Brevet FR2512465A1 — publié le 19830311

L'invention se rapporte au domaine d'usinage des métaux, et plus précisément, elle concerne des revêtements à plusieurs couches utilisés pour des outils de coupe de métaux. Le revêtement à plusieurs couches proposé peut être appliqué avec succès sur n'importe quels outils de coupe de métaux,à savoir: forets, fraises, outils de coupe, etc, dans le but d'augmenter leur résistance à l'usure, surtout en cas d'utilisation d'un tel outil pour l'usinage des aciers hautement alliés et des alliages difficilement usinables. On connalt un revêtement à plusieurs couches réali- sé à partir de couches successives et constituées de deux composants dont l'un se présente sous forme d'un nitrure ou d'un carbure d'un métal appartenant au groupe IV et l'autre est un métal pur (voir, par exemple, R F Bunshan et Shebaik, Research/developpement, 3 uin 1975). Les couches de nitrures, de carbures appartenant au groupe IV présentent une microdureté de 2200 à 3000 kg/mm', tandis que les couches qui sont constituées d'un métal pur, présentent une microdureté de 600 à 900 kg/mm' La présence de couches molles (constituées par un métal pur) empêche un développement des fissures dans les couches fragiles et contribue, en général, à un renforcement de la tenue des revêtements Les revêtements de ce type présentent une bonne résistance à une destruction dans des conditions de charges variables au cours d'un usinage d'aciers de construction, ils n'éclatent pas lors de l'affûtage d'un outil suivant l'une de ses surfaces de travail Cependant, en cas de coupe des matériaux difficiles à usiner (métaux hautement alliés) la résistance de l'outil est faible, ce qui est dû à une usure adhésive de l'outil du fait d'une adhérence entre le matériau de revêtement et le matériau de la pièce usinée. Une température élevée dans la zone de coupe (ce phénomène étant dû au fait que la conductibilité thermique de ces matériaux est basse) et les faibles vitesses de coupe qui sont caractéristiques en cas de travail de coupe de matériaux 12465 difficiles à usiner contribuent à une intensification des processus de collage Les métaux purs, actifs et plastiques se collent beaucoup plus facilement au matériau que l'on soumet à l'usinage par comparaison avec leurs composés plus passifs et durs C'est pourquoi, la présence de couches d'un métal pur dans la composition du revêtement a pour conséquence une usure intense adhésive du revêtement entier. Dans le cadre de l'invention, on s'est proposé de créer un revêtement à plusieurs couches pour un outil de coupe de métaux se composant de constituants qui permettent, tout en assurant une haute tenue du revêtement, d'obtenir une aptitude réduite au collage au matériau de la pièce, y compris dans le cas de coupe de matériaux difficiles à usiner, ce qui donne la possibilité de réduire l'usure adhésive du revêtement et d'augmenter sa résistance à l'usure en général. Le problème posé est résolu par le fait que dans le revêtement à plusieurs couches pour un outil de coupe de métaux présentant des couches alternantes de deux constituants dont l'un est un nitrure ou un carbure d'un métal appartenant au groupe IV, selon l'invention, le deuxième constituant du revêtement est un nitrure ou un carbure, ou un borure, ou un siliciure d'un métal appartenant au groupe VI. Il est avantageux de choisir l'épaisseur de la couche de composé d'un métal appartenant au groupe IV égale à 0,05 à 0,5 micron environ, et de choisir l'épaisseur de la couche de composé d'un métal appartenant au groupe VI comprise entre 15 et 40 % environ par rapport àl'épaisseur de la couche de composé d'un métal appartenant au groupe IV. Le revêtement à plusieurs couches se composant de constituants conformes à l'invention, et présentant avec cela une épaisseur des couches susindiquées est caractérisé par une faible action adhésive avec le matériau subissant l'usinage, ce qui permet de réduire le degré de l'usure dudit revêtement et d'augmenter la résistance à l'usure d'un outil comportant un tel revêtement. Lors du travail d'un matériau difficile à usiner, une microdureté élevée des carbures et des nitrures d'un 12465 métal appartenant au groupe IV constitue un obstacle aux déformations plastiques qui sont normales par rapport à la surface du revêtement Un revêtement renforçant comprend jusqu'à 500 couches alternantes de composés de métaux appartenant aux groupes IV et VI qui sont divisées par des interphases L'interphase constitue un accumulateur d'énergie qui se dégage lors de la formation des micro-fissures dans la couche supérieure au cours du processus de coupe et diminue l'éventualité de leur développement dans les couches inférieures. La présence des composés d'un métal appartenant au groupe VI disposés dans des couches plus minces, assure une résistance à l'usure, tandis que les produits résultant de l'usure, qui s'oxydent sous l'effet des températures élevées dans la zone de coupe, remplissant le rôle d'une graisse dure, diminuent le frottement, réduisent l'effort de coupe et la température à l'arête coupante de l'outil. De plus, les oxydes de molybdène, de chrome, de tungstène créent une barrière passive empêchant une interaction adhésive entre le revêtement et le matériau à usiner, en diminuant ainsi une usure du revêtement en général. L'épaisseur des couches de composés de métaux a été déterminée par voie expérimentale en vue d'assurer des propriétés de lubrification optimales et une intéraction adhésive du revêtement avec le matériau à usiner. Le revêtement à plusieurs couches revendiqué peut être facilement obtenu, du point de vue technologique, par le procédé connu de condensation d'une matière en utilisant un bombardement ionique. Les couches des constituants susmentionnés sont appliquées durant un seul cycle technologique A cet effet on place un outil de coupe de métaux dans une chambre à vide sur une base tournante En outre, on dispose dans ladite chambre, des cathodes en métaux difficilement fusibles appartenant aux groupes IV et VI On applique à l'outil un potentiel négatif et dans l'espace entre l'outil et les cathodes sont engendrées des décharges d'arc électrique. Il en résulte que les atomes de phase métallique sont arrachés des cathodes et lesdits atomes deviennent ionisés dans la zone de brûlage de l'arc Les ions positifs formés sont accélérés sous l'action du potentiel négatif de l'outil et en se heurtant contre sa surface, effectuent le nettoyage de ladite surface et son chauffage. Après avoir atteint une température requise sur la surface de l'outil, on introduit dans la chambre de travail un réactif sous forme d'un gaz (azote, soit méthane, soit silane, soit borane) et on fait précipiter sur l'outil un composé-réfractaire résistant à l'usure des métaux difficile- ment fusibles. L'invention sera mieux comprise et d'autres détails caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative qui va suite faite en référence aux exemples concrets de sa réalisation. EXEMPLE 1 On prend un outil de coupe comportant des plaques à trois faces qu'il n'est pas possible de réaffûter, consti- tuées d'un alliage dur P, K suivant JSO et onl Y applique, par le procédé décrit ci-dessus, un revêtement à plusieurs couches d'ure épaisseur générale de 20 microns Le revêtement est constitué de couches alternantes de Ti N-Mo 2 N avec une épaisseur des couches de 0,05 microns, de 0,015 microns respectivement. On effectue les essais au cours d'un tournage longitudinal d'un alliage à haute teneur en éléments alliants- contenant en % en poids C = 0,03 à 0,07; Si 1,2; Mo = 2,8 à 3,2; Co = 1,9 à 2,2, Fe = le reste. Les régimes de coupe ont été les suivants profondeur de coupe t = 0,3 à 0, 5 mm, vitesse de coupe V = 37,6 m/mn, avance S = 0,15 mm/tour. La tenue de l'outil à revêtement à plusieurs couches est égale à 20,2 mn. D'une manière analogue, on a réalisé les exemples 2 à 9, en modifiant seulement les constituants des couches du revêtement à plusieurs couches et l'épaisseur desdites couches dans les limites de la présente invention. Les résultats des essais d'après les exemples 1 à 9 sont représentés dans le tableau 1. En outre, afin d'obtenir des résultats comparatifs on fait subir des essais aux outils de coupe analogues à ceux décrits dans l'exemple I comportant des revêtements connus constitués par des couches successives de nitrure de titane et de titane d'une épaisseur totale de 20 microns. Les résultats des essais des outils de coupe présentant des revêtements connus sont indiqués dans le même tableau 1 sous les n Os 10 et 11. TABLEAU 1 No Constituants Epaisseur Tenue de d'ordre des couches du des couches l'outil revêtement microns mn 1 2 3 4 6 Ti N Mo 2 N Ti N Mo 2 N Ti N Mo 2 N Zr N Mo 2 C Ti C Cr N Hf C WC Zr C Mo 2 B Zr N Mo Si 2 Ti N Cr B 2 0,05 0,015 0,08 0,28 0,1 0,02 0,5 0,15 0,3 0, 1 0,1 0,03 0,4 0,1 0,2 0,03 0,3 0,1 ,2 ,7 19,6 26,3 ,3 26,5 ,8 19,1 23,4 12465 Tableau 1 (suite) 1 2 3 4 10 Ti N 0,55 5,1 Ti 0,15 il Ti N 2,5 4,7 Ti 0,5 Les résultats obtenus montrent que la tenue de l'outil avec un revêtement à plusieurs couches, selon l'invention, est de 2 à 5 fois supérieure en comparaison avec celle des outils de coupe comportant un revêtement connu à plusieurs couches en nitrure de titane et en titane. EXEMPLE 10 Sur une fraise à surfacer 0 80 x 45 en un alliage contenant en % en poids: W 18, V 2, Co 8, Fe étant le reste, par le procédé décrit on applique un revêtement à plusieurs couches de Ti N Mo 2 N d'une épaisseur totale de 20 microns, l'épaisseur des couches étant respectivement de 0,05 et de 0,015 microns. Ladite fraise a été essayée après avoir choisi comme qualité d'un matériau à usiner un alliage contenant en % en poids: Cr 20, Mn profondeur de coupe t = 4 mm. Une fraise, comportant le revêtement, selon l'invention, a permis d'usiner 44 pièces. Au cours des essais de la fraise de construction analogue comportant le revêtement connu constitué par les couches alternantes en Ti N Ti il s'est avéré qu'une seule fraise n'est susceptible d'usiner que 8 pièces. EXEMPLE Il On effectue des essais d'une manière analogue à celle décrite dans l'exemple 10, la seule différence consis- tant seulement en ce que comme constituants du revêtement à plusieurs couches on utilise Zr N-Mo C avec une épaisseur de couches de 0,5 et de 0, 15 microns respectivement Les résultats des essais montrent qu'une fraise comportant un tel revêtement est susceptible d'usiner 42 pièces, c'est-àdire, la tenue de l'outil est 5 fois supérieure approximativement à celle de la fraise connue comportant le revêtement connu à plusieurs couches. EXEMPLE 12 On effectue des essais d'une manière analogue à celle décrite dans l'exemple 10, la seule différence consis- tant en ce que comme constituants d'un revêtement à plusieurs couches on utilise de Hf C WC, l'épaisseur des couches étant de 0,1 et de 0,03 micron respectivement Les résultats des essais montrent qu'une fraise comportant un tel revête- ment est susceptible d'usiner 49 pièces, c'est-à-dire que sa tenue est 6 fois supérieure approximativement à celle d'un outil connu. EXEMPLE 13 Sur un outil à brocher de dimensions de 150 x 25 x en un alliage contenant en % en poids: W 18, Fe étant le reste, on applique par le procédé décrit un revêtement à plusieurs couches constitué par les couches alternantes de Ti C Cr C d'une épaisseur totale de 20 microns, l'épaisseur des couches étant de 0,3 à 0,1 micron. L'outil à brocher a été essayé en utilisant comme matériau à usiner de l'acier inoxydable contenant % en poids: C 0,13 à 0,18; Si C 0,6; Mn V 0,18 à 0,3; Nb 0,3; Fe étant le reste. Un outil à brocher a permis d'usiner 197 pièces. Par comparaison on essaie un outil à brocher analogue comportant un revêtement connu à plusieurs couches en Ti N Ti En utilisant un seul outil à brocher comportant le revêtement connu il est possible d'usiner seulement 45 pièces, c'est-à-dire, sa tenue à l'usure est de 4,5 fois inférieure à celle d'un outil conforme à l'invention. EXEMPLE 14 On effectue les essais d'une manière analogue à celle décrite dans l'exemple 13, la seule différence 12465 consistant dans le fait que comme constituants du revêtement à plusieurs couches on utilise de Zr N Mo Si 2, l'épaisseur des couches étant de 0,2 et de 0,03 micron respectivement. Un seul outil à brocher a permis d'usiner 165 pièces, c'est-à- dire que sa tenue à l'usure est 3,1 fois supérieure à celle de l'outil à brocher comportant le revêtement à plusieurs couches connu. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art au revêtement qui vient d'être décrit uniquement à titre d'exemple non limitatif sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Revêtement à plusieurs couches pour un outil de coupe de métaux comportant des couches alternantes de deux constituants dont l'une est un nitrure ou un carbure d'un métal appartenant au groupe IV, caractérisé par le fait que le deuxième constituant dudit revêtement est un nitrure, soit un carbure, soit un borure, soit un siliciure d'un métal appartenant au groupe VI. 2 Revêtement selon la revendication 1, caracté- risé en ce que l'épaisseur de la couche précitée de composé de métal appartenant au groupe IV est comprise entre 0,05 et 0,5 micron, et que l'épaisseur de la couche de composé, de métal appartenant au groupe VI est égale à 15 à 40 % de l'épaisseur de la couche de composé de métal appartenant au groupe IV. 3 Outil de coupe de métaux, caractérisé en ce qu'il comprend le revêtement selon l'une des revendications 1 ou 2.