Brevet FR2513154A1 — publié le 19830325

La présente inventionconcerne l'usinage des métaux, et plus précisément, des revêtements pour outils de coupe de métaux. L'invention peut être utilisée avec succès pour tous les outils de coupe: forets, outils de tour, fraises, etc, surtout pour des outils en acier rapide utilisés pour l'usinage des pièces en aciers inoxydables et en alliages réfractaires. On connaît un revêtement pour les outils de coupe des métaux se composant de nitrure de titane (Cf, par exemple, H F Bunshan et al, "Thin solid films", 1977, 45, No 3, pp 453-462). Les outils au revêtement en nitrure de titane utilisés pour l'usinage de pièces en aciers de construc- tion se caractérisent par une bonne tenue à l'usure dépassant de 5 à 7 fois celle des outils sans revêtement. Toutefois, la tenue à l'usure des outils au revêtement en nitrure de titane s'avère insuffisante en cas d'usinage de pièces en aciers inoxydables et en al- liages réfractaires Cela est d O au degré élevé de l'in- teraction par adhésion entre le revêtement et la pièce aux surfaces de contact de l'outil pendant la coupe Il en résulte une élévation de la température dans la zone de coupe et un radoucissement du revêtement sous l'action des vapeurs d'eau et de l'oxygène - Dans le cadre de l'inventionr on s'est proposé de créer un revêtement pour outils de coupe de métaux, dont la composition assurerait unehaute tenue à l'usure des outils dotés de ce revêtement en cas d'usinage de pièces en aciers inoxydables et en alliages réfractaires. Le but visé est atteint par le fait que le revêtement pour outils de coupe de métaux, du type compre- nant du nitrure de titane contient, selon l'invention, de plus soit du nitrure de chrome ( 10 à 30 %) soit, pris au total et régulièrement rëpartis dans le vol ufle du revête- ment, 3 à 18 %o en poids de nitrure dialuimnium, 2 à 8 9 % en poids de nitrure de molybdène, 2 à 10 % de nitrure de chrome et 0,5 à 10 % en poids de nitrure de silicium. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparattront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre. Le revêtement bicomposant comprenant les nitrures de chrome et de titane est un peu moins coûteux à obtenir, alors que le revêtement multicomposant assure une bonne tenue à l'usure pour une gamme plus large de matériaux à usiner. Appliqués aux outils de coupe, les deux types de revêtement selon l'invention augmentent leur tenue à l'usure de 4 à 6 fois par rapport au revêtement connu en nitrure de titane, lorsqu'il s'agit de l'usir-ae des aciers inoxydables et des alliages réfractaires. En cas d'usinage des aciers inoxydables et des alliages réfractaires, le nitrure de chrome contenu dans le revêtement se composant de nitrure de titane et de nitrure de chrome constitue une barrière supprimant les phénomènes actifs d'adhésion aux surfaces de contact de l'outil, ce qui augmente sa tenue à l'usure En outre, une oxydation partielle du nitrure de chrome provoquée par les températures élevées au cours de la coupe conduit à la formation d'oxydes de chrome thermodynamiquement stables qui diminuent davantage l'usure de l'outil par adhésion et fatigue. Lorsque le revêtement se compose des nitrures de titane, d'aluminium, de molybdène, de chrome et de silicium dans les proportions indiquées cidessus, les nitrures lui assurent une haute microdureté et, grâce à leur répartition régulière dans le revêtement, entrent en action simultanément et entièrement Au fur et à mesure de l'augmentation de la température dans la zone de coupe, les produits de l'usure qui se forment et la couche super- ficielle du revêtement contenant des nitrures d'aluminium et de molybdène sont oxydés en oxydes par l'oxygène atmos- phérique et les vapeurs d'eau L'oxyde d'aluminium qui se forme diminue l'interaction par adhésion entre l'outil et le matériau usiné et réduit l'activité chimique du revêtement L'oxyde de molybdène formé en cours de coupe possède des propriétés lubrifiantes et diminue le coef- ficient de frdtement et, par conséquent, la température dans la zone de coupe L'élévation de la température provoque une décomposition du nitrure de chrome qui forme un oxyde stable servant de barrière électrique qui empêche une modification de la répartition des porteurs de courant. Les nitrures ainsi tramformés protègent contre le radou- cissement les nitrures de titane et de silicium assurant une haute dureté dans toute l'épaisseur du revêtement. La proportion pondérale des nitrures a été choisi E de manière à assurer la stabilité thermodynamique du revêtement. Etant donné que tous les composants, dans les proportions indiquées sont régulièrement répartis dans le revêtement, ils sont constamment présents à la surface de contact de l'outil et permettent de diminuer l'influence des facteurs provoquant le radoucissement du revêtement au cours de l'usinage des aciers inoxydables et des alliages réfractaires. Le revêtement, selon l'invention, peut être appliqué à la surface de travail de n'importe quel outil de coupe de métaux selon une méthode simple du point de vue technologique, par exemple, selon l'un des procédés indiqués ci-après: a) par pulvérisation d'une cathode en mosaïque composée d'un ensemble de plaques (segments) en matériaux précités, dans une atmosphère d'azote sous unepression de 0,4 à 0,67 Pa ou 3 à 5 10-3 mm Hg; b)par pulvérisation cathodique d'un mélange pulvérulent se composant des-matériaux pricités en pro- portion déterminée, dans une atmosphère d'azote sous une pression de 0,4 à 0,67 Pa ou de 3 à 5 * 10-3 mm Hg; c) par évaporation d'une cathode se composant du titane allié soit de chrome, soit d'aluminium, de molybdène, de chrome et de silici m, dans une chambre à vide sous atmosphère d'azote (méthode de condensation de la matière à partir du plasma métallique avec bombardement ionique). Les exemple qui suivent illustrent la présente invention en plus de détail afin de mieux éclaircir son mode de réalisation pratique, mais ils ne doivent en aucun cas être considérés comme limitant le cadre de la présente invention, parce que de nombreuses variations et modifications sont possibles. Exemple 1. Un revêtement de la surface de travail d'un outil de coupe de métaux (outil d'usinage par coupe) en alliage du groupe K selon ISO a été réalisé par condensa- tion de la matière à partir du plasma métallique avec bombardement ionique. Ce procédé a été réalisé par évaporation simul- tanée de titane et de chrome et par admission d'azote dans une chambre à vide, o une pression de 0,28 à 0,67 Pa ou de 2 à 5-10-3 mm Hg a été maintenue. La proportion des quantités de chrome et de titane dans le revêtement a été réglée en faisant varier les courants de décharge à chaque évaporateur. On a essayé des outils au revêtemat contenant 10, 20 et 30 % de nitrure de chrome, le reste étant cons- titué de nitrure de titane. Les essais ont été effectués au cours du tour- nage longitudinal d'un alliage réfractaire de composition suivante (% en poids); C: 0,1 à 0,16; Si L 0,6; Mn Mo: 0,35 à 0,5; V: 0,18 à 0,3; Fe: le reste. Les régimes de coupe ont été les suivants vitesse de coupe V = 37,3 m/mn, avance S = 0,15 mm/tr, profondeur de coupe t = 0,3 à 0,5 mm. Pour obtenir les résultats témoins, on a effectué des essais de l'outil de coupe doté du revêtement connu en nitrure de titane, les conditions d'essai étant les 25.13 154 mêmes. Les résultats des essais sont donnés dans le tableau ci-dessous: Tableau i :Composants du Teneur, Tenue, en: :revêtement en % minutes: : Tin-Cr N 10 21, 5: : 20 25,5: : 30 28,0: :Ti N 4,9 Il ressort de ce tableau que, au cours de l'usinage de l'alliage réfractaire, la tenue de l'outil au revêtement, selon ltinvention, est supérieure de 2 à 5 fois à la tenue de l'outil au revêtement connu. Exemple 2. Un revêtement contenant 5,5 % de Al N, 2,0 % de Mo 2 N, 2 % de Cr N, 0,5 % de Si N, le reste étant du Ti N a été appliqué sur l'outil à pastille à trois arêt-es non réaff Mtable en alliage du groupe M ou K selon ISO, par le procédé de condensation de la matière à partir du plasma métallique, comme dans l'exemple 1 Les essais de l'outil ont été effectués au cours du tournage de l'acier chrome- nickel contenant (% en poids): C Fe: le reste. Les régimes de coupe ont été les suivants t = 3 mn, S = 0,3 mm/tr, V = 122 m/mni La tenue de l'outil a été de 30 minutes sur 3 arêtes coupantes. Dans un but de comparaison, on a essayé iuy outil semblable au revêtement en nitrnure de titanes Sa tenue dans les mêmes co-nditions a ebté de 5 4/+ mrinutes sur 3 arêtes, soit de 5,5 fois inférieure à la texiue de l'outil au revi-. tement, selon 11 'invention. Exemple 3. Un revêtement contenant 18 % de Al N, 4 % de Mo 2 N, % de Cr N, 5 % de Si N, 68 % de Ti N a été appliqué par condensation de la matière à partir du plasma métallique sur un outil à pastille non réaffûtable à trois arêtes coupantes en alliage du groupe K selon I 50 Les essais de l'outil ont été effectués au cours du tournage longitu- dinal de l'acier contenant (% en poids): C: 0,11 à 0,17; Si Fe: le reste. Les régimes de coupe ont été les mêmes que dans l'exemple 2 La tenue de l'outil a été de 25 minutes sur 3 arêtes. Exemple 4. L'expérience a été effectuée comme dans l'exemple 3, sauf que le revêtement appliqué contenait 5,5 % de Ai N, 4 % de Mo 2 N, 5 % de Cr N, 10 % de Si N, le reste étant Ti N. La tenue de l'outil a &é de 22 minutes sur 3 arêtes. Les revêtements décrits dans les exemples 3 et 4 ont permis d'augmenter la tenue des outils coupants pour métaux utilisés pour l'usinage de l'acier inoxydable, d'environ 4,5 fois par rapport aux outils de coupe au revêtement en nitrure de titane (décrit dans 1 'exemple 2). Exemple 5. Des revêtements différents ont été appliqués par condensation de la matière à partir du plasma métallique à la surface de travail de trois outils de mortaisage analogues en acier rapide contenant 6 % de W, 5 % de Mo, le reste étant du fer Le revêtement de l'un d'eux conte- nait 20 % de Cr N et 80 % de Ti N, le revêtement de l'autre, % de AIN, 6 % de Mo 2 N, 4 % de Cr N, 5 % de Si N (Ti N,: le reste), alors que le troisième a été doté du revêtement connu en Ti N. Les essais des outils de mortaisage ont été effectués sur une machine à mortaiser les engrenages au cours de l'usinage de l'acier contenant (% en poids): C: 1,6; Cr, Mn, Ti, N: environ 1 chacun, Fe: le reste. Les régimes de coupe ont été les suivants: nombre de courses aller-retour du coulisseau porte-outil par minute: 125, avance circulaire: 0,25 mn/course aller-retour. La tenue de l'outil de mortaisage au revêtement en Cr N-Ti N a été de 1040 minutes, celle de l'outil au revêtement multicomposé, de 1196 minutes et celle de l'outil au revêtement en Ti N, de 273 minutes, soit inférieur de 3,8 fois et de 4,4 fois respectivement à la tenue de l'outil au revêtement, selon l'invention. Exemple 6. L'expérience a été effectuée comme dans l'exemple 3 Le revêtement multicomposant appliqué contenait 3 % de Ti N, 2 % de Mo 2 N, 2 % de Cr N, 3 % de Si N; le reste étant Ti N La tenue de l'outil a été de 18 minutes sur trois arêtes, soit de 2,4 fois supérieure à la tenue de l'outil airevêtement en nitrure de titane. Exemple 7. L'expérience a été effectuée comme dans l'exemple 3 Le revêtement multicomposant appliqué contenait 3 % de Ai N, 8 % de Mo 2 N, 2 % de Cr N, 3 % de Si N, le reste étant Ti N La tenue de l'outil a été de 25 minutes sur trois arêtes, soit de 3,3 fois supérieure à la tenue de l'outil analogue au revêtement en nitrure de titane. Exemple 8. L'expérience a été effectuée comme dans l'exemple 3 Un revêtement multicomposant appliqué contenait 3 % de AIN, 8 % de Mo 2 N, 10 % de Cr N, 3 % de Si N, le reste étant Ti N. La tenue de l'outil sur trois arêtes a été de 22 minutes, soit de 2,9 fois supérieure à la tenue de l'outil analogue au revêtement connu en nitrure de titane. 2513 -154 REVENDICATIONS 1. Revêtement pour outils de coupe de métaux, du type comprenant du nitrure de titane, caractérisé en ce qu'il contient de plus soit 10 à 30 % en poids de nitrure de chrome, soit, pris au total et régulièrement répartis dans le volume du revêtement, 3 à 18 % en poids de nitrure d'aluminium, 2 à 8 % en poids de nitrure de molybdène, 2 à % en poids de nitrure de chrome et 0,5 à 10 % en poids de nitrure de silicium. 2. Outils de coupe, caractérisés en ce qu'ils sont munis du revêtement selon la revendication 1.