Brevet FR2520272A1 — publié le 19830729

" Outil de coupe en carbure cémenté et procédé de fabrication et d'utilisation d'un tel outil ". La présente invention concerne un outil de coupe en carbure cémenté et un procédé de fabrication d'un tel outil et ainsi que l'application de cet outil. De façon générale, l'invention concerne un domaine des outils de coupe en carbure cémenté ayant une couche de résistance à l'usure sous leur surface Cette invention s'applique particulièrement aux outils de coupe en carbure cémenté qui sont ré-affûtés et ré uti- lisés de façon caractéristique au moins une fois après leur utilisation et l'émoussage de leur arête de coupe de tels outils servent à couper les matériaux en parti- culier des métaux en procédant par cisaillement. On a constaté récemment que l'implantation ionique à énergie élevée était une technique très inté- ressante pour améliorer la durée de vie de l'outillage en carbure cémenté Par exemple le brevet US 4 105 443 indique que la durée de vie de production de filières de câbles, en carbure cémenté pouvait être améliorée consi- dérablement par implantation ionique de carbone. Il a également été indiqué que la durée de vie de lames de coupe en carbure pour couper du caout- chouc synthétique pouvait être'améliorée considérablement par implantation d'ions d'azote Toutefois dans ce der- nier cas, on estime en général qu'il faut que l'implanta- tion ionique s'applique aux faces adjacentes qui forment l'arête de coupe de la lame L'une des difficultés en est que même si le coefficient d'usure de l'arête de coupe est réduit, au cours de la durée de vie de la lame, il faut néanmoins la ré-affûter pour pouvoir utiliser plei- nement une telle lame On a estimé en général que la surface de lame affûtée (surface périphérique) doit subir une ré-implantation pour préserver la résistance perfectionnée à l'usure Cela constitue à la fois un inconvénient et est coûteux pour l'utilisateur de l'outil. La présente invention concerne de façon générale un outil en carbure cémenté ayant une arête qui effectue des travaux de coupe ou de cisaillage, cet outil comportant une première surface comprenant l'arête, une seconde surface rejoignant la première surface au niveau de l'arête, une arête de coupe en carbure cémenté formée à la jonction de la première et de la seconde surfaces, une couthe de résistance à l'usure à implantation ioni- que située au voisinage de l'arête de coupe et en-dessous et en parallèle à la première et à la seconde surfaces, cette couche coupant l'autre des première et seconde sur- faces, et cette autre surface ne présentant pas de cou- che de résistance à l'usure avec implantation ionique. Selon l'invention, on a constaté que la couche de résistance à l'usure devait de préférence être réalisée par implantation de type d'ions à énergie éle- vée L'implantation ionique selon l'invention forme des couches de résistance à l'usure comprenant des défauts d'irradiation et des modifications de microstructure et une concentration élevée en type implanté, qui peuvent aller jusqu'à 1000 angstroms et de façon plus caractéris- tique en-dessous de 400 angstroms. De façon préférentielle, les outils de coupe selon le procédé de l'invention sont des poinçons en carbure cémenté et des matrices servant à perforer des matériaux Dans ces modes de réalisation de l'invention, de préférence seules les surfaces périphériques du poin- çon au voisinage de l'arête de cisaillement et les faces des parois de la matrice au voisinage de l'arête de ci- saillement ont subi une implantation ionique. De même, la mise en oeuvre de l'invention a donné lieu à un procédé perfectionné d'utilisation d'outils de coupe en carbure cémenté à implantation ionique L'outil à implantation ionique, émoussé, se ré- affûte et s'utilise de nouveau sans aucune ré-implanta- tion, à la place des surfaces meulées Ce procédé d'utilisation et de ré-affûtage peut se répéter de nom- breuses fois tout en donnant à l'outil une durée de vie importante sans ré-implantation ultérieure Cela est rendu possible du fait que l'implantation ionique est réalisée sur seulement une face parmi les deux faces et que la face ne présentant pas d'implantation ionique est de préférence celle qui est meulée au cours du ré-affû- tage. La présente invention sera décrite de façon plus détaillée à l'aide des dessins annexés, dans lesquels la figure 1 est une vue en perspective d'un poinçon en carbure cémenté selon l'invention. la figure 2 est une vue en perspective d'une matrice en carbure cémenté coopérant avec le poin- çon de la figure 1 selon l'invention. la figure 3 est une vue en coupe d'un poinçon et d'une matrice selon l'invention, avant de perforer une pièce. la figure 4 montre une autre lame de coupe ou de séparation, rotative en carbure selon l'in- vention. la figure 5 est une coupe de la figure 4 selon les flèches IV-IV. Les figures 1 et 2 montrent des poinçons ou des outils de cisaillement avec implantation ionique. A la figure 1, le poinçon 1 comporte une première surface ou surface avant 5 et une seconde surface ou flanc ou surface périphérique 7 formant avec la précédente une arête de cisaillement 9 La paroi latérale 7 a subi une implantation ionique dans la région 11 L'implantation ionique forme une couche de résistance à l'usure en- dessous de la surface ayant subi l'implantation ionique. Dans les carbures cémentés, cette couche peut s'étendre vers l'intérieur à partir de la surface jusqu'à une pro- fondeur de 1000 angstroms et de façon caractéristique à une profondeur en-dessous de 400 angstroms La concen- tration des types d'ions d'implantation correspond de façon caractéristique à une distribution de Gauss en- dessous de la surface implantée en s'étendant néanmoins à partir de la surface implantée Jusqu'à la pénétration la plus profonde des ions avec des défauts produits par les radiations et les modifications de la microstructure engendrées par les ions à énergie élevée qui traversent la matière Comme le montre cette figure, seule la sur- face périphérique 7 de l'outil a subi une implantation ionique pour former une couche de résistance à l'usure 11 en-dessous et parallèlement à la surface latérale 7 coupant la surface avant 5 du poinçon 1 au voisinage de l'arête de coupe 7. La figure 2 montre une matrice en segments 3 ayant subi une implantation le long de ses parois la- térales 17 ou de sa surface périphérique, de la même manière que le poinçon 1 ci-dessus La matrice segmentée présente une surface avant 15 qui rejoint la surface périphérique 10 pour former une arête de coupe 19 La couche résistant à l'usure 23 se trouve en-dessous et parallèlement à la surface périphérique 17 selon la réfé- rence 21 et coupe la surface avant 15 au voisinage de l'arête de coupe 19 Une matrice formée de segments est préférable à une matrice en une seule pièce pour facili- ter l'implantation ionique dans les parois internes 17 de la matrice puisque l'implantation ionique est une opération qui se fait en ligne et de la façon la plus efficace lorsque le faisceau est pratiquement perpendicu- laire à la surface traitée par implantation. La figure 3 est une coupe transversale du poinçon 1 et de la matrice 3 des figures 1 et 2, ces deux pièces étant montrées alignées en étant séparées par un matériau 51 en forme de feuille, et qui doit être perforé Au cours de l'opération de perforation telle que celle représentée à cette figure 3, le poinçon 1 coupe les parois 17 de la matrice et l'arête de coupe 19 de la mat-rice 3 pour poinçonner une perforation dont la forme correspond à celle de la face avant du poinçon et de la cavité de la matrice 3 La couche-d'implantation ionique 11 de la paroi latérale 7 du poinçon et la couche d'implantation ionique 21 de la paroi latérale de la matrice 3 tout en augmentant le nombre des perforations, qui peuvent se faire à l'aide de cet outil, ne rendra pas les arêtes de coupe 9 ou 19 éternelles, et certaines parties des arêtes de coupe devront être ré-affûtées. Selon l'invention lorsque cela se produit, on meule la face avant du poinçon 1 et de la matrice 3 pour obtenir une arête tranchante sans nécessiter d'implantation ioni- que supplémentaire au niveau des faces avant 5 et 15. L'exemple suivant Illustre le procédé et les outils de coupe selon l'invention. EXEMPLE On réalise un poinçon en carbure cémenté et une matrice en segments, en carbure cémenté avec im- plantation ionique pour obtenir une couche de résistance à l'usure en-dessous des surfaces d'implantation, paral- lèlement à celles-ci et que l'on estime s'étendre à par- tir de-ses surfaces sur une profondeur inférieure à 1000 angstroms Le poinçon et la matrice sont d'une forme correspondant sensiblement à celle représentée aux figu- res 1 et 2; ces outils sont réalisés en particules de carbure de tungstène d'une dimension approximative de l'ordre de 0,8 à 1 micron, ces particules étant collées par environ 14 % de cobalt Les faces avant et les faces périphériques des poinçon et matrice en segments ont subi une implantation d'ions d'azote d'une énergie de 90 Ke V jusqulà une dose approximativement égale à 2 x 10 + 17 ions/cm 2 dans la zone de surface traitée Le poinçon et la matrice ont été montés comme un jeu d'ou- tils dans une presse à indexage travaillant à la vitesse de 900 coups par minute Des perforations ont été faites dans un feuillard d'acier à faible teneur en carbone d'épaisseur nominale égale à 5 centièmes ( 0,55 mm) et dans une feuille d'acier de silicium d'une épaisseur nominale égale à 0, 45 mm au cours d'une seule course sans lubrification, le poinçon traversant toute l'épais- seur de la matière Les essais sur des feuillards d'acier au silicium et des feuillards d' acier au car- bone ont été alternés On a de cette façon réalisé en tout 2 100 000 et 1 830 000 perforations dans l'acier à faible teneur en carbone et dans l'acier au silicium, avant de devoir effectuer un ré-affûtage du poinçon et de la matrice On a utilisé une roue à diamants pour meuler à sec la surface avant du poinçon et celle de la matrice et obtenir des arêtes de coupe tranchantes Cette opération de meulage a nécessité un enlèvement de ma- tière jusqu'à une profondeur dépassant très largement celle la couche de résistance à l'usure correspondant à l'im- plantation d'origine Le poinçon et la matrice ont alors été utilisés sans honage des arêtes de coupe ou sans im- plantation ionique supplémentaire des surfaces meulées. On a alors effectué en plus 3 000 000 de perforations dans une feuille d'acier au carbone avant qu'un incident de fonctionnement de presse n'arrête l'étude L'examen du poinçon et de la matrice à ce moment a montré que les arêtes de coupe étaient toujours dans un état accep- table. Toutefois les 3 000 000 de perforations représentent une amélioration considérable par rapport à la vie de poinçon et de matrice en carbure de tungstè- ne cémenté n'ayant pas subi d'implantation, et permettant de façon caractéristique 1 000 000 de perforations dans de l'acier à faible teneur en carbone ou environ 500 000 perforations dans de l'acier au silicium, pour chaque opération d'affûtage. Cela montre clairement que l'implantation ionique permet une amélioration notable de la durée de vie du poinçon et de la matrice même après que la couche de résistance à l'usure de l'une des faces adjacentes à l'arête de coupe de l'outil ait été enlevée C'est pour- quoi, on estime que l'on peut obtenir des perfectionne- ments notables dans la durée de vie du poinçon et de la matrice si au cours de l'opération d'implantation d'ori- gine seules les surfaces périphériques ou les parois latérales des outils subissent une implantation de façon que la couche de résistance à l'usure coupe la surface avant de l'outil comme représenté aux figures. Bien que la présente invention ait été illustrée dans son application à des poinçons et matri- ces en carbure cémenté, l'invention ne se limite pas à de tels modes de réalisation De même comme représenté aux figures 4 et 5, on estime que des lames de coupe en carbure cémenté 40 ayant une couche de résistance à l'usu- re obtenue par implantation ionique uniquement dans leur face latérale 44 permettent d'augmenter considérablement la durée de vie par rapport aux lames n'ayant pas subi d'implantation Cela signifie que la lame 40 implantée d'origine, qu'elle ait subi une implantation unique sur ses faces latérales 44 ou sur ses faces latérales 44 et la surface périphérique 40 peut être ré-affûtée par meulage de la surface périphérique 42 laissant non seule- ment la mince couche de résistance à l'usure 48 en-des- sous et parallèlement aux parois latérales 44 mais cou- pant la paroi périphérique 42 au voisinage de l'arête de coupe 46 De cette façon, l'intérêt de l'implantation ionique permet d'augmenter la durée de vie de la lame sans ré-implantation des surfaces meulées après chaque affûtages R E V E N D I C A T I O N S ) Outil en carbure cémenté ayant une arête destinée à des opérations de coupe ou de cisaillage, outil caractérisé en ce qu'il comporte une première sur- face ( 5, 7) contenant l'arête, une seconde surface ( 7, 5) rejoignant la première surface au niveau de l'arête, une couche de résistance à l'usure à implantation ionique étant prévue au voisinage de l'arête de coupe ( 9, 11) en-dessous et parallèlement à la première et à la seconde surfaces, cette couche coupant l'autre des première et seconde surfaces et cette autre surface ne présentant pas de couchede résistance à l'usure à implantation ionique. 2 ) Outil selon la revendication 1, carac- térisé en ce que la couche de résistance àl'usure ( 5, 7) contient des particules de carbure métalliques endomma- gées par irradiation et du liant métallique modifié de façon dommageable par irradiation. ) Outil selon la revendication 2, carac- térisé en ce que la couche de résistance à l'usure con- tient une espèce étrangère implantée par implantation ionique. ) Outil selon la revendication 1, carac- térisé en ce que l'intersection de la couche de résis- tance à l'usure et de l'autre surface donne une zone de résistance à l'usure d'une largeur allant jusqu'à envi- ron 1000 angstroms sur l'autre surface. ) Outil selon la revendication 1, carac- térisé en ce que les couches de résistance à l'usure s'étendent vers l'intérieur jusqu'à une profondeur maxi- male de 400 angstroms. 6 ) Outil selon la revendication 7, carac- térisé en ce que l'espèce étrangère est de l'azote. ) Procédé de fabrication d'un outil en carbure cémenté destiné à augmenter la durée de vie de l'outil par implantation ionique, procédé caractérisé en ce qu'on forme une arête de, coupe à la jonction de deux surfaces de carbure cémenté qui se rejoignent sui- vant l'arête de l'outil, et on implante des ions dans l'une des surfaces de carbure cémenté de l'arête de coupe, l'autre surface ne présentant pas en général d'implantation ionique. ) Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'opération d'implantation ioni- que est faite dans seulement l'une des surfaces de car- bure cémenté par des types d'ions à haute énergie.