Brevet FR2499059A1 — publié le 19820806

MATERIAU CERAMIQUE NOUVEAU ET OUTIL DE COUPE EN CE MATERIAU. La présente invention se rapporte à un matériau nouveau et concerne plus précisément un matériau céramique convenant particulièrement pour la fabrication des outils de coupe ainsi que les outils de coupe obtenus à partir de ce matériau. On connais déja un matériau céramique pour outils de coupe contenant 40 à 95% de a-A1203 et 5 a 60% de Cr203 (brevet britannique No. 839 326). Le matériau céramique selon ce brevet a une bonne tenue aux basses vitesses de coupe. Toutefois, les essais d'usinage d'aciers améliorés de la nuance 40 X (HRX = 38 unités; à une vitesse de coupe de 200 m/mn, ont montré que les outils de coupe formés de ce matériau connu ne présentent pas une tenue à la coupe suffisante (résistance: 41 minutes). On connaît, d'autre part, un matériau céramique contenant 95 à 99,9% de Alto, et 0,1 à 5,0% d'oxyde de lanthane (certificat d'Auteur d' U.R.S.S. No. 425 879). L'addition d'oxyde de l'anthane a pour but d'augmenter la résistance mécanique dumatériau. Ce matériau céramique a une forte porosité (4 à 19,7X) et une faible masse volumique. Ces caractéristiques expliquent la tenue à la coupe insuffisante de ce matériau en cas d'opérations de coupe à vitesses élevées (égales à environ 200 m/minute). On cainart également un matériau céramique ayant la composition suivante: - A1-293 : 99,5 à 99,9% - MgO : 0,25 à 0,01X - Soma03 : 0,25 à 0,01%. Ce matériau est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique No. 3 802 893. Ce matériau présente les caractéristiques suivantes: - masse volumique : 3,9 g/cm3 - dureté HRA : 91,5 - dimension du grain : 2 à 5 microns - coefficient de tenue à la coupe: 1,2. L'inconvénient de ce matériau réside dans sa tenue à la coupe insuffisante, ce qui résulte de sa masse volumique trop basse et de son grain excessif. On connaît également un matériau céramique à base d'alumine contenant 0,25% de MgO (certificat-d'auteur bulgare n" 11 179). Ledit matériau a été soumis aux essais à de hautes vitesses de coupe et il a fait preuve d'une faible tenue a la coupe et d'une thermostabilite réduite. On entend dans la présente description par "coefficient de tenue de coupe", le rapport effectif de la tenue à la coupe des pastilles testées à la tenue a la coupe des pastilles étalons utilisées dans des conditions identiques. On sait que les matériaux céramique présentent une certaine fragilité a température ambiante et que leurs caractéristiques mécaniques ainsi que leur usure résultent de la présence et de la propagation de microfissures. La dégradation des produits le long des microfissures se produit lorsque les contraintes exterieures- qui provoquent l'allongement des fissures dépassent l'énergie de surface et l'energie de déformation. La valeur de la résistance du matériau à la fissuration est fonction du coefficient d'intensité des contraintes (K1) qu se calcule par la-formule: dans laquelle: a est la contrainte appliquée, a est la longueur de la fissure, b est la largeur de la fissure, f est une fonction de a et de b, w étant 3,14. Les recherches effectuées sur les produits formes d'alumine frittés ont montré que pour la détermination de K1, il convient de partir de la fissuration produite lors d'une différence (chute) de température. Les variations de température qui se produisent dans les outils de coupe formes de matériaux céramique provoquent des contraintes élastiques qui influent sur la propaga- tion des fissures de la méme manière que les contraintes mécaniques appliquées. L'aptitude d'un materiau homogène a résister à la naissance de fissures est fonction de la thermostabilité (R) définie par la formule: R =a. A E.a dans laquelle: R est le critère de thermostabilité, a est la charge de rupture à la flexion, A est le coefficientv- de conductivité thermique, u est le coefficient de dilatation linéaire (thermique), et E est le module d'élasticité (module de Young). il découle de cette formule que pour A, a, et E constants (pour un matériau donne), la thermostabilité R est directement proportionnelle à la résistance. De son côté, la résistance à la flexion est fonction de la porosité (de la masse volumique) et elle est définie par la formule: aflex = aO (1vr) dans laquelle: ao est la résistance d'un échantillon compact, ir est la porosité, m étant un exposant. il découle de cette formule que lorsque la porosité des échantillons augmente, leur résistance baisse. La relation entre la résistance et la porosité en coordonnées tog a = log aO + m.(og(1-ir) pour un matériau à base d'alumine est représentée par une ligne droite dont la pente est égale a m. Les valeurs de m sont directement proportionnelles aux dimensions des- pores. il s'ensuit qu'au fur et a mesure que le diamètre des pores décroit, leur volume restant constant, la charge de rupture à la flexion augmente. En outre, la valeur de la charge de rupture à la flexion est lieue à la dimension du grain et elle est déterminée par la formule suivante: tex = dans laquelle: K est un coefficient, d est le diamètre de grain, n étant un exposant. Il découle de cette formule que plus le diamètre du grain est petit, plus la résistance de l'échantillon est grande. Ainsi, la résistance à l'usure (la tenue à la coupe) et la résistance des échantillons des matériaux de coupe est d'autant plus élevée que les dimensions du grain, le volume et le diamètre des pores ainsi que la longueur de la fissure sont petits. La présente invention a pour objet un matériau céramique destiné à la coupe, présentant une tenue à la coupe améliorée, une résistance élevée et une thermostabilité satisfaisante. Ce matériau céramique, à base d'alumine, possède des propriétés de tenue à la coupe accrue aux vitesses de coupe, ainsi que de résistance et de thermostabilité. La présente invention a, en fait, pour objet un matériau céramique formé d'alumine contenant de la magnésie, matériau présentant une dimension de grain de 1 à 2 microns et contenant de l'oxyde de chrome, un oxyde de lanthanide ou de l'oxyde d'yttrium en les proportions pondérales suivantes, (% en poids): - oxyde de lanthanide ou d'yttrium ...... 0,053 à 17,0% - oxyde de chrome ...... 0,025 à 15,0% -magnésie (oxyde de magnésium) ...... 0,050 à 1,0% - alumine (oxyde d'aluminium) ...... q.s.p. 100,0%. Le matériau céramique précité conduit à une thermostabilité élevée de 250 à 5000C et une tenue à la coupe de 50 à 60 minutes, ce qui est de 1,5 à 2 fois plus élevé que pour lesmateriaux céramiques connus. La tenue à la coupe de matériau céramique augmente avec la dureté et la résistance mécanique du matériau. La dimension du grain influe fortement sur la tenue à la coupe du matériau. Le matériau céramique dont la dimension du grain est de l'ordre de 1,5 à 2 microns présente la tenue à la coupe la meilleure. L'oxyde de chrome agit sur la tenue à la coupe du matériau céramique car il produit un accroissement de la dureté. Lorsque la teneurenchrome est inférieure à 0,025% et supérieure à 15,0, la dureté du matériau céramique et sa tenue a la coupe baissent. L'oxyde de lanthanide ou l'oxyde d'yttrium joue sur la résistance et la tenue à la coupe du matériau céramique. Lorsque la teneur en oxyde de lanthanide ou en oxyde d'yttrium est inférieure à 0,053: etsupérieure à 17,0%, la résistance et la stabilité (la tenue) à la coupe du matériau céramique baissent. Le matériau céramique selon l'invention est obtenu selon le procédé suivant: On place les matières initiales dans un broyeur, on les broie à l'aide de boulets céramiquesdans un milieu organique liquide, notamment formé d alcool éthylique, jusqu'à l'obtention d'une dimension de grain de 0,2 à 0,3 micron; le mélange broyé est séché dans l'air à une température ne dépassant pas 1500C, puis on prépare une pâte avec un plastifiant (solution de gomme dans de l'essence), on sèche à 110-1200C et on passe au tamis. On comprime le mélange tamisé dans une presse hydraulique, puis procède au frittage du matériau comprime obtenu. Au cours du frittage, l'oxyde de chrome et l'oxyde de lanthanide (Ln) ou d'yttrium (Y) forment un composé LnCrO3 ou YCrO3 à haut point de fusion qui contribue à augmenter la thermo stabilité. du matériau. D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention appa raitront à la lecture de la description suivante et des exemples donnés à titre illustratif mais non-limitatif. Dans tous les exemples, les teneurs en constituants sont indiquées en pour centage pondéra 1. EXEMPLE 1 Une poudre composée des constituants suivants (% pondéral): ~ 99,87% de AlzOa, ~ 0,05% de MgO, . 0,055% de La203, . 0,025% de Cr2O3, est placée dans un broyeur et on broie cette poudre à l'aide de boulets céramique au sein d'alcool éthylique jusqu'a obtention d'une dimension de particules de 0,2 à 0,3 microns. On sèche le mélange broyé à l'air à une température ne dépassant pas 1500C, et prépare une pâte à base d'un plasti fiant (solution de gomme dans de l'essence), sèche à 1200C et passe au tamis. On comprime le mélange tamisé sous une presse hydraulique et fritte le maté riau comprime. Le matériau obtenu est formé de grains de 1 à 1,5 micron. On fabrique avec ce matériau des pastilles de 12,7 > Les produits obtenus présentent les caractéristIques suivantes: - coefficient de tenue a la coupe (Kt) ~----~-- 1,65 - thermostabilité ..... 2500C - charge de rupture à la flexion r 83 kfg/mm2. EXEMPLE 2 On prépare un matériau céramique selon le procédé décrit dans 1'Exemple 1, à la différence que les constituants sont employés dans les proportions suivantes ~ 10% de La203, . 7% de Cr2O3, ~ 0,5% de MgO, 82,5% de Al2O3. Les caractéristiques des produits obtenus à partir de ce matériau sont les suivantes: - coefficient de tenue à la coupe (Kt) -------- 1,5 - thermostabilité ..... 3000C - charge de rupture à la flexion . 70 kgf/mm2 - dimension des grains ....... 1,2 à 1,6 micron. EXEMPLE 3 On prépare un matériau céramique selon le procède décrit dans 1'Exemple 1#, à la différence que les constituants sont employés dans les proportions suivantes: 17% de La203, ~ 15% de Cr203, 1% de MgO, ~ 67% de A1203. Les caractéristiques des produits obtenus sont les suivantes: - coefficient de tenue à la coupe (Kt) ..... 1,4 - thermostabilité ........ 500 C - charge de rupture à la flexion ...... 62 kgf/mm2 - dimension des grains ..... 1,1 à 2 microns. EXEMPLE 4 On prépare un matériau céramique -selon le procédé décrit dans l'ExempLe li à la différence que les constituants sont employés dans les proportions suivantes: . 10% de Nd203, % 7% de Cr203, ~ 0,5% de MgO, 82,5% de Al2O3. Les caractéristiques des produits obtenus sont les suivantes: ~ coefficient de tenue à la coupe (Kt) ...... 1,45 ~ thermostabilite ..... 3000C ~ charge de rupture à la flexion 68 kgf/mm2 ~ dimensions des grains ...... 1,2 à 2 microns. EXEMPLE 5 On prépare un matériau céramique selon le procédé décrit dans l'Exemple 1, à la différence que les constituants sont employés dans les proportions suivantes: 10% de Sm203, 7% de Cr203, ~ 0,5% de MgO, ~ 82,5% de Al203. Les caractéristiques des produits obtenus sont les suivantes: ~ coefficient de tenue à la coupe (Kt) ........ 1,3 ~ thermostabilite ........ 2800C ~ charge de rupture à la flexion ....... 63 kgf/mm2 . dimensions des grains ........ 1,5 à 1,8 micron. EXEMPLE 6 On prépare un matériau céramique selon le procédé décrit dans 1' à la différence que les constituants sont employés dans les proportions suivante ~ 10% de Gd203, 7% de Cr203, ~ 0,5% de MgO, ~ 82,5X de Al2O3. Les caractéristiques des produits obtenus sont les suivantes: - coefficient de tenue à la coupe (Kt) ....... 1,45 - thermostabilité 2790C - charge de rupture à la flexion ....... 69 kgf/mm2 - dimensions des grains ........ 1,4 à 2 microns. EXEMPLE 7 On prépare un matériau céramique selon le procédé décrit dans l'Exempte 1. à la différence que les constituants sont employés dans les proportions suivante ~ 10% de Y2O3, 7% de Cr203, ~ 0,5% de MgO, ~ 82,5X de A1203. Les caractéristiques des produits obtenus sont les suivantes: ~ coefficient de tenue à la coupe (Kt) ........ 2,25 thermostabilité 2800C ~ charge de rupture a la flexion 62 kgf/mm2 ~ dimensions des grains ........ 1,6 à 2 microns. EXEMPLE 8 Le matériau céramique obtenu dans les Exemples 1 à7 est soumis à des essais et l'on procède, à titre comparatif, à des essais similaires sur le matériau céramique selon le certificat bulgare No. 11 179. Les essais ont été mis en oeuvre dans les techniques d'usinage d'acier de la nuance 40X améliorée (dureté HRC 38 unités) à une vitesse de coupe de 200 m/mn, et pour une avance de 0,3 mm/tr et une profondeur de coupe de 0,5 nn. Les résultats de tenue à la coupe et de thermostabilité des différents matériaux sont consignés dans le Tableau ci-dessous:: Matériau céramique Tenue à la coupe, Thermostabilité, mn OC ~ Exemple 1 52 250 ~ Exemple 2 50 300 ~ Exemple 3 55 500 ~ Exemple 4 58 300 ~ Exemple 5 60 280 ~ Exemple 6 57 270 ~ Exemple 7 60 280. ~ connu (Certificat 32 200 d'auteur bulgare Il 179) Ainsi qu'il résulte du tableau précédent, la tenue à la coupe et la thermostabilité du matériau céramique obtenu sont de 1,5 à 2 fois plus élevées que celles du matériau céramique connu (selon le Certificat d'auteur bulgare No. 11 179) utilisé titre témoin. Bien entendu, la présente invention n'est nullement limitée aux exemples et modes de mise en oeuvre mentionnés ci-dessus; elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles l'homme de l'art, suivant les- applications envisagées et sans que l'on ne s'écarte oe l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1.- A titre de produit industriel nouveau, un matériau céramique a base d'alumine contenant de la magnésie, caractérisé en ce qu'il présente une dimension moyenne de grain de 1 a 2 microns et qu'il contient en outre de l'oxyde de chrome et un oxyde d'un lanthanide ou d'yttrium en proportions pondéral es suivantes: ~ oxyde de lanthanide ou oxyde d'yttrium ... 0,053 à 17,0% ~ oxyde de chrome .... 0,025 à 15,0X ~ oxyde de magnésium .... 0,050 à 1,0% ~ alumine (oxyde d'aluminium) .... q.s.p. 100,0%. 2.- Outil de coupe formé du matériau selon la revendication 1.