Brevet FR2145659A1 — publié le 19730223

Comme on le sait, on ddsigne couramment par le nom de "métal dur" un matériau constitué par un mélange d'au moins un carbure de métal appartenant à la famille des métaux dits rfractaires ayant une dureté éleviez et d'au moins un métal servant de liant, ce mélange ayant été mis sous forme d'un corps solide par frittage à haute température. Ce carbure peut être notamment choisi parmi les suivants: le carbure de tungstène, le carbure e titane, le carbure de tantale, le carbure de niobium et le carbure mixte de tantale et de niobium. Le métal servant de liant est, de préférence, choisi parmi le cobalt, le fer et le nickel. Parmi ces métaux, c'est le cobalt qui est le plus couramment utilisé. La dureté superficielle d'une pièce en métal dur est gdnéra- lement très élevée, de même que sa résistance à l'abrasion. Ces propriétés rendent très intéressant l'emploi du métal dur en vue de nombreuses applications pratiques, en particulier pour fabriquer des filières, des rouleaux de laminoir, des fraises, des outils de coupe non réaffutables et d'autres pièces mécaniques destinées à servir d'outil pour l'usinage ou la mise en forme de matériaux durs, par exemple de l'acier, ou encore pour fabriquer des outils de forage, etc. Il est évidemment souhaitable d'augmenter la dureté superficielle et la résistance A l'usure de telles pièces notamment en vue d'augmenter leur durée de vie et de Permettre d'accélérer les cadences d'usinage ou de tréfilage que l'on peut atteindre avec ces outils. C'est précisément le but que se propose l'invention. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de traitement de la surface d'une pièce en métal dur, caractérisé par le fait que l'on met cette surface en contact avec un mélange de carbure de bore et de borax, à une température au moins égale au point de fusion de ce mélange et que l'on prolonge ce contact pendant un temps suffisant pour obtenir la formation d'une couche durcie à la surface de la pièce. Pour mettre en oeuvre le procédé décrit ci-dessus, on procède, de préférence, à une immersion partielle ou complète de la pièce ou des pièces à traiter dans un bain liquide du mélange de carbure de brre et de borax-maintenu à temeérature supérieure au point de fusion de ce mélange et contenu dans un rdeinient approprié construit en un matériau résistant à l'action chimique du bain-à la température de travail, par exemple dans un creuset en fer pur ou en acier à faible teneur en carbone, du type dit "extra doux". La composition du bain peut être variable, mais, de préférence, le bain renferme entre 5 ct 50%, et plus patttculièrement, entre 5 et 30%, en poids, de carbure de bore. En faisant varier la concentration du bain en ce dernier composé, on peutgler, à volonté, la dureté et la résistance au choc de la surface des pièces obtenues après un temps de traitement donné. La température à laquelle on maintient le bain pendant le traitement est comprise entre le point de fusion du bain, qui est de l'ordre -de 700 à 740 C, et une limite supérieure correspondant à la température de fusion de l'alliage formé entre le métal servant de liant dans le métal dur, par exemple le cobalt, et le bore. Par exemple, pour une teneur en bore de 3% en poids dans un alliage cobalt-bore, la température de fusion de l'alliage est de 11500C environ. La durée de traitement est de l'ordre de une à quelques heures, par exemple 2 à 3 heures. Cette durée est fpnction, pour une composition du bain de traitement donnée, de l'épaisseur et de la dureté désirées pour la couche durcie. I1 est à remarquer aue, comme les bains de mélange de borax et carbure de bore ont un grand pouvoir décapant, il est inutile de dégraisser et/ou de décaper les pièces avant de leur faire subir le traitement, ce qui constitue évidemment une particulari- té intéressante du procédé selon l'invention. Une autre particularité de ce procédé favorable-du point de vue pratique réside dans le fait que le bain de traitement est insensible a l'action dc l'air atmosphérique méme présentant une teneur en humidité importante. Par conséquent, il n'est pas nécessaire de maintenir une atmosphère de gaz inerte en contact avec la surface libre de ce bain. I1 est à noter que l'on connaît déjà un procédé de traitement de pièces en acier, pour augmenter la dureté superficielle de ces pièces, qui consiste à immerger ces pièces dans un hain de mélange de carbure de bore et de borax maintenu à temndrature au moins égale au point de fusion de ce mélange. Toutefois, le fait qu'un tel traitement puisse être favorablement applique dans le cas de pièces en métal dur parait surprenant.En effet, il est bien connu que les carbures des métaux réfractaires sont susceptibles de réagir chimiquement avec le bore et que le résultat d'une telle réaction est la formation de borures complexes accompagnée de la libration de carbone élémentaire. Comme les carbures de métaux réfractaires sont les constituants principaux d'un métal dur tau moins 70% en noids), on devrait donc s'attendre non à une augmentation mais bien à une diminution de la dureté superficielle de pièces en métal dur soumises au procédé selon l'invention. On connaît, d'autre part, un procédé de traitement de la sur fac de pièces en métal dur, notamment de filières et de pla quetter rie coupe, qui consiste à mettre cette surface en contact -avec un halogénure de bore, par exemple le chlorure BC13 à l'état gazeux, à une température élevée. Ce procédé présente l'inconvénient de s'accompagner d'un important risque de dzt6- rioration de la surface traitée, par suite d'une attaque chimique par l'halogénure de bore. De ce fait, il parait moins adapté que le procédé selon l'invention à être appliqué à l'échelle industrielle. On connaît en outre un procédé de traitement de la surface de pièces en métal dur, notamment de fraises, aui consiste à effectuer une électrolvse en utilisant comme électrolyte le bo à l'état fondu, par exemnle par chauffage à une température de l'ordre de 800 C, entre une anode inerte et une cathode constituée par les pièces à traiter. Ce procédé partît égalent moins adapté ! une mise en oeuvre industrielle que le nrocédé selon l'invention. De plus, il présente l'inconvénient, pour des pièces aant une forme compliquée, de donner lieu à des différences locales de densité de courant d'oh il résulte évidemment des inégalités dans l'effet de durcissement obtenu. Exemple 1 On traite de la manibre suivante une filière en métal dur per cée d'un trou ayant un diamètre intérieur égal à 0,2 mm, et constituée par un mélange de carbure de tungstène et de cobalt, mis sous forme d'un corps solidc par frittage à haute tempéra- ture et ayant la composition suivante (en pourcentage pondéral): carbure de tungstène 90% cobalt 108 On immerge cette filière dans un bain de mélange de carbure de bore et de borax ayant la composition suivante (en pourcentage pondéral): borax (Na2B4O7) 75% carbure de bore (B4C) 25t et maintenu à l'état liquide, à 10000C, dans un creuset cn fer pur. On maintient la filière dans ce bain pendant 3 heures, puis on la retire du bain et on la laisse refroidir jusqu'à la temp- rature ambiante (200C) dans l'air. La dureté superficielle de la filière, qui est de 2000/il If (unités Vickers, mesures effectuées sous une charge de 100 g) avant traitement devient égale à environ 2500 yU II après le traitement qui vient d'être décrit. Cette augmentation de dureté se produit non seulement sur les faces extérieures de la filière mais également à l'intérieur du trou. Par examen micrographique effectué sur une coupe transversale de la filière, on constate que la surface de cette filière est munie, après le traitement, d'une couche durcie par diffusion s'étendant jusqu'à une profondeur de l'ordre de 0,1 mm, ceci tant également le cas autour du trou. Cette valeur est supérieu- re aux valeurs de rattrapage usuelle des jeux de filières, ce qui confère à la filière traitée une longévité bien supérieure à celle d'une filière identique non traitée. Exemple 2 On traite de la manidre qui est décrite dans l'exemple 1 une plaquette de coupe en métal dur pour outil de coupe, le métal dur de cette pièce ayant la composition suivante (en pourcentage pondéral): Cobalt Carbure de Carbure de Carbure de Carbure de titane tantale niobium tungstène 9,5 19 1Z,2 3,8 55,5 On obtient également une augmentation de la dureté superficielle de la pièce traitée, cette dureté étant de 1850/u Il avant traitement et 2450/u H après traitement (mesures de dureté effectuées sous une charge de 100 g). L'épaisseur de la couche durcie par diffusion est de l'ordre de 0,2 mm, comme le montre un examen micrographique d'une coupe de la plaquette agrès traitement. Des essais comparatifs de coupe, par tournage à qrande vitesse ont été effectués sur des échantillons d'une fonte grise lamellaire ayant la composition suivante, en poids %: Carbone Phosphore Soufre Silicium Manganèse Fer 3,07 0,025 0,008 2,03 0,7 le reste et avec des plaquettes de coupe ayant subi le traitement qui vient d'être décrit et des plaquettes de coupe identiques mais n'ayant pas été soumises à ce traitement. Les conditions de coupe ont été les suivantes: vitesse 350 m/min avance 0,1 mm/tour profondeur de coupe 0,2 mm Ces essais ont montré une nette amélioration de la résistance à l'usure des plaquettes grâce au traitement selon l'invention. En effet, dans les conditions indiquées ci-dessus, l'usure des plaquettes traitées a été moindre, après 4 minutes de temps de coupe, que celles des plaquettes non traitées utilisées pendant un temps de coupe d'une minute seulement. D'autre part, la surface des pièces usinées est de meilleure qualité dans le cas od l'on utilise les plaquettes coupantes ayant subi le traitement selon l'invention. Outre le procédé qui vient d'être décrit, l'invention a éga- lement pour objet une pièce en métal dur ayant une couche sunerficielle plus dure que le coeur de cette pièce, obtenue par ce procédé. REVENDICATIONS 1. Procédé de traitement de la surface d'une pièce en métal dur pour augmenter sa dureté superficielle, caractérisé par le fait que l'on met cette surface en contact avec un mélange de carbure de bore et de borax, à une température au moins égale au point de fusion de ce mélange et que l'on prolonge ce contact pendant un temps suffisant pour obtenir la formation d'une couche durcie à la surface de la pièce. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit mélange de carbure de bore et de borax renferme au moins 5 % et au plus 50 %, en poids, de carbure de bore. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que ledit mélange de carbure de bore et de borax a la composition suivante, exprimée en pourcentage pondéral : B4C : 25 % Na2B407 : 75 %. 4. Procédé selon l'ensemble des revendications 1, 2 et 3, caractérisé par le fait que ladite température est de 1 0000 C et ledit temps de 3 heures. 5. Pièce en métal dur ayant une couche superficielle plus dure que le coeur de cette pièce, obtenue par le procédé selon la revendication 1.