Brevet FR2540520A1 — publié le 19840810

La présente invention concerne les procédés de fabrication d'outils de coupe et a notamment pour objet tun procédé de durcissement d'outils de coupe en aciers rapides ou en alliages durs par application de revête-. ments résistant à l'usure. Ce procédé peut être utilisé sur une large échelle dans la production de différents types d'outils de coupe. On connaît un procédé de durcissement d'outils de coupe par application d'un revêtement sur lesdits outils, qui consiste à placer les outils dans une chambre à vide, a les porter à une temperature comprise entre 400 et 5000 C à l'aide de sources permanentes, à mettre en action un évaporateur de titane et à remplir la chambre d'azote en maintenant la pression dans celle-ci voisine de 133,3 -3 m Pa/cm ou 1010 mm de Hg/cm (cf, par exemple, L M. Djalamanov, "Méthodes avancées de création de revêtements résistant à leusure sur les outils de coupe", recueil "Technologie de la production et organisation scientifique du travail et de la gestion", n 11, 1979, Moscou) Un revêtement dur résistant à l'usure, constitué de nitrure de titane, se dépose sur l'outil de coupe La tenue de ce dernier s'accroit de plusieurs foiso Cependant, ce procédé de durcissement n'assure pas une haute adhésion du revê- tement à l'outil de coupe et l'exfoliation d'un tel revêtement limité l'aptitude de l'outil à fonctioninero On connaît aussi un procédé de durcissement d'outils de coupe en aciers rapides, comprenant l'application d'un revêtement au plasma d'arc sous vide par condensation et bombardement ionique (cf O certificat d'auteur soviétique no 607659, cl B 23 B 27/00). Dans ce procédé, les outils de coupe à revêtir sont placés dans une chambre à vide dans laquelle est créé un vide pousséjpuis une tension négative de 1 à 2 k V est appliquéeaux outils de coupe à revêtir et les évaporateurs a arc sous vide sont mis en action Les outils de coupe s'échauffent sous l'action du bombardement des ions de titane accélérés jusqu'à une énergie de I à 2 Ke V par le potentiel négatif, leur surface est nettoyée par la pulvérisation ionique (décapage) pendant 3 à 5 minutes. Après le bombardement ionique, on diminue le potentiel sur le support jusqu'à 100-250 V et on introduit dans la chambre de l'azote sous une pression de 266,6 m Pa ou 2 10-3 mm de Hg Il se dépose alors sur les outils de coupe une couche de nitrure de titane d'une dureté o 10 d'environ 24525 M Pa ou 2500 kg/mm 2 Au bout de 5 à 7 minutes, on diminue la pression dans la chambre jusqu'à 1,333 m Pa ou 3 10-5 mm de Hg, on maintient les outils de coupe dans ces conditions pendant 2 à 3 minutes, au cours desquelles s e dépose une couche d'une dureté voi- sine de 6867 M Pa ou 700 kg/mm 2 o En variant alternativement la pression d'azote dans la chambre, on obtient une revê- tement composé de couchesde différentes microduretés. Ces couches fonctionnent bien dans des conditions de microchocs et de vibrations et se caractérisent par une haute reproductibilité des résultats après les réaffûtages, ainsi que par une bonne adhésion. Pendant la coupe des métaux, la cause de destruction des couches de nitrure de titane résistants à l'usure déposées par ce procédé connu, est le chauffage, le ramolli- ssement et la déformation plastique de la base de l'outil de coupe dans la zone de coupe sous l'effet de la chaleur dégagée lors du frottement. Bien qu'une partie de la chaleur dégagée lors de la coupe soit évacuée avec les copeaux, la plus grande partie de la chaleur passe à travers le revêtement et chauffe la base de l'outil de coupe par suite du bon contact thermique entre le revêtement et ladite base, ainsi qu'à cause de la haute conductibilité thermique du nitrure de titane De plus, il convient de noter que le chauffage des outils de -3 coupe massifs par-le bombardement ionique, dure au maximum à 35 minutes, ce qui abaisse la qualité de finition de la surface, émousse les arêtes tranchantes, augmente la durée du processus technologique et risque de provoquer un recuit desdites arêtes. On s'est donc proposé de mettre au point un procédé de durcissement d'outils de coupe notamment en aciers rapides ou en alliages durs, qui permettrait de supprimer le risque d'endommagement des arêtes tranchantes de l'outil de coupe pendant sa fabrication et assurerait l'obtention d'un revêtement durcissant protégeant la base de l'outil de coupe contre la destruction sous l'effet de la chaleur dégagée lors du frottement dans la zone de coupe. Le problème ainsi posé est résolu à l'aide d'un procédé de durcissement d'outils de coupe, consistant en l'application de revêtements résistant à l'usure par plasma d'arc sous vide, caractérisé, selon l'invention, en ce que, avant l'application du revêtement, l'otil est porté à une température comprise entre 130 et 5600 C pendant une durée suffisante pour créer sur sa surface une pellicule d'oxyde de 20 à 1000 nm. L'invertion sera mieux comprise et d'aautres bu's. détails et avantages de celle-ci apparaîtront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre d'un mode de réalisation donné uniquement à titre d'exemple non limitatif avec références au dessin unique annexé représen- tant la courbe de variation du coefficient de tenue K de l'outil de coupe (axe des ordonnées) en fonction de la température T (OC) de traitement préalable (axe des abscisses). Le procédé de durcissement d'outils de coupe notam- ment en aciers rapides ou en alliage durs conforme à la présente invention assure l'obtention d'outils de coupe pourvus d'un moyen de protection de sa base contre l'action destructrice de la chaleur dégagée par le frottement dans la zone de coupe La réduction du temps de chauffage de l'outil de coupe par le bombardement ionique avant l'appli- cation du revêtement permet d'améliorer la tenue de l'outil de coupe et de diminuer la durée du cycle technologique de sa fabrication. Le procédé de durcissement d'outils de coupe, faisant l'objet de la présente invention, consiste en ce qui suit. Après dégraissage et rinçage, les outils de coupe sont chauffés dans une étuve, à l'air, jusqu'à une température de 130 à 5600 C, et sont maintenus à cette température de chauffage pendant 1 à 60 minutes en fonction de la masse de l'outil de coupe Les limites inférieures respectives de ces plages de température et de durées de maintien à ladite température sont déterminées par la nécessité d'assurer la formation d'une couche d'oxide, alors que les limites supé- rieures respectives sont déterminée par le souci d'éviter l'augmentation de l'épaisseur de la couche d'oxidelcondui- sant à une baisse de sa résistance. C'est d'après l'épaisseur de la ccche de pellicule d'oxyde qui est formée sur la surface des outils de coupe et qui doit se trouver dans la plage de 200 à 10000 A, qu'on détermine si le chauffage est suffisant ou non La pellicule d'oxyde formée sur la surface possède un haut degré d'adhésion à la surface des outils de coupe. Ceci fait, on place les outils de coupe dans la chambre à vide et on y crée un vide allant jusqu'à 1,333 à 4 m Pa ou ( 1 à 3) 10-5 mm de Hg, puis on applique aux outils de coupe une tension de 1 à 2 k V et on met en action l'éva- porateur de titane Les ions de titane accélérés par le potentiel négatif bombardent la surface des outils de coupe en effectuant leur nettoyage et leur chauffage Au bout de 2 à 5 minutes, on diminue le potentiel sur le support jusqu'à 100 à 250 V, on introduit dans la chambre de l'azote en y maintenant une pression de 133,3 à 4 Pa ou 1 à 3 mm de Hg, et on dépose les couches de nitrure de titane pendant à 7 minutes, après quoi on diminue la pression d'azote dans la chambre jusqu'à 10,664 m Pa ou 8 10-5 mm de Hg, on dépose une couche de nitrure de titane pendant 2 à 3 minutes, et on élève de nouveau la pression On répète ces opérations 6 à 10 fois. La pellicule d'oxyde disposée entre le revêtement résistant à l'usure et la base de l'outil de coupe et possédant une basse conductibilité thermique empêche la chaleur dégagée lors de la coupe de pénétrer jusqu'à la base de l'outil de coupe, contribue à la création d'un gradient de température dans les minces couches superficielles et augmente par conséquent la part de chaleur évacuée avec les copeaux C Ceci se traduit par tune diminution de la charge thermique sur-la base de l'outil de coupe et par une augmentation de sa résistance pour des conditions de coupe identiques La figure 1 représente la courbe de variation du coefficient relatif R de tenue de l'outil de coupe en fn-ctioni de la température de traitement thermique préalable à l'air pendant 30 minutes et de l'épaisseur de la pellicule d'oxyde obtenue dans les conditions de labo- ratoire, le coefficient K exprimant le rapport de la période de tenue d'outils à charioter en acier contenant environ 0,4 à 0,5 % de C, environ 0,17 à 0,37 % de Si O, environ 0,5 à 0,8 % de kn, aux régimes de coupe suivants: V = 50 m/min, S = O 15 mn/tr, t = 9, 5 mmo Tous les outils de coupe à essayer ont été fabriqués selon une cechnologie unique, à partir d'un acier provenant d'une même coulée Chaque point de la courbe résulte d'un traitement par des méthodes de statistique mathématique d'un essai réalisé sur 5 outilso Un traitement thermique réalisé dans la plage mention- née de températures et sous un vide poussé qui ne permettait pas la formation de la couche d'oxyde n'a pas abouti à une augmentation relative de la tenue des outils de coupe - Le chauffage des outils de coupe immédiatement avant leur introduction dans la chambre à vide présente des avantages supplémentaires Quand les outils de coupe à durcir sont des outils massifs, par exemple des outils de forme, des outils de mortaisage, en particulier en cas d'introduction de grands nombres d'outils avec rotation, le chauffage des outils dans la chambre à vide jusqu'à des températures nécessaires de 450 à 530 O C dure 25 à minutes, ce qui crée un risque de surchauffe des arêtes tranchantes, abaisse la qualité de leurs surfaces actives et augmente la durée du cycle technologique. En cas de traitement thermique des outils de coupe massifs immédiatement avant leur introduction dans la chambre à vide, la durée de chauffage desdits outils diminue jusqu'à 5 à 8 minutes, ce qui supprime le risque d'émous- sement et de recuit des arêtes tranchantes des outils de coupe pendant leur chauffage par le bombardement ionique. En outre, la désorption de l'humidité et de différents gaz d'un outil de coupe chauffé au préalable s 'effectue plus facilement, ce qui contribue à la réduction du temps nécessaire à l'obtention d'un vide poussé. Pour une meilleurecompréhension de l'essentiel du procédé conforme à l'inventioniplusieurs exemples de réalisation concrets mais non limitatifs sont décrits ci-après. Exemple 1 On a rincé à l'essence des outils à tronçonner en acier contenant environ 6 % de W, 5 % de Mo, environ 0,8 à 1 % de C, on les a essuyés avec un chiffon imbibé d'alccol, on les a assemblés dans des cassettes à raison de 25 outils par cassete, et on a placé les cassettes dans une étuve chauffée jusqu'à 300 C Pour contrôler la tempéra- ture de l'outil de coupe, on a appliqué un thermocouple à l'outil de coupe à chauffer A la température de 2800 C, on a retiré de ltétuve les cassettes contenant les outils de coupe, puis on a retiré l'un des outils de coupe pour contrôler la couche d'oxyde Ensuite on a placé les cas- settes contenant les outils de coupe sur un dispositif tournant dans la chambre à vide d'une installation du type "BULAT", puis on a fermé la chambre, on y a créé un vide de 2,666 m Pa ou 2 10 5 mm de Hg et on a appliqué au dispo- sitif tournant portant les outils de coupe une tension négative de 1,1 k V Puis on a mis en action le dispositif tournant, et ensuite deux évaporateurs, en établissant dans chacun d'eux un courant d'arc de 90 A La température des outils de coupe a été contrôlée, pendant le bombarde- ment ionique effectué pour le nettoyage de la surface de l'outil de coupe et pour son chauffage, à l'aide d'un pyromètre infrarouge A la température de 4500 C, atteinte au bout d'environ 7 minutes, on a établi sur l'outil de coupe une tension égale à 250 V, on a mis en marche un troisième évaporateur et on a introduit dans la chambre de l'azote jusqu'à obtention d'une pression de 266,6 m Pa ou 2 103 mm de Hg dans ladite chambre Au bout de 7 minutes, on a diminué la pression d'azote dans la chambre jusqu'à ,664 m Pa ou 8 10-5 mm de Hg, on a maintenu cette pression pendant 3 minutes, on a augmenté de nouveau la pression jusqu'à 266,6 m Pa ou 2 10 et on a répété 10 fois ces opérations de variation et de maintien de la pression dans la chambre Ensuite on a interrompu la déposition, on a - ouvert la chambre et on a retiré les outils de coupe. L'épaisseur de la couche d'oxyde mesurée sur un outil de coupe témoin à l'aide d'un interféromètre optique était de 80 nm. La tenue des outils de coupe lors du traitement d'un acier contenant environ 0,95 à 1,05 % de C, environ 0,17 à 0,37 % de Si, environ 0,2 à 0, 4 % de Mn, environ 1,3 à 1,65 % de Cr (opération de tronçonnage de la bague intérieure d'un roulement) sur une machine-outil automatique à six broches s 2540520 a constitué en moyenne 1000 pièces, alros que des outils de coupe identiques pourvus de revêtement analogue mais sans couche d'oxyde ont présenté une tenue moyenne de 800 pièces. Exemple 2 Un lot de forets de 5 mm de diamètre anacier conte- nart environ 6 %/ de W, environ 5 % (de Mo, environ 0,8 à 1 % de C ( 30 forets) a été traité avant l'application du revêtement, de la manière suivante: rinçage à l'essence et séchage par soufflage d'air comprimé chauffé, immersion des forets dans une solution composée de 100 ml de H 20, g de Na 2 C 03, 20 g de Na 3 P 04 chauffée à une température de 50 à 60 C et se trouvant dans une cuve à ultra-sansl traitement par les ultrasons pendant 3 minutes, rinçage des forlt àl'eau courante, imm Aersion dars de l'eau distillée et séchage par immersion dans l'alcool et puis par soufflage d'air compri E Le lot a été partagé en 6 groupes de 5 forets chacun. Les forets ont été chauffés à l'air dans des étuves jusqu'à différentes températures pendant différentes périodes de temps (Tableau I) Cinq forets de ce lot n'ont pas été soumis au chauffage Ensuite on a placé simultanément les forets dans la chambre àa vide d'une installation du type "BULA Tl' et on a appliqué sur leur surface un revête- ment résistant à l'usure de nitrure de titane de la même manière que dans l'Exemple 1, mais sous une pression à 6, P u -3 constante d'azote de 300 à:66615 m Pa ou 10 mm de Hg. Tableau I N T, C VI min ht nm n,pièces K 1 130 60 30 403 1,3 2 150 40 50 465 1,5 3 225 35 250 558 1,8 4 300 60 1000 465 1,5 350 60 1040 372 1,2 Les essais de tenue des forets ont été exécutés sur une foreuse verticale du type KM-4 de la société "Wessel- man"' pour le forage d'orifices dans un acier contenant environ 0,4 à 0,5 % de C, environ 0,17 à 0,37 % de Si, environ 0,5 à 0,8 % de Mn, aux régimes suivants: V = 45 m/min, S= 0,18 mm/tr, profondeur de forage t = 15 Bm C'estd'après le grincement du foret qu'on a déterminé l'émoussement des arêtes tranchantes Le Tableau I résume les données rela- tives à la température et à la durée de chauffage des forets à l'air avant l'application du revêtement, à l'épais- seur de la couche d'oxyde et les résultats des essais des forets à la tenueo Les symboles indiqués dans le Tableau I ont les sigifications suivantes HN est le numéro de groupe des forets, T est la température de chauffage des forets, t est la durée de chauffage, h est l'épaisseur de la couche d'oxyde, n est le nombnre d'orifices forés (moyenne pour 5 forets), k est le coefficient d'élévation relative de la tenue des forets, égal au rapport du nombre d'orifices percés Dar les forets pourvus d'un revêtement et soumis à un chauffage préalable à l'application dudit revêtement, au -nombre d'orifices percés par des forets analogues pour- nusd'dun revêtement mais n'ayant pas subi un chauffage préalable O Le nombre d'orifices percés par les forets pourvus du revêtement résistant à l'usure de nitrure de titane et n'ayant pas été soumis à un chauffage préala- ble à l'application dudit revêtement a été en moyenne 310 orifices O sxemple 3 Un lot de 25 forets de 5 mm de diamètre en acier contenant environ 6 % de W, environ 5 % de Mo, environ 0,8 à 1 % de C, et ayant subi un nettoyage préalable comme décrit dans l'exemple 2, a été partagé en 5 groupes de 5 forets chacun; 4 groupes de forets ont été soumis à un chauffage à l'air dans un four électrique à moufle et dans différentes conditions (Tableau II), puis les cinq groupes de forets ont été places simultanément dans une installation à vide "f BULAT" et ont reçu un revêtement de nitrure de titane résistant à lusure. Les forets ont été soumis à des essais de forage d'orifices dans un acier contenant environ 094 à 0,5 % de C, environ 0,17 à 0,37 % de Si, environ 0,5 à 0,8 % de Mn, sur une foreuse à avance mécanique et aux régimes suivants-: vitesse de coupe V= 10 m/minavance S = 4 microns/tr, profondeur de I 'orifice t = 15 mim Le nombre d'orifices (nombre moyen pour 5 forets pourzus d'un revêtement mais n'ayant pas subi de traitement thermique à l'air) était de 200- Tableau Il N T, OC ain ihs N npi ces X 1 450 15 70 320 1,6 2 500 Q 5 40 280 1, 4 550 2 20 260 1 3 4, 560 0,5 18 240 1,2 Les symboles conventionnels adoptés dans le Tableau II sont identiques à ceux du Tableau I. Exemple 4 Des lames tranchantes en alliage dur contenant 92 % de W et 8 G de Cr ont été rincées dans une solution de- lavage, ont été lavées ensuite soigneusement dans de l'eau chaude et ont été chauffé-es à l'eau jusqu' àune température de 130 à 5500 C pendant 15 à 60 minutes dans une étuve L'épaisseur de la pellicule d'oxyde qui s'est formée sur lesdites lames a été mesurée à l'aide d'un Il L 540520 interféromètre optique. Les lames pourvues de la couche d'oxyde et un groupe de lames témoins non soumises au chauffage à l'air ont été placées dans une installation du type "BULAT" o leur surface a reçu par condensation avec bombardement ionique un revêtement de nitrure de zirconium résistant à l'usure aux régimes technologiques décrits dans l'exemple 1 La seule différence résidait dans la température de chauffage de la base de l'outil de coupe par le bombardement ionique, qui était de 6500 C pour la base en alliage dur. Les lames ont été essayées par tournage d'un alliage de titane contenant environ 5,5 'à 7,0 % de Al, environ 2,0 à 3,0 % de Mo, environ 0,8 à 0,23 % de Cr, le reste étant du Ti, sur un tour à fileter avec utilisation d'un outil de coupe à fixation mécanique de la lame On a maintenu le régime de coupe suivant: V = 74 mm/min, t = 1,5 mm, S = 0,15 mn/tr Comme critère d'émoussement de la lame onaadopté une usure de 0,3 mm de son pan arrière. Les résultats des essais de tenue des lames en alliage dur pour cinq lames sont résumés dans le Tableau III ableau III Taàbleau III Epaisseur de Sans couche F -8 20 _ 500 '1000; 1100 la couche d'oxyde 20 500 10 1100 d'oxyde, h, nm Durée de fonctionnement 0, 15 0,18 0,22 0,35 -0,3 0,25 avant l'émous- sement Les données contenues dans les Exemples 1 à 4 permettent de conclure que la formation sur l'outil de coupe muni d'un revêtement résistant à l'usure, d'une pellicule d'oxyde dès lors de son chauffage à l'air avant l'application du revêtement contribue à améliorer sa tenue de 1,3 à 1,8 fois en comparaison de l'outil de coupe à revêtement appliqué sur sa base dépourvue de pellicule d'oxyde. 13 2540520 REVENDICATIONS 1. Procédé de durcissement d'outils de coupe du type, comprenant l'application d'un revêtement résistant à l'usure au plasma d'arc sous vide, caractérisé en ce que, avant l'application dudit revêtement, l'outil de coupe est chauffé à l'air jusqu'à une température de à 5600 C pendant une durée-suffisante pour la création sur sa surface d'une pellicule d'oxyde d'une épaisseur de 20 à 1000 nm. 2. Outils de coupe à revêtement résistant à l'usure, caractérisés en ce qu'ils sont traités conformément:au procédé faisant l'objet de la revendication 1.