Brevet FR2540767A1 — publié le 19840817

L'invention concerne le domaine de l'usinage des métaux et a notamment pour objet un outil de coupe pourvu d'un revêtement résistant à l'usure consittué de composés réfractaire de métaux difficilement fusibles,et un procédé de fabrication dudit outil de coupe. On connatt des outils de coupe en matériaux métallocéramiques à base de métaux difficilement fusibles pourvus d'un revêtement résistant à l'usure en composés réfractaires (carbures, nitrures,etc.) de métaux difficilement fusibles, tels que, par exemple : le titane, le zirconium, dans lesquels est prévue, entre le substrat et le revêtement, une couche intermédiaire de métal pur (titane, zirconium) (cf. la thèse de Derevlev I.A. "Etude de la capacité de travail des outils munis d'un revêtement mince dans les conditions de la coupe discontinue", Moscou, 1978, pages 65 à 68). Dans ces outils de coupe, la couche intermédiaire continue de métal pur est de 0,5 à I micron d'épaisseur et crée la limite de la surface de séparation outil-revêtement. Ces outils de coupe sont utilisés largement dans l'usinage des métaux et, en comparaison des outils de coupe en alliages durs sans revêtement, assurent une élévation de la tenue de 2 à 3 fois en cas d'usinage de matériaux de construction. Cependant, les outils de coupe fabriqués en matériaux métallocéramiques à base de métaux difficilement fusibles sont des articles difficiles à se procurer et coûteux. On connaît un procédé de fabrication d'outils de coupe à partir d'aciers rapides et d'alliages durs, selon lequel, par une méthode de condensation d'une matière de plasma avec bombardement ionique, on applique successivement sur un substrat une couche intermédiaire continue de métal pur et un revêtement en composés réfractaires de métaux difficilement fusibles (cf. le recueil des thèses et des rapports "Procédés technologiques avancés dans la production d'outils" sous la rédaction de Semko M.F., Moscou 1979, pages 26 à 28).Les outils de coupe en acier rapide sont portés, lors de l'application de la couche intermédiaire continue et du revêtement, jusqu'à une température de 5600 C au maximum, et les outils de coupe dont le aSx*rat est en alliage dur sont chauffés jusqu'à 800 OC. La vitesse de condensation est de 40 à 150 /s. On connaît des outils de coupe en matériaux métallocéramiques et céramiques à base d'oxyde d'aluminium, utilisés pour l'usinage des aciers et de la fonte. Ces outils de coupe sont notablement moins coûteux que ceux fabriqués en matériau métallocéramique à base de métaux difficilement fusibles. Toutefois, ils sont caractérisés par des inconvénients de caractère physique, ce qui empêche leur utilisation sur une large échelle dans l'usinage des métaux. L'inconvénient principal de ces outils de coupe réside en la basse résistance des arêtes tranchantes à 1a destruction par suite de leur basse résistance à la flexion transversale et de leur haute sensibilité aux chocs thermiques. La basse résistance à la flexion transversale est due à un nombre important de défauts (microfissures, porosité, limites de séparation des grains, etc.) dans la couche superficielle de l'outil de coupe et, par conséquent, à la grande énergie superficielle qui, pendant l'application de énergie au cours de la coupe, se traduit par un effritement des arêtes tranchantes. L'application d'un revêtement résistant à l'usure sur un tel outil de coupe pourrait supprimer les inconvénients mentionnés. Toutefois, les outils de coupe en matériau métallocéramique à base d'oxyde d'aluminium, pourvus d'un revêtement résistant à l'usure, ne sont pas encore connus à l'heure actuelle. On s'est donc proposé de mettre au point un outil de coupe pourvu d'un revêtement résistant à l'usure en composés de métaux difficilement fusibles, qui ne nécessiterait pas, pour sa fabrication, des matériaux coûteux et difficiles à se procurer et qui serait en même temps caractérisé par une haute tenue, ainsi que de créer un procédé de fabrication d'un tel outil. Le problème ainsi posé est résolu du fait que l'outil de coupe muni d'un revêtement résistant à l'usure en composés réfractaires difficilement fusibles, dans lequel est prévue, entre le substrat et le revêtement, une couche intermédiaire de métal pur, est caractérisé, selon l'invention, en ce que ledit substrat est exécuté en un matériau céramique ou metallocéramique à base d'oxyde d'aluminium, et en ce que la couche intermédiaire est une couche discontinue. Le problème exposé ci-dessus est aussi résolu du fait que le procédé de fabrication d'outils de coupe, selon lequel applique successivement sur un substrat, par condensation d'une matière de plasma avec bombardement ionique, une couche intermédiaire de métal pur et un revêtement en alliages réfractaires de métaux difficilement fusibles, estcaractériséi selon l'invention, en ce que la couche intermédiaire est appliquée à une température de l'outil de coupe 1/? Ts > T? 1/3, où Ts est la température de fusion du métal à appliquer, T est la température de l'outil de coupe en OK, la vitesse de çondensation et la durée du processus étant choisieS de manière que le dépôt du métal steffectue uniquement sur les défauts de la surface du substrat. il est avantageux qu'à une vitesse de condensation de 10 à 20.0/s,la couche intermédiaire soit appliquée pendant 10 à 15 secondes. L'outil de coupe réalisé selon la présente invention se distingue par sa haute tenue, assurée par la présence du revêtement résistant à l'usure en composés réfrac taires de métaux difficilement fusibles,bsat en étant d'un cott assez modéré du fait qu'on utilise pour la fabrication de son substrat une matière peu coûteuse, l'oxyde d'aluminium. Le procédé de fabrication de l'outil de coupe selon l'invention est assez simple à mettre en oeuvre etne oecessite pas l'utilisation d'un équipement spécial. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparaitront mieux à la lecture de la description explicative qui va suivre de différents modes de réalisation donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs. L'outil de coupe selon la présente invention est constitué par un substrat exécuté en une matière céramique ou métallocéramique à base d'oxyde d'aluminium, par une couche intermédiaire non continue de métal pur, par exemple de titane ou de zirconium, et par un revêtement résistant à l'usure en composés réfractaires (carbures, nitrures, etc.) de métaux difficilement fusibles, par exemple de titane, de zirconium, appliqué sur ladite couche intermédiaire. La couche intermédiaire non continue est constituée de zones distinctes formées uniquement sur les défauts de la surface du substrat de l'outil de coupe. Le procédé de fabrication de l'outil de coupe conformément à la présente invention consiste à appliquer successivement sur le substrat del'outil de coupe, constitué d'une matière céramique ou métallocéramique à base d'oxyde d'aluminium,par une méthode de condensation d'une matière de plasma avec bombardement ionique, une coucheintermédiat de métal pur et un revêtement résistant à l'usure en composés réfractaires de métaux difficilement fusibles. La couche- intermédiaire est appliquée à une température T de l'outil de coupe choisie conformément à l'expre ssion 1/2 T8 > Ts T 7 1/3 T ,où T8 est la température de fusion du métal à appliquerwen OK, la vitesse de condensation et la durée du processus étant choisis de manière que le dépôt du métal s'effectue uniquement sur les défauts de la surface du substrat de l'outil de coupe. Par exemple, la condensation de la phase métallique se fait sans accélération par un champ électrique et en assurant une vitesse de condensation comprise approximativement entre 10 et 20 /S, la durée du processus étant de 10 à 15 secondes. La quantité de métal à appliquer est choisie compte tenu du degré de défectuosité de la surface de l'outil de coupe et est déterminée par voie expérimentale en examinant la surface sur laquelle est appliquée la couche intermédiaire à l'aide d'un microscope optique avec agrandissement dans le champ obscur égal à X 300. On choisit un régime (dans les limites mentionnées du chauffage de l'outil de coupe) auquel la pellicule de la couche intermédiaire ne se forme pas sur les parties sans défauts. Les conditions de la cristallisation de la couche intermédiaire (température de l'outil de coupe 1/2 T8 > T > 1/3 Ts) permettent aux atomes de métal absorbés sur la surface de l'outil de coupe d'effectuer une migration superficielle à la suite de laquelle ils atteignent les zones locales de la surface avec une énergie superficielle élevée. Ces zones sont les suivantes : fissures, cassures, dégagements, structures d'ameublissement, limites intergranulaires, figures de croissance et autres défauts. Le processus de migration est activé additionnellement par l'action des radiations engendrées dans la chambre par la décharge d'arc.Les atomes absorbés transmettent aux zones de la surface qui sont des concentrateurs d'énergie superficielle, l'énergie thermique de la transition vapeur-cristal, se cristallisent sur ceux-ci et affaiblissent leur influence sur la formation (développement) des fissures dans l'outil de coupe grace à la baisse du niveau de l'énergie superficielle libre. En effectuant la suppression desdits défauts, la phase métallique déposée sur les défauts de la surface égalise les enveloppes électroniques des atomes en créant, par cela même, une forte liaison sur la surface de séparation couche interasvdiaire- revêtement résistant à l'usure. La couche intermédiaire discontinue ainsi formée influe d'une manière favorable en diminuant les contraintes intérieures à la limite substrat-revêtementXqui sont habituellement engendréespr lecoefficient de dilatation thermique des matières du substrat et du revêtement refractaire résistant à l'usure. Le revêtement résistant à l'usure en composé réfractaire, par exemple en nitrure de titane, appliqué sur une couche intermédiaire, remplit trois fonctions: 1. Dans le système substrat-revêtement de l'outil, il se produit une nouvelle répartition de l'énergie superficielle qui est évacuée de la surface du substrat à la surface du revêtement réfractaire résistant à l'usure. 2. Du fait que l'application d'une couche par condensation de la phase métallique du plasma se fait dans des conditions déséquilibrées (action du choc du faisceau de plasma composé, par exemple, d'ions de titane et d'azote, haute température d'échauffement de la surface pendant l'application du revêtement, etc.), des contraintes intérieures de compression apparaissent dans les couches de la matière réfractaire, qui confèrent à l'outil de coupe des propriétés mécaniques accrues. 3. Comme dans le cas de l'outil de coupe connu pourvu d'un revêtement, le. revêtement réfractaire résistant à l'usure élève la résistance de l'outil de coupe à l'usure. Pour faciliter la compréhension de l'essentiel de la présente invention, on donne ci-dessous des exemples concrets mais non limitatifs de mise en oeuvre du procédé de fabrication de outil de coupe conforme à l'invention. Exemple 1. On a appliqué un revêtement résistant à l'usure de nitrure de titane sur des plaques qu'on ne devait pas réaffûter, fabriquées en une matière métallocéramique à base de Au203 avec additifs de carbures de métaux difficilement fusibles et de métaux difficilement fusibles. On a monté ces plaques dans un dispositif et on les a placées dans la chambre de travail d'une installation du type "BULAT". On a créé dans la chambre de travail un vide de 1,333 mPa ou 1.10 5 mm de Hg. qn a appliqué aux plaques un potentiel négatif de 1,15'kV. Dans l'espace entre les plaques et la cathode de titane à pulvériser on a amorcé une décharge d'arc électrique et on a soumis la surface tranchante des plaques à un traitement par des ions accélérés de titane. Pendant ce traitement, la surface des plaques a été débarrassée des impuretés absorbées et a été portée, sous l'effet de l'absortion de l'énergie cinétique des ions, à une température de 600 à 620 OC. Après le chauffage des plaques jusqu'à cette température, on a annulé le haut potentiel qui leur était appliqué et on a créé en même temps un potentiel négatif de 300 V sur l'outil de coupe. Ensuite, on a appliqué du titane sur la surface des plaques dans les conditions suivantes : courant d'arc A, vitesse de condensation 150 A/s pendant 15 secondes. Dans ces conditions, la cristallisation du titane se fait sur les parties défectueuses de la surface, qui constituent des "déversoirs" pour la phase métallique arrivée du faisceau de plasma. En conséquence, la couche intermédiaire condensée ainsi formée n'est pas continue. Après avoir obtenu ladite couche intermédiaire discontinue, on a établi un courant d'arc de 110 A et on a introduit dans la chambre de travail un gaz faisant fonction de réactif, par exemple de l'azote, sous une pression de 5,332 Pa ou 4.10'2 mm de Hg. En conséquence, une couche de nitrure de titane de 10 microns d'épaisseur maximale s'est déposée sUr la couche intermédiaire, à la surface du matériau de l'outil de coupe. Les plaques revêtues de la couche intermédiaire discontinue et de la couche de revêtement-réfractaire ont été refroidies dans le vide jusqu'à la température de 50 C et retirées de la chambre de travail. L'outil de coupe muni de la plaque tetraédrique en matière métallocéramique précitée, revêtue de ladite couche intermédiaire discontinue de titane et dudit revêtement de nitrure de titane, a été soumis à un essai de tournage d'une fonte dont la composition était la suivante: 3,4 à 3,6 % de C, 1,8 à 2,2 % de Si, 0,96 à 1,2 Yo de Mn, 0,16 à 0,3 % de Cr, 0,06 % au maximum de P, 0,01 à 0,03 % de Mg, 0,01 % de Si, le reste étant du fer. Régime d'usinage : profondeur - 0,3 mm, avance - 0,1 mm/tr, vitesse de coupe - 270 m/min. Nombre de plaques essayées .10. Le nombre de pièces usinées au moyen des plaques pourvues du revêtement a été de 4 200, le nombre de pièces usinées avec le même nombre de plaques, mais sans revêtement a été de 1 840. Ainsi, l'usinage de la fonte au moyen de l'outil de coupe revendiqué a fait apparaître une élévation de sa tenue de 2,3 fois. Exemple 2. Un outil de coupe muni d'une plaque tetraédrique en matière métallocéramique à base de Al203 avec des composants liants, pourvue d'une couche intermédiaire discontinue de titane et d'un revêtement de nitrure de titane obtenus de la même manière que dans l'exemple -1, a été soumis à un essai de tournage d'un acier contenant : 0,4 à 0,5 % de C, 0,17 à 0,37 % de Si, 0,5 à 0,8 yO de Mn. Régime de coupe : profondeur - 0,3 mm, avance - 0,3 mm/tr, vitesse - 250 m/min. La tenue d'un pan pourvu dudit revêtement a correspondu à 90 pièces usinées; à l'aide des quatre pans on a usiné 360 pièces. La tenue d'un pan sans revêtement a correspondu à 40 pièces, et la tenue de quatre pans, à 180 pièces usinées. il en résulte qu'en cas d'usinage d'acier contenant 0,4 à 0,5 % de C, 0,17 à 0,37 % de Si, 0,5 à 0,8 % de Mn, la tenue de l'outil de coupe revendiqué est de deux fois supérieure. R E V E N D I C A T I O N S 1. Outil de coupe muni d'un revêtement résistant à l'L1are , constitué de composés réfractaires de métaux difficilement fusibles, du type comportant entre le substrat et le revêtement une couche intermédiaire de métal pur, caractérisé en ce que le substrat est fabriqué en matière céramique ou métallocéramique à base d'oxyde d'aluminium et en ce que ladite couche intermédiaire est discontinue. 2. Procédé de fabrication d'un outil de coupe, du type consistant à appliquer successivement sur un substrat, par condensation d'une matière de plasma avec bombardement ionique : une couche intermédiaire de métal-pur et un revêtement en composés réfractaires de métaux difficilement fusibles, caractérisé en ce que ladite couche intermédiaire est appliquée à une température de l'outil de coupe choisie conformément à l'expression 1/2 Ts) TSs1/3 T8, où T8 est la température de fusion du métal à appliquer,et T,la température de l'outil de coupe en K, la vitesse de condensation et la durée du processus étant choisies de manière que le métal se dépose uniquement sur les défauts de la surface du -substrat. 3. Procédé de fabrication d'un outil de coupe selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite couche intermédiaire est appliquée à une vitesse de condensation de 10 à 20 AV/s pendant 10 à 15 secondes.