Brevet FR2284408A1 — publié le 19760409

La présente invention concerne un produit revêtu en acier et son procédé de réalisation. Jusqu'à présent, on a réalisé les lames de scies à bande et d'autres outils ou instruments de coupe ou résistant à l'usure en acier martensitique dans lequel le métal a subi un traitement thermique de manière que le bord de coupe soit dur. Ce craitement est limité en général à un ou plusieurs bords de coupe. De plus, les bords de coupe ont déjà- été revêtus de carbure de tungstène, de carbure de titane et d'autres matières dures destinées à durcir les bords de manière que leur durée utile soit accrue.Cependans on n'a pas réalisé d'instrument de coupe dans lequel le composé ou métal réfractaire a été implanté sous forme ionique, dans une surface d'un élément en acier, près du bord de-coupe, le métal ou composé réfractaire étant ensuite transformé en un composé plus dur au niveau du bord de coupe, le composé en métal réfractaire et le bout en acier subissant ensuite une trempe par induction pulsée. De cette manière, la lame formée résiste à la corrosion etc une durée utile qui est un multiple élevé de celle d'une lame durcie dans la masse. Plus précisément, l'invention concerne de façon générale un instrument en métal ferreux portant un revêtement d'un composé métallique réfractaire sur une partie de sa surface, le composé étant enrobé sur la surface et étant maintenu par une structure martensitique formée par traitement simul ténue par induction pulsée du revêtement et du substrat près de celui-#ci. Plus précisément, l'invention concerne un instrument de découpe, et notamment une lame de scies notamment à bande, La lame comprend une série de dents dont la bouts constituent des substrats qui portent des revêtements d'un composé métallique implanté sous forme ioniqueaet enrobé à l'intérieur. Les substrats formés par les bouts sont sous forme de martensite sousmicroscopique maintenant fermement le composé en métal réfractaire qui a été implanté. Le procédé de réalisation d'un tel produit comprend dlabord-la mise en forme et l'aiguisage de l'instrument ou ou til à la configuration finale. Dans le cas d'une lame de scie à bande, le procédé comprend la découpe des dents le long d'un bord d'une bande d'acier de largeur uniforme, puis la déformation et l'aiguisage de ces dents. Un tronçon de lame est alors nettoyé et enroulé de façon serrée, et il est placé dans une chambre d'implantation d'ions de manière que les bouts des dents soient tous exposés à l'atmosphère de la chambre. La bobine est reliée électriquement à un circuit électrique continu de manière qu'elle forme la cathode, et un métal réfractaire formant l'anode est évaporé.Après plusieurs nettoyages de la chambre par de l'argon ou un autre gaz inerte et mise sous vide, le circuit électrique crée un plasma qui nettoie la surface des bords de coupe. Ensuite, le métal réfractaire est chauffé jusqu'à ce qu'il fonde. Les ions sont ainsi implantés dans le métal réfractaire sur les bouts qui forment ainsi le substrat. L'anode peut comprendre un canon à électrons ou un autre dispositif de pulvérisation. Lors de l'utilisation d'un métal réfractaire, celuici est transformé en carbure, nitrure, borure ou en composé métallique par réaction avec un produit chimique convenable, dans la chambre de placage ionique ou par traitement particulier à ltextérieur de la chambre. L'étape finale comprend la trempe par induction pulsée du seul bord de coupe revêtu. Ce procédé permet la réalisation d'un instrument de coupe qui a une durée utile excellente et qui résiste à la corrosion. Après trempe par induction pulsée, les scies sont découpées à la longueur et les extrémités sont soudées. La scie à bande représentée est une scie à bande de boucher dans laquelle le bout de chaque dent de la lame martensitique est bombardé par du titane. Celui-ci se transforme en carbure de titane et les bouts revêtus passent progressivement dans la bobine d'une machine de trempe par induction pulsée. Chaque bout en conséquence comprend une base en martensite trempée ayant des cristaux sub-microscopiques et revêtue d'une couche de carbure de titane trempé. La masse de la lame est formée de martensite qui n'a pas subi de traitement thermique par induction pulsée. Ainsi, l'invention concerne un produit revêtu en acier dont la réalisation est peu coûteuse et qui a d'excellentes qualités de résistance à l'usure et à la corrosion. Un tel produit est notamment un instrument de coupe ayant une longue durée utile, Cet instrument est pe#u motteux, durable et ef cace. Il peut aussi s'agir d'une excellente lame de scie à bande. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence au dessin annexé sur lequel - la figure 1 est une élévation latérale d'une partie d'une lame de scie à bande, qui est un instrument de coupe réalisé selon l'invention - la figure 2 est une élévation partielle agrandie représentant une dent de la lame de la figure 1 - la figure 3 représente schématiquement une chambre sous vide destinée au placage ionique-, et elle représente une bobine de lame de scie à bande subissant un placage ionique par le métal de revêtement selon l'invention - la figure 4 est une élévation latérale d'une partie de la lame de scie à bande passant dans une bobine de trempe par induction pulsée d'une machine convenable ; et - la figure 5 est une vue en plan de la lame de la bobine de la machine de la figure 4. L'outil ou instrument de coupe représenté sur. la figure 5 est une lame 10 de scie à bande qui a une largeur uniforme sur sa longueur, les dents 12 de la lame 10 apparaissant clairement sur les figures 1 et 2. La configuration de la lame 10 est classique, et elle comprend un bord arrière rectiligne Il et plusieurs dents successives irrégulièrement réparties 12 sur le bord avant. Chaque dent 12 a un bord antérieur ou de coupe 13 et un bord postérieur 14 qui s'écarte à partir de la pointe 15. Les dents alternées 12 sont décalées latéralement de part et d'autre du plan de la lame. Le bord antérieur 13 est aiguisé de manière classique. La lame 10 est formée à partir d'une bobine d'acier AISI 1095 (0,95 à 1,05 % de carbone) dont la dureté est d'en viron 70 sur l'échelle Rockwell 30N (équivalent à une dureté d'environ 80 sur l'échelle Rockwell C). Chaque dent 12 porte un revêtement 16 sur sa pointe, le revêtement étant en métal dur, par exemple en un composé en métal réfractaire tel que le carbure de tungstène ou de titane. Le revêtement 16 a une épaisseur d'environ 25 microns, et il correspond à un volume de 1 mm3, ayant une configuration L, au niveau de la pointe de la bande de la scie 10, jusqu'à 1,5 à 1,75 mm environ de la pointe 15, vers l'intérieur, le long du bord 13. Le revêtement 16 dépasse d'environ 1,75 à 3,8 mm le long du bord postérieur 14. Lors de la réalisation, une bobine d'acier est poinçonnée de manière que les dents 12 successives soient formées. Ces dents sont ensuite progressivement repliées en dehors du plan du corps plat 18, c#haque dent 12 étant repliée latéralement en sens opposé à celui de la dent adjacente. Les bords 13 de coupe des dents 12 sont alors aiguisés. Selon l'invention, un tronçon de lame 10 ainsi formé ayant habituellement une longueur de 150 à 180 m, est enroulé et forme une bobine 20 représentée sur la figure 3. Celleci subit un nettoyage préliminaire de manière classique, et on la place alors, avec les dents vers le haut, sur une plaque cathodique 21 dans une chambre 22 sous vide. La bobine est mise électriquement à la masse représentée par la plaque 21, de manière store. La chambre 22 contient un filament anodique 23 en tungstène au-dessus de la plaque 21, et la matière de revêtement, par exemple un tronçon de fil de tungstène ou de titane 24, est enroulée autour du filament 23. D#eux conducteurs 26 et 27 relient le filament anodique 23 et la plaque 21 à une source de potentiel électrique continu E. Une pompe E à vide met la chambre 22 sous vide, et des canalisations 28 et 29 de gaz permettent l'introduction sélective du gaz inerte de balayage (argon) et du gaz de carbonisation (méthane) dans la chambre 22. Chaque canalisation comporte une vanne Y de commande. La chambre 22 est alors mise par pompage à un vide de 2.10 5 Torr ou plus poussé, avec de fréquents balayages d'argon gazeux. Une telle faible pression est nécessaire pour le retrait des gaz absorbés qui peuvent autre présents. Ensuite, de l'argon gazeux est introduit dans la chambre, à -une pression favorisant la formation d'un plasma, c'est à-dire autour de 10 2 Torr. Un potentiel électrique continu est alors appliqué entre le filament 23 et la plaque 21, et il est accru progressivement jusqu'à la formation d'un plasma ma rose d'argon. On utilise de l'argon dans la chambre 22 car celui-ci a tendance à durcir la martensite et il est lourd si bien qu'il accroît la force de choc des ions sur la cathode et facilite le nettoyage. Le plasma commence à se former aux environs de 1 kV et 50 mA, et il peut alors #tr#e maintenu à un potentiel plus faible. Le réglage du potentiel peut être modifié le cas échéant, et il est en génépi ral compris entre 2 et 3 kV. La bobine 20 qui doit subir le placage ionique est d'abord nettoyée par les ions du plasma d'argon. L'argon pulvérise les impuretés atomiques et la poussière présente n sur les surfaces exposées, c'est-à-dire sur les dents 12. Une partie de l'argon pénètre dans l'acier et provoque la formation de martensite extrêmement fine, lors de la trempe ultérieure par induction pulsée. La matière de revêtement ionique portée Far le fi# lament (par exemple le fil 24) ou provenant de métal fondu chauffé par un canon électronique, forme l'anode dans la chambre. Lorsque le courant passant dans le filament 23 est suffisant et lorsque le plasma d'argon se maintientf le filament 23 et le fil 24 sont progressivement chauffés jusqu'à la fusion du fil 24 de l'anode, cette vaporisation du métal étant favorisée par le vide régnant dans la chambre. Les particules ionisées sont attirées par la bobine 20 dipposée sur la plaque cathodique 21, étant donné la grande différence de potentiels (qui peut varier entre 500 V et 50 000 V3 si bien que l'implantation et/ou le placage ionique peuvent être réalisés. En réalité, les premiers ions qui viennent frapper la surface de la bobine 20 s'implantent dans les dents 12 et provoquent une transition progressive entre le métal des dents 12 et la surface. Lorsque la surface revêtue devient saturée par implantation des ions, le reste des ions se dépose à la surface des dents 12, sur les ions enfouis. La profondeur de pénétration des ions implantés dans le substrat dépend de la dureté de celui-ci. Lorsque les ions métalliques implantés tels que les ions titane ou vanadium, réagissent avec le carbone présent dans le substrat formé par la lame en acier, il est possible qu'il forme un précipité ou qu'il soit en solution dans le réseau cristallin du substrat. On ne sait pas quel est le phénomène impliqué, car les composés formés par les ions implantés sont en trop petite quantité pour pouvoir être observés par mise en oeuvre des procédés connus. La durée du placage ionique peut autre modifiée entre quelques fractions de seconde et plusieurs minutes. Lors du passage ionique, le vide dans la chambre diminue dans une certaine mesure mais il doit être maintenu à la valeur convenable par réglage de la pression de l'argon ou de l'évaporation du méta#l. Le procédé décrit de placage ionique peut autre mis en oeuvre avec un certain nombre d'alliages ferreux ou d'acier, par exemple avec des lames de rasoir, des lames industrielles, des scies à bande, des limes, des clous, etc., ainsi qu'avec d'autres métaux et configurations, notamment des lames de hachoirà viande. Les aciers martensitiques AISI 1060-1095 sont recommandés. Un tel acier martensitique est utilisé pour le corps de la lame 10. Bien que le titane et le tungstène semblent être les métaux de placage les plus commodes, des éléments très divers peuvent assurer le placage ionique du substrat le cas échéant. On peut citer par exemple tous les éléments réfractaires (scandium, titane, yttrium, zirconium, hafnium, vanadium, niobium, tantale, chrome, molybdène et tungstène), les éléments des terres rares (lanthane, cérium, praséodyme, néodyme, prométhéum, samarium, europium, gadolinium, terbium, dysprosium, holmium, erbium, thulium, ytterbium et lutétium), les éléments de la série des actinides (actinium, thorium, protactinium, uranium, neptinium, plutonium, americium, curium, berkelium, californium, einsteinium, fermium, mendelevium, nobelium et lawrencium), le fer, le cobalt, le nickel et le bore.Certains de ces métaux nécessitent un ensemble très puissant de vaporisation, par exemple un canon électronique pour leur évaporation. Dans le cas d'une installation industrielle, une vaporisation par canon électronique est avantageuse. On obtient des bords de coupe résistant à l'usure et à la corrosion avec des matières extrêmement dures qui peuvent être ajoutées à la surface du substrat qui a subi l'implantation ionique. Les matières les plus dures connues sont le carbure, le borure et le nitrure qui sont les composés des éléments de transition avec des éléments de la seconde période, par exemple TiC, ScN, VC, Cr4C3 et TiB. De plus, tout métal de la liste indiquée paur la matière de placage ionique, autre que le métal déjà plaqué sur le substrat peut être ajouté à la surface des dents qui a subi l'implantation. De telles matières peuvent être ajoutées dans le substrat en acier des dents sous forme de composés, mais ils sont très stables et leur évaporation est difficile. Le procédé le plus commode comprend le placage ionique du métal pur (Ti, Cr, B, Sc, etc) sur le bord de coupe, puis la transformation du métal en carbure, borure ou nitrure correspondant. Le choix de l'utilisation du carbone, du bore ou de l'azote dépend du revêtement du substrat. Par exemple, le carbone est la matière la plus avantageuse pour la réaction avec le titane, le bore est le plus avantageux pour la réaction avec le vanadium et l'azote pour la réaction avec le scandium#. La carburation, la boruration, la nitruration ou la métallisation doit être réalisée en atmosphère débarrassée d'oxygène, car il peut se former un oxyde du revêtement métallique du substrat, cet oxyde étant plus fragile que le carbure, le borure ou le nitrure du métal. La carburation peut être mise en oeuvre de diverses manières. Par exemple, un gaz contenant du carbone, par exemple un hydrocarbure, peut être chauffé avec la bande revêtue 20 à une température comprise entre 600 et 9000C (habituellement supérieure à 8006C) de manière que le carbone ou le revêtement métallique réagisse en formant un carbure tel que TiC. Des gaz qui conviennent pour la carbonisation sont le méthane, le gaz naturel, le propane, l'acétylène et le benzène. Les dents revêtues peuvent autre aussi carburées de toute autre manière convenable, par exemple par carburation classique en caisse, au cyanure ou par un gaz. Les dents peuvent aussi être traitées dans un plasma formé par un mélange azote-propane (ou dans tout autre mélange gazeux de carburation contenant du carbone évaporé par un arc). Après dépôt du métal du revêtement (titane ou tungstène) sur 1 mm environ du bout des dents 12, sur une épaisseur d'environ 25 microns, le placage ionique est avantageusement interrompu et le revêtement de titane ou de tungstène est transformé en un carbure. Cette opération est réalisée par introduction d'un mélange de méthane, d'hydrogène et d'argon ou de propane, d'hydrogène et d'argon, dans la chambre 22 juste après la fin du placage. L'hydrogène est présent en quantité suffisante pour que l'atmosphère soit réductrice. La bobine 20 formée par la lame 10 refroidit alors et on la retire de la chambre 22. Chaque dent 12 a un revêtement 16 de carbure de titane ou de tungstène disposé le long du bord de coupe 13, dans une position intermédiaire entre la point 15 et la gorge 17, jusqu'à la pointe 15 elle-même, et le long du bord postérieur 14, de la pointe 15 jusqu'à une position comprise entre la pointe 15 et la gorge 17. La figure 2 représente cette disposition. Comme indiqué précédemment, la longueur du reve- tement 16, sur le bord 13, est comprise entre environ 1,5 et 1,75 mm, et la longueur sur le bord 14 est comprise entre environ 1,75 et 3,8 mm. Le revêtement 16 est disposé sur les zones latérales des deux cotés du bord 13 et du bord 14. Le recouvrement sur les côtés est seulement de 25 à 75 microns environ Une phase très importante pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention estla trempe par induction pulsée des dents 12, réalisée après refroidissement de la bobine 20 et introduction de l'air dans la chambre 22. La bobine 20 est alors retirée de la chambre 22 et déplacée suivant un trajet linéaire, à raison d'environ 10 à 12 dents par seconde. Sur ce trajet, les dents 12 sont présentées successivement au flux magnétique à haute fréquence d'une self ou bobine 31 d'une machine de trempe par induction pulsée qui porte la référence générale 30. Unt telle machine peut être par exemple du type "Impulsa Hn. Une telle machine 30 est décrite dans le brevet des Etats-Unis dtArnérique -n0 2 799 760. Elle comporte une self ou bobine 31 formée par un tronçon de fil électrique de gros diamètre, comprenant deux branches 32 (reliées élec bSquement à la machine 30) parvenant respectivement à une boucle supérieure 33 et une boucle inférieure 34. Les boucles 33 et 34 sont séparées l'une de l'autre, en étant parallèles, et elles sont disposées concentriquement, suivant un axe vertical. Les boucles 33 et 34 recouvrent chacune 3600 environ et leurs extrémités sont raccordées par une partie intermédiaire 35. La lame 20 passe le long du trajet indiqué de manière que la pointe 15 de chaque dent 12 se trouve momentanément disposée sur l'axe des boucles 33 et 34 entre celles-ci. Les boucles 33 et 34 doivent aussi avoir un diamètre suffisamment grand pour que la moitié externe au moins des dents 12 se trouve momentanément à l'intérieur de la périphérie interne des boucles 33 et 34 comme représenté sur la figure 4. La machine 30 applique des impulsions à 20 MHz ou plus, et elle fojnctioreà 6 000 V environ de manière qu'elle assure un chauffage par induction pendant environ 9 à 10 ms. De cette manière, elle applique des impulsions rectangulaires correspondant à plus de 10 kW/cm2, pour la trempe par induction pulsée. Normalement, un acier préalablement durci nécessite une seule impulsion par dent. Un acier non durci préalablement est durci par la première impulsion, et acquiert des grains fins lors de la seconde impulsion. Le champ magnétique à haute fréquence de la bobine 31 provoque de façon tout à fait imprévue une variation de la structure du titane implanté ainsi que de l'acier des dents 12, au-dessous du titane. Lorsque l'impulsion est courte (1 à 20 ms), seule une couche relativement mince d'acier, d'environ 0,1 à 0,2 mm, subit le chauffage. Cette zone est chauffée à une température comprise dans la plage austénitique, c'est-à-dire d'environ 1 000 à 1 200pu, et la zone chauffée subit immédiatement un choc à basse tempé- rature étant donné la conductibilité thermique élevée de la zone de grande dimension qui nta pas été chauffée dans la lame. Ainsi, il se forme une microstructure martensitique à grains fins, si fins que la structure ne peut pas être résolue par le microscope optique.De cette manière, la couche de carbure de titane qui sature l'acier et qui est profondément enfouie dans le placage de l'acier, est serrée et fermement maintenue. La dureté du revêtement 16 semble aussi être améliorée, bien que le revêtement ne soit pas magnétique. D'après la mise en oeuvre du procédé décrit, les dents comprennent une partie de martensite dont la dureté correspond à 1 000 à 1 350 et dans certains cas à plus de 1 400 sur l'échelle Vickers. Le revêtement (carbure de titane) a une dureté de 3 00Q à 4 000 dans 11 échelle Vickers. Lors de l'utilisation, même dans des conditions de corrosion, par exemple lors de la découpe de la viande et des os, une lame réalisée selon l'invention dure 8 à 10 fois plus qu'une lame classique. La dernière phase de réalisation de la lame de scie à bande est la découpe de celle-ci à la longueur, et le soudage des extrémités sous forme d'une boucle continue. il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre, qui est défini dans les revendications annexées. REVENDICATIONS 1. Outil de coupe, caractérisé en ce qu'il comprend un corps d'outil ayant un bord de coupe, un revêtement formé par implantation ionique et recouvrant la surface du bord de coupe, et des grains sub-microscopiques de martensite trempée par induction pulsée, disposés à la surface de l'acier au niveau du bord de coupe et coopérant avec le revêtement. 2. Outil selon la revendication 1,caractérisé en ce qutil est sous forme d'une lame de scie et comprend plusieurs dents espacées, le bord de coupe étant adjacent à la pointe de chaque dent, le revêtement étant disposé sur le bord antérieur et sur le bord postérieur de chaque dent. 3. Outil selon la revendication 2, caractérisé en ce que le revêtement est en carbure de tungstène ou de titane. 4. Outil selon la revendication 2, caractérisé en ce que le revêtement est disposé entre un emplacement compris entre la gorge et la pointe de chaque dent et la pointe, le long du bord de coupe et du bord arrière de chaque dent. 5. Outil selon la revendication 3, caréctérisé en ce que l'acier sub-microscopique a une dureté supérieure à 1 000 sur l'échelle Vickers, et le revêtement a une dureté supérieure à 3 000 sur l'échelle Vickers. 6. Procédé de réalisation d'un outil de coupe en acier qui peut être trempé et qui comporte un bord de coupe, caractérisé en ce qu'il comprend l'implantation ionique d'un revêtement d'un second métal dans le bord de coupe, la réaction du second métal avec un produit chimique qui donne une dureté accrue au second métal, et le traitement du bord de coupe et de son revêtement par trempe pr induction pulsée. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le second métal est choisi parmi les métaux réfractairss et le produit chimique estle carbone. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'acier est martensitique. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le revêtement formé a une dureté supérieure à 3 000 sur l'échelle Vickers, et l'acier trempé par induction?pufsée à une dureté supérieure à 1000 sur l'échelle Vickers. 10. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'acier est martensitique et a subi un bombardement par de l'argon.