Brevet FR2176677A1 — publié le 19731102

La présente invention concerne les outils de coupe et plus précisément un tel outil formé à partir d'une nouvelle composition de matière, ainsi qutun procédé de réalisation de tels outils de coupe. les brevets des Etats-Unis dtAmérique N 3 549 427 et N 3 549 429 décrivent plusieurs familles de matières résistant à l'usure et à l'abrasion, particulièrement utiles pour la réalisation de divers outils de coupe. Bien que ces brevets décrivent ou suggèrent un grand nombre de matières et de substitutions possibles, toutes ces matières sont essentiellement à base du système niobium-titane-tungstène.Ces brevets décrivent des outils de coupe formés à partir de matiè- res de ce système, qui sont nitrurés de manière qu'ils comprennent un revêtement de nitrure en surface. les outils réalisés comme décrit dans ces brevets sont maintenant disponibles dans le commerce et ils ont habituellement une composition contenant environ 50 j# de niobium, 30 % de titane et 20 % de tungstène. De tels outils ont un certain succès commercial. Lfinvention repose sur la découverte que ltobtention dtoutils de coupe nitrurés en surface et dtexcellente qualité est possible lorsque la base de I'outil est réalisée en alliage à base du système niobium-hafnium-blngstène. Selon l'invention, on constate que ltoutil forné est plus tenace que les outils connus du système niobium-titane-tungstène. De plus, on constate que, papiise en oeuvre de phases simples et peu coûteuses, on peut limiter la nitruration à la seule surface immédiate de coupe de outil et non pas à toute la surface de ltoutil.Ceci est important dans de nombreuses applications, car on sait que le rev#tement de nitrure est extr#mement fragile et les outils revêtus de nitrure ont une résistance et une souplesse globales ai correspondent à celles de la matière de base. Si le rev#tement de nitrure peut etre limité à la seule surface de coupe, les possibilités de fissuration du rev#tement de nitrure et d'écaillage de celui-ci sont fortement réduites. Ce plus, selon 11 invention, on constate qutune surface nitrurée dure peut entre formée sur ltoutil. Les outils selon l'invention sont tenaces, car la défectuosité drun outil est habituellement due à une défaillance au niveau des limites de grain. On sait que les gros grains d'un outil de coupe donnent de la fragilité à l'outil et favorisent fortement les possibilités de défaillance aux limites entre les grains. Dans les systèmes de ltinventiony lé hafnium accroît la stabilité des grains, si bien que l'outil est très tenace-. Selon une autre caractéristique de l'invention, on constate que la surface de nitruration peut 8tre limitée à la zone-voulue par rev#tement des parties de la surface de L-Iou- til sur lesquelles la nitruration n'est pas souhaitable avec un ou plusieurs-alliages connus de siliciure, tels luron en utilise pour donner de la résistance à l'oxydation à diverses matières- à température élevée. De tels a#lliages de siliciure sont connus des spécialistes en grand nombre, et comprennent des alliages de silicium avec du hafnium, du fer, du chrome, du molybdène, du titane, du tungstène et du niobium.Un tel siliciure utilisé avantageusement selon l'invention est une suspension des élément hafnium, fer, chrome et silicium, contenant 20 % de hafnium, 5 % de fer, 10 fo de chrome et 65 % de silicium. Ces siliciures sont bien connus et disponibles dans le commerce. Cependant, ils ne peuvent pas être utilisés avec les outils connus, du système niobium-titanetungstène, car le siliciure forme un eutectique avec le titane, cet eutectique fondant à 131 5OC. Cette température est inférieure aux températures habituelles de nftruration, qui sont par exemple comprises entre 1425 et 18700C. On a aussi découvert selon l'invention un alliage de base à une température de fusion supérieure à celle du système niobium-titanet-ungstène connu. Ainsi, les outils peuvent être nitrurés à température très élevée, si bien que les bords de coupe formétur les outils sont très durs. Un outil de coupe selon l'invention est réalisé par formation d'un alliage à base du système niobium-hafniurn- tungstène, de manière qu'il ait la configuration voulue pour outil de coupe. Ensuite, si la surface de nitruration doit Entre limitée à la seule surface de coupe de l'outil, les parties de Outil qui ne doivent pas 8tre nitrurées sont revêtues d'un siliciure du type décrit. La surface de coupe de l'outil est alors nitrurée, par exemple par mise en place de l'outil dans un four et élévation de la température à une valeur élevée, avec introduction simultanée d'azote gazeux dans le four. On peut donner diverses formes aux outils de coupe selon l'invention. Par exemple, l'outil peut Etre un simple couteau, une lame de scie, alternative ou rotative, une lame de rasoir, des dents de découpe d'une scie à chaîne, ou analogue, une plaquette rapportée pour outils d'usinage, par exemple pour un outil de tour ou de fraisage, ou une matrice de travaildumétal. On constate que les outils selon l'in vention ont une résistance très élevée à la corrosion et peuvent posséder un bord mince de forme simple ou complexe. le tableau I qui suit est une analyse détaillée de huit exemples d'alliage du système niobium-haftium-tungstène utilisé selon l'invention. le tableau I montre que, dans les plages préférées de l'invention, l'alliage contient 50 à 85 % de niobium, 10 à 30 TABLEAU I Numéro de l'exemple Niobium Hafnium Tungstène Autres 1 le reste 10 % 10 % 0,05 % Y 2 le reste 29 % 13,5 % 1,3 % Zr, 4,9 % Ti, 0,05 % C, 0,6 % y, 0,5 k Ta 3 le reste 29 % 14,4% 1,2 % Zr, 4,70% Ti, 0,044 % C, 0,05 fo Y, 0,7 % Ta 4 le reste 29,5 % 14 % 1,5% Zr, 0,26% Ti, 0,058 % C, 0,06 % Y, Ta 5 le reste 29 % 14,4 % 1,3 % Zr, 4,7 % Ti, 0,053 % C 0,033 % Y, 0,7 % Ta 6 le reste 28 % 15,8% 0,9% Zr, 0,03 % Ti, 0,088 % C, par million Y, 0,7 fo Ta 7 le reste 30 % Il % 1 % Zr. 3 % Ti, 0,066 % C, 0,03% Y, 0,5 % Ta 8 le reste 30 X 18 % 1 % Zr, 4 % Ti, 0,05 % C, 0,05 % Y, 0,5 % Ta Le tableau Il qui suit donne les résultats d'un grand nombre d'essais réalisés selon l'invention. La composition de l'alliage de base est identifiée par le numéro de l'exemple du tableau I. De plus, le tableau Il montre la con figuration de l'alliage de base, les conditions de nitruration de la surface et la dureté Vickers, déterminée avec une pyramide de diamant, de la surface nitrurée.Sauf indication contraire, le procédé de nitruration comprend la durée en minuteiet la température en degrés Celsius, du traitement thermiqtla auquel est soumis l'échantillon dans un four, dans une atmosphère d'azote à une pression voisine de la pression atmosphérique. TABLEAU Il Composition Forme Nitruration Dureté Durée, Tempéra- Vzckers mn ture, OC Exemple 1 Feuille de 15 à 1540 718 0,635 mm Exemple 1 " 14 à 1540 745 Exemple 1 't 60 à 1425 747 Exemple 1 " 30 à 1540 747 Exemple 1 " 30 à 1650 1092 Exemple 1 " 120 à 1540 835 Exemple i lame 5 à 1650 Exemple 1 bord de cou- 15 à 1540 teau Exemple 1 " 15 à 1540 puis 5 à 1650 Exemple 1 - 5 à 1425 puis 15 à 1540 puis 5 à 1650 Exemple 2 bord de do couteau Exemple 4 ll do Exemple 2 lame de scie à bois do Exemple 2 lame de scie à métaux do Exemple 5 lame de scie industrielle lourde do Exemple 5 lame de rasoir 5 à 1425 puis 15 à 1540 puis 5 à 1650 Exemple 1 couteau à li noléum do Exemple 4 lame de scie do Exemple 4 lame de couteau do Exemple 3 trépan 5 à 1425 sous vide puis 15 à 1540 sous N2 puis 5 à 1650 sous N2 t TABLEAU Il (suite) Composition Forme Nitruration Dureté Durée Tempéra- Vickers mn ture,0C Exemple 2 lame do Exemple 6 bord de couteau do Exemple 4 scie à bois do Exemple 1 - scie à métaux do Exemple 1 scie à bois do Exemple 3 trépans 15 à 1540 747 puis 5 à 1650 Exemple 4 scie à bois do Exemple 1 scie à bois 15 à 1540 Exemple 4 plaquette carrée 60 à 1650 1517 Exemple 2 plaquette carrée 60 à 1650 885 Exemple 7 foret rond 10 à 1650 1558 sous vide puis 60 à 1760 Exemple 3 foret carré do 2354 Exemple 7 disque . do 1323-1610 Exemple 8 trépans 5 à 1650 sous vide puis 30 à 1650 sous N2 Exemple 1 scie à mé taux 10 à 1650 sous vide puis 15 à 1650 sous N2 Exemple 8 foret à verre do Exemple 1 bord de cou teau-scie 15 à 1650 1457 Exemple 7 disque 15 à 1650 870 Exemple 1 lame de scie à métaux 15 à 1650 1405-1500 Exemple 1 couteau 15 à 1650 872-1.392 Exemple 1 couteau-scie 15 à 1425 1176-1426 puis 15 à 1650 Exemple 1 - 15 à 1650 908-1044 TABLEAU Il (suite) Composition Forme vritzuration Dureté Durée, Tempé- Vickers mn rature, " Exemple 4 - 15 à 1650 1300-1356 Exemple 1 - 5 à 1650 812-954 Exemple 4 - 5 à 1650 722-932 Exemple 1 - 30 à 1650 1064-1200 Exemple 4 - 30 à 1650 1062-1228 Exemple 1 - 15 à 1425 1146-1170 puis 15 à 1650 Exemple 4 - do 1002-092 Exemple 1 - 15 à 1760 1792-1808 puis 15 à 1650 Exemple 4 - do 1460-1508 Exemple 1 - 15 à 1540 780-940 Exemple 1 - 15 à 1425 514-566 Exemple 1 - 60 à 1540 1038-1106 puis 5 à 1760 Exemple 1 - 60 à 1425 1174-1192 puis 5 à 1760 Exemple 1 - 5 à 1760 1916-2112 puis 5 à 1870 puis 5 à 1980 Exemple 4 - do 1484-1604 Exemple 1 - 5 à 1760 964-1192 Exemple 4 - 5 à 1760 1084-1166 Exemple 1 - 5 à 1980 1716-2196 Exemple 4 - 5 à 1980 1988-2516 Exemple 4 couteau 5 à 1650 Exemple 1 couteau-scie 5 à 1650 Exemple 7 foret carré 60 à 1925 1832-2196 Exemple 7 foret carré 60 à 1925 1792-2044 Exemple 7 foret carré 60 à 2040 Exemple 7 foret carré 60 à 1980 Exemple 2 foret carré 60 à 1760 Les outils formés correspondant au tableau Il sont très supérieurs aux outils analogues de la technique antérieure, à base du système hafnium-titane-tungstène. Les outils de coupe très fins, par exemple les bords de couteau, les lames de scie, les lames de rasoir et analogues, sont nettement plus souples que les outils connus, et ils ont moins tendance à se briser ou les surfaces nitrurées ont moins tendance à se fissurer que dans le cas oh les outils sont utilisés de manière normale. De plus, les surfaces de coupe des outils sont aussi dures ou plus dures que celles des outils corinus, ceux-ci étant plus tenaces et plus résistants à l'usure que les outils de la technique antérieure. Par exemple, les plaquettes rapportées citées sont comparées à des plaquettes analogues disponibles dans le commerce, à base des systèmes cités. On constate que les outils de l'invention s'usent jusqurà dix fois moins que les outils de la technique antérieure, lorsqu'ils sont soumis aux mimes essais d'usinage. Il est bien entendu que l'invention n'a été d- crite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs, sans pour autant sortir du cadre de l'invention. Par exemple, on peut mettre en oeuvre d'autres procédés de nitruration, par exemple pendant des temps dif- féreilts ou à des températures différentes, sous des pressions d'azote différentes ou dans des gaz différents contenant de l'azote, pour former la surface nitrurée des outils de coupe. REVENDICATIONS 1. Outil de coupe formé à partir d'un alliage de base et ayant une surface nitrurée sur la surface de coupe au moins de l'outil, celui-ci étant caractérisé en ce que l'alliage de base est un alliage nioèium-hafnium-tungstène contenant 50 à 85 ffi de niobium, 10 à 30 % de hafnium et 10 à 20 ffi de tungstène. 2. Outil selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'alliage de base contient au maximum 7 fo d'éléments supplémentaires d'alliage tels que le zirconium, le titane, le carbone, l'yttrium et la tantale. 3. Procédé de réalisation d'un outil de coupe selon l'une des revendications 1 et 2, selon lequel l'alliage de base est mis sous forme de l'outil de coupe voulu, la nitruration étant réalisée en atmosphère d'azote à température élevée, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend le revê- tement des parties à ne pas nitrurer de la surface de l'outil avec un alliage de siliciure retardateur de nitrure avant la phase de nitruration.