revêtement selon l'invention (deux couches) formé d'une couche intérieure de WC d'une épaisseur de 1,5 micron et d'une couche extérieure de TiC d'une épaisseur de 2 microns. 30 La fig. 2 donne l'usure moyenne par écaillage VB en fonc- tion du temps d'usinage t. Il est évident que la durée de vie de la plaquette de coupe (b) portant un revêtement selon l'invention est considérablement supérieure à celle de la plaquette de coupe témoin (a). 35 EXEMPLE 3 Le diagramme de la fig. 3 donne les résultats d'un autre essai de coupe pour lequel une comparaison similaire est faite entre une plaquette en métal dur portant un revêtement en deux couches d.e carbures selon l'invention et une plaquette en métal dur por-40 tant un revêtement formé d'une seule couche de carbure selon une 71 23000 s. 2096507 technique antérieure. Les conditions diffèrent de celles de l'exemple 2 du fait que l'usinage est effectué sur les pièces en acier et que l'ordre d'application des deux couches de carbures selon l'invention est inverse. 5 L'usinage est effectué d'une façon analogue à celui de la fig. 1, mais en usinage intérieur. De cette façon, une vitesse de coupe croissant progressivement avec l'augmentation du diamètre intérieur de la pièce usinée est obtenue avec des conditions par ailleurs constantes. 10 Les résultats des essais sont donnés ci-après. Tournage de pièces en acier. L'usure de l'outil est considérée en fonction du temps d'usinage avec une vitesse de coupe croissant progressivement, mais avec des conditions de coupe constantes par ailleurs. 15 Vitesse de coupe 50-280 m/mn Nombre de tours 282 t/mn Avance 0,40 mm/tour Profondeur de coupe 2,0 mm Angle de l'arête coupante 90° 20 Matière de la pièce usinée : acier au carbone Sandvik 17 C (1 % de C) Matières de l'outil : (a) Plaquette en métal dur avec un revêtement de TiC (couche simple) d'une épaisseur de 4 mi- 25 crons (outil témoin). (b) Plaquette en métal dur avec revêtement selon l'invention (deux couches) formé d'une couche intérieure de TiC d'une épaisseur de 2 microns et d'une couche extérieure de WC d'une épais- 30 seur de 2 microns. La fig. 3 donne la profondeur des cratères KT, c'est-à-dire l'usure par formation de cratères en fonction du temps d'usinage t. Il est évident que la durée de vie de la plaquette de coupe (b) portant un revêtement selon l'invention est' considérablement 35 supérieur à celle de la plaquette témoin (a). Bien entendu, la description et les exemples qui précèdent ne sont pas limitatifs et il va de soi que l'invention peut être mise en oeuvre suivant d'autres variantes sans que l'on sorte de son cadre. 71 23000 7. 2096507 BEVEHDICATIONS 1. Plaquette de coupe pour l'usinage de l'acier, de la fonte et d'autres matières, comportant un corps de plaquette en métal dur fritté contenant au moins un carbure en dehors du métal liant, 5 corps sur lequel on applique un revêtement très mince ayant une résistance à l'usure supérieure à celle du métal du corps de la plaquette, caractérisée en ce que le revêtement mince est constitué par deux couches résistant à l'usure appliquées l'une sur l'autre, une couche consistant en un carbure à grains extrêmement 10 fins choisi dans le groupe constitué par le carbure de titane, le carbure de tantale, le carbure de zirconium, le carbure d'hafnium, le carbure de vanadium et/ou le carbure de niobium et l'autre couche consistant en un carbure à grains extrêmement fins choisi dans le groupe constitué par le carbure de tungstène, le carbure 15 de molybdène et/ou le carbure de chrome, aucune des deux couches résistant à l'usure ne comprenant de métal liant. 2. Plaquette de coupe selon la revendication 1, caractérisée en ce que le revêtement couvre au moins la ou les arêtes coupantes, et les faces de dégagement. 20 3. Plaquette de coupe selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que l'épaisseur de chaque couche résistant à l'usure est comprise entre 1 et 9 microns, et de préférence entre 1,5 et 6 microns. if. Plaquette de coupe selon l'une des revendications 1 à 3, 25 caractérisée en ce que l'épaisseur de chaque couche résistant à l'usure est inférieure à 5 microns et de préférence supérieure à 2 microns. 5. Plaquette de coupe selon l'une des revendications 1 à if, caractérisée en ce que chaque couche est appliquée par dépôt à 30 partir d'une phase gazeuse. 6. Plaquette de coupe selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le corps» de la plaquette a la forme finale désirée, avant l'application des couches. 7. Plaquette de coupe selon l'une des revendications 1 à 6, 35 caractérisée en ce que la couche intérieure située directement sur le corps de la plaquette est formée d'un carbure choisi dans le groupe constitué par le carbure de tungstène, le carbure de molybdène et le carbure de chrome, et la couche extérieure est formée d'un carbure choisi dans le groupe constitué par le carbure de ij.0 titane, le carbure de tantale, le carbure de zirconium, le carbure 71 23000 8. 2096507 d'hafnium, le carbure de vanadium et/ou le carbure de niobium. 8. Plaquette de coupe selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la couche intérieure située directement sur le corps de la plaquette est formée d'un carbure choisi dans 5 le groupe constitué par le carbure de titane, le carbure de tantale, le carbure de zirconium, le carbure d'hafnium, le carbure de vanadium et/ou le carbure de niobium, et la couche extérieure est formée d'un carbure choisi dans le groupe constitué par le carbure de tungstène, le carbure de molybdène et le carbure de 10 chrome. 9. Plaquette de coupe selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que les deux couches résistant à l'usure sont séparées par une couche intermédiaire extrêmement mince formée par un métal choisi dans le groupe constitué par le cobalt, le 15 nickel et/ou le fer. 10. Plaquette de coupe selon la revendication 9» caractérisée en ce que l'épaisseur de la couche intermédiaire mince est comprise entre 0,2 et 2 microns. 11. Plaquette de coupe selon l'une des revendications 1 à 20 9, caractérisée par. l'application, entre le corps en métal dur et le revêtement, d'une couche mince formée par un métal choisi dans le groupe constitué par le platine, le fer et le nickel entre le corps de la plaquette et la couche intérieure. 12. Plaquette de coupe selon la revendication 11, caracté-25 risée en ce que l'épaisseur de la couche intermédiaire entre le corps de la plaquette et le revêtement est inférieure à 2 microns.