Brevet FR2557822A1 — publié le 19850712

L'invention concerne l'usinage des métaux et a notamment pour objet un outil de coupe et un procédé de fabrication dudit outil. L'invention s'applique notamment au tournage, perçage, fraisage et à d'autres opérations d'usinage de différents matériaux. Par suite du développement actuel des constructions mécaniques et de l'usinage des métaux, les exigences auxquelles doivent répondre la résistance à l'usure et la duree de vie des outils de coupe deviennent de plus en plus sévères. Cependant, la solution de ces problèmes à l'aide des méthodes traditionnelles de la métallurgie, telles que, par exemple, la réalisation de matériaux à outils alliés, s'avère peu efficace. A l'heure actuelle, l'une des méthodes permettant d'élever la résistance à l'usure d'un outil de coupe consiste à élever la qualité des revêtements résistant à l'usure rapportés sur les outils de coupe. L'autre méthode visant à élever la résistance à l'usure de l'outil de coupe consiste à perfectionner la qualité de l'outil lui-même et son procédé de fabrication. On connait un outil de coupe (cf., par exemple, brevet Suède nO 330470, classe C23 C 5/00, 1970) comprenant une base, la surface active de laquelle porte une couche de fond et un revêtement dont le matériau comporte les composants contenus aussi dans le matériau de la couche de fond et qui se situe sur cette dernière couche. On connaît aussi un procédé de fabrication de cet outil de coupe (cf. même brevet Suède nO 330470, classe C23 C 5/00, 1970), qui consiste à chauffer la surface active de la base de l'outil de coupe, à introduire dans le vide un gaz réactif et à assurer l'interaction de ses composants entre eux jusqu'à la formation successive, à la surface active de la base, d'une couche de fond et d'un revêtement résistant à l'usure. Toutefois, dans l'outil de coupe considéré obtenu par ce procédé connu, la couche de fond assure principalement une liaison de type mécanique ou moléculaire avec la base et le revêtement, ce qui aboutit à l'exfoliation de ce dernier et, par conséquent, à la diminution de la tenue de l'outil. De plus, dans l'outil de coupe considéré, le matériau de la base est porté à une température provoquant son adoucissement partiel, ce qui diminue la tenue de l'outil. On connaît un autre outil de coupe (cf., par exemple, revue "Fizika i khimia obrabotki materialov" nO 2, p. 169, Moscou, Editions"Nauka"), comprenant une base dont la surface active porte une couche de fond et un revêtement résistant à l'usure, dont le matériau comprend des composants qui entrent dans la composition du matériau de la couche de fond et qui se situe sur la surface de cette dernière couche. On connaît aussi un procédé de fabrication de cet outil de coupe (cf. même revue "Fizika i khimia obrabotki materialov" nO 2, p. 169, Moscou, Editions "Nauka1,), qui consiste à évaporer dans le vide, par décharge par arc, au moins une cathode en matériau à point de fusion élevé, à appliquer une tension à l'outil de coupe, à nettoyer et chauffer la surface active de la base de l'outil de coupe en réalisant un bombardement cathodique dans le vide par les ions du matériau à évaporer, à baisser la tension et à introduire un gaz réactif sous pression dans le vide, et à former un revêtement résistant à l'usure sur la surface active. Suivant ce procédé, le bombardement cathodique sous vide de la surface active de la base de l'outil de coupe par les ions du matériau à évaporer assure la formation de la couche de fond. Cependant, dans l'outil de coupe considéré, les couches adhérant à la surface active de la base restent pratiquement froides à cause des vitesses élevées de condensation du matériau évaporé de la cathode, le vide étant de 6,67. 10 3 à 6r67.10-5Pa, ce qui rend difficile le développement des processus de diffusion à la fontière base - couche de fond et aboutit à l'affaiblissement de la liaison à ladite fontière et à l'altération des propriétés physiques et mècaniquas, ce qui aboutit à son tour à la destruction de l'outil de cour et a la diminution de sa tenue au cours de son utilisation. D'autre part, dans l'outil de coupe considéré, la couche de fond réalisée au cours du nettoyage et du chauffage de la surface active de la base de l'outil de coupe ne permet pas de profiter de l'activité de diffusion élevée du gaz réactif introduit, ce qui nuit à la liaison à la fontière base - couche de fond et, par conséquent, à la tenue de l'outil de coupe. On s'est donc proposé de créer un outil de coupe dont la base serait réaliséede manièreårenforcer la liaison de la base avec la couche de fond, et de mettre au point un procédé de fabrication c'un outil de coupe dans lequel le gaz réactif serait introduit à un moment et à une température qui permettraient de renforcer la liaison entre la base et la couche de fond. Le problème ainsi posé est résolu du fait que l'outil de coupe comprenant une base dont la surface active porte une couche de fond et un revêtement résistant à l'usure çi est réalisé en un matériau comportant les composants contenus dans le matériau de la couche de fond, et se situe à la surface ae la couche e fond, est caractérisé, d'après l'invention, en ce qu'il comporte une couche de transition thermostable incorporée dans le matériau de base du côté de sa surface active et constituée par les composants de la base et e la couche de fond, la concentration des composants de la couche de fond diminuant progressivement de la surface active vers le coeur de la base. Il est rationnel que l'épaisseur de la couche de passage thermostable de l'outil de coupe soit de 0,1 à 10 micromètres. Le problème exposé plus haut est aussi résolu du fait que le procédé de fabrication d'outils de coupe, consistant à évaporer dans le vide, par décharge par arc, au moins une cathode en matériau à point de fusion élevé, à appliquer une tension à l'outil de coupe, à nettoyer et chauffer la surface active de la base de l'outil de coupe en réalisant un bombardement cathodique dans le vide par les ions du matériau à évaporer, à baisser la tension et à introduire dans le vide un gaz réactif sous pression pour la formation d'un revêtement résistant à l'usure, est caractérisé, selon l'invention, en ce que l'introduction du gaz réactif est réalisée au cours du nettoyage et du chauffage de la surface active de la base de l'outil de coupe jusq'à ce que ladite surface soit portée à la température de dissolution de son composant principal dans le matériau de base, après quoi le chauffage de la surface active de la base se poursuit simultanément avec la formation de la couche de fond et de la couche de transition thermostable, jusqu'à la température d'équilibre des phases entre ses composants. Il est avantageux que le gaz réactif soit introduit sous pression jusqu'à l'obtention d'un vide ayant une valeur comprise entre 667*10 2 et 800.10 5 Pa. La présente invention permet de transmettre, pendant l'opération de coupe, de hautes contraintes thermiques, elastiques et autres au matériau plus plastique de la base, dans lequel s'effectue leur relaxation, ce qui augmente la enue de l'outil. De plus, la présente invention permet de réaliser une liaison chimique entre le matériau de la base et de la couche de fond de l'outil de coupe, ce qui contribue aussi à élever la tenue de l'outil. D'autre part, la presente invention permet d'atténuer les processus de diffusion à la fontière base - couche de transition thermDstable et à la frontière couche de transition thermostable - couche de fond lors du travail de l'outil de coupe, ce qui empêche le développement de son adoucissement pendant l'utilisation et contribue à l'élévation de sa tenue. Enfin, la présente invention permet a d'éviter l'alte- ration des propriétés physiques et mécaniques des matériaux à la fontière base - couche de fond, ce qui contribue aussi à l'élévation de la tenue de l'outil. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparaîtront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre de différents modes de réalisation donnes uniquement à titre d'exemple non limitatif, avec références aux dessins non limitatifs annexés dans lesquels - la figure 1 représente une vue d'ensemble de l'outil de coupe conforme à l'invention, fabriqué d'après le procedé revendiqué (coupe transversale) - la figure 2 représente la courbe de distribution des composants de la couche de fond dans la couche de transition thermostable de l'outil de coupe représenté sur la figure 1, conformément à l'invention. L'outil de coupe fabriqué conformément au procédé revendiqué comprend une base 1 (figure 1) dans laquelle est incorporée, du côté de sa surface active 2, une couche de transition thermostable 3 épaisse de 0,1 à 10 micromètres. La couche 3 est constituée par les composants des matériaux de la base 1 et de la couche de fond 4. Cette dernière porte un revêtement résistant à l'usure 5. La figure 2 représente la courbe de distribution du composant (Ti) de la couche de fond 4 (figure 1) en carbonitrure de titane allié (Ti, W, Mo, V) CN dans la couche de transition thermostable 3. Le métal de la base 1 est l'acier. Sur l'axe des abscisses sont portées les valeurs de la distance L (micromètres) à partir de la surface active 2 de la base 1, et sur l'axe des ordonnées, les valeurs de la concentration (N) de titane (en pourcentage). Le procédé de fabrication de l'outil de coupe faisant l'objet de l'invention consiste à évaporer dans le vide, par décharge par arc, le matériau à point de fusion élevé d'au moins une cathode et à appliquer une tension à l'outil de coupe. On nettoie et on chauffe la surface active de la base de l'outil de coupe en réalisant un bombardement cathodique dans le vide par les ions du matériau à évaporer. Pendant le nettoyage et le chauffage de la surface active de la base on introduit un gaz réactif lorsque ladite surface est portée à la température de dissolutiOn de son composant principal dans le matériau de la base. Ensuite on continue à chauffer la surface active, en formant simultanément la couche de fond et la couche de transition thermostable, jusqu'à l'établissement de l'équilibre des phases entre leurs composants. Après cela on diminue la tension et on forme un revêtement résistant à l'usure sur la couche de fond. Pour favoriser au maximum l'amorçage du processus de formation de la couche de transition thermostable de l'ou til de coupe revendiqué, on introduit le gaz réactif sous pression jusqu'à l'obtention d'un vide de 667.10 2 à 800.10 5 Pa. L'outil de coupe fonctionne de la façon suivante. Au cours de l'usinage des métaux, il apparaît de hautes contraintes thermiques, élastiques, etc., d'une part, dans les matériaux du revêtement résistant à l'usure 5 (fiqure 1) ayant une dureté considérable, et d'autre part,dans le matériau de la couche de fond 4. Par l'intermédiaire de la couche de transition thermos table 3 présentant une répartition régu lière du composant (carboniture de titane allié, figure 2) suivant son épaisseur, ces contraintes sont transmises au matériau plus plastique de la base 1, dans lequel a lieu leur relaxation. Cela contribue au renforcement de la fontière base - couche de fond et à l'augmentation de la tenue de l'outil. L'invention sera mieux comprise à la lecturedes exemples de réalisation concrets mais non limitatifs suivants Exemple 1 Comme outils de coupe on a fabriqué des forets héli coldaux en acier, de composition suivante C Cr W Mo V Fe 0,80 à 3,8 à 5,5 à 5,0 à 1,7 à le reste 0,88 4,4 6,5 5,5 2,1 La cathode est réalisée en titane (Ti). On a mis les forets décrassés dans aes boîtes spéciales et on a placé le tout dans la chambre de l'installation servant à réaliser le revêtement. Ayant créé un vide de 6,67.10 3 Pa dans la chambre, on a amorcé la décharge en arc assurant l'évaporation et l'ionisation du titane. On a appliqué une tension de 1500 V au forets et on a nettoyé leur surface active en effectuant un bombardement cathodique par les ions de titane et en portant sa température à 2000 C. Cette température correspond au début de la dissolution dans l'acier du composant principal du gaz réactif (N2) (de l'azote technique dans l'exemple considéré} La température indiquée étant atteinte (on la contrôle à l'aide d'un pyromètre à rayons infra-rouges), on introduit dans la chambre de l'azote sous pression jusqu'à obtention d'un vide poussé de 400;10-3 Pa et on a poursuivi le nettoyage et le chauffage de la surface active des forets en la bombardant avec des ions de titane et d'azote jusqu'à la température de 5200 C. Cette température assure un équilibre des phases entre les composants de la couche de transition thermostable et de la couche de fond. Au cours des opérations mentionnées on a formé - dans le matériau de la base, une couche de transition thermostable ayant 3 micromètres d'épaisseur et la composition suivante - :6acier, Ti, TiC, TiN, Ti(CN), Fe4N, VN, TiFe2, TiFe, (TiWVMo) C); - une couche de fond de composition suivante (TiMoWV)CN. Ensuite, on a diminué la tension appliquée aux forets jusqu'à 250 V et on a réalisé pendant une heure la concentration du revêtement en nitrure de titane (TiN), ce qui a permis d'obtenir une épaisseur de 5 à 6 micromètres. Ceci fait, on a supprimé la tension appliquée aux forets, on a arrêté la décharge par arc et on a refroidi les forets jusqu'à ce que leur température devienne égale à celle du local. Les essais de tenue des forets ont été faits en usinant un acier de composition suivante C Fe 0,42 à 0,49 le reste aux régimes de coupe ci-dessous - vitesse de coupe V = 45 m/min - avance S = 0,12 mm/tr - profondeur de perçage 1 = 15 inra. Exemple 2. On a fabriqué des forets hélicoïdaux en procédant de la meme façon que dans l'exemple 1 à cette différence près qu'on a introduit l'azote sous pression dans la chambre jusqu'à obtention d'un vide poussé de 667.10 2 Pa. Les essais de tenue ont éte faits de la même manière que dans l'exemple 1. Exemple 3 On a fabriqué des forets hélicoïdaux en procédant de la même façon que dans l'exemple 1, à cette différence près que l'azote sous pression a été introduit dans la chambre jusqu'à obtention d'un vide poussé de 800.10 5 Pa. Les essais de tenue ont été faits de la même manière que dans l'exemple 1. Exemple 4 On a fabriqué des forets hélicoïdaux en procédant de meme que dans le cas de l'exemple i, à cette différence près qu'on a nettoyé et chauffé la surface active des forets en en les bombardant avec des ions de titane et d'azote jusqu'à obtention d'une température de 4500 C, et on a formé une couche de transition thermostable de 0,1 micromètre d'épaisseur. Les essais de tenue ont été faits de la même manière que dans l'exemple 1. Exemple 5 On a fabriqué des forets hélicoïdaux en procédant de la même manière que dans l'exemple 1, à cette différence près qu'on a nettoyé et chauffé la surface active des forets jusqu'à une température de 5500 C en la bombardant avec aes ions de titane et d'azote et on a formé une couche de transition thermostable de 10 micromètres d'épaisseur. Les essais de tenue ont été faits de la même maniere que dans l'exemple 1. Exemple 6 On a fabriqué des lames de coupe dont la base était réalisée a partir d'un alliage dur ayant la composition suivante TiC Co WC 15 6 le reste On a réalisé le revêtement en procédant de la même manière que dans l'exemple 1, à cette différence près qu'on a nettoyé et chauffé la surface active des lames jusqu'à 3500 C par voie de bombardement cathodique avec des ions de titane. Ensuite on a introduit dans la chambre de l'azote sous pression, en y créant un vide poussée de 267.10 3 Pa, et on a poursuivi le nettoyage et le chauffage de la surface active jusqu'à la température de 620 C de la même manière que dans l'exemple 7, en la bombardant à la fois avec des ions de titane et d'azote. On a ainsi formé - dans le matériau de la base des lames, une couche de transition thermostable, épaisse de 2 micromètreS ayant la composition suivante :alliage dur, Ti(Co), TiN, (TiW)Cl; - à la surface active des lames, une couche de fond de composition suivante : (TiW) CN. Les essais de tenue ont été faits en usinant un acier de meme composition que dans l'exemple 1, aux régimes de coupe suivants - vitesse de coupe V = 160 m/min - avance S = 0,3 mm/tr - profondeur de coupe 1 = 1 mm. Exemple 7 On a fabriqué des lames de coupe en procédant de la meme manière que dans l'exemple 6, à cette différence près que l'azote sous pression a été introduit dans la chambre jusqu'à obtention d'un vide poussée de 667 e10 2 Pa. Les essais de tenue ont été faits de la meme manière que dans l'exemple 6. Exemple 8 On a fabriqué des lames de coupe en procédant de la meeme manière que dans l'exemple 6, à cette différence près que l'azote sous pression a été introduit dans la chambre jusqu'à obtention d'un vide poussé de 800.10 5 Pa. Les essais de tenue ont été faits de la même manière que dans l'exemple 6. Exemple 9 On a fabriqué des lames de coupe en procédant de la même maniere que dans l'exemple 6, à cette différence près qu'on a nettoyé et chauffé la surface active des lames jusqu'à une température de 5800 C en la bombardant à la fois avec des ions de titane et d'azote, et on a formé une couche de transition thermostable ayant une épaisseur de 0,1 micromètre. Les essais de tenue ont été faits de la même manière que dans l'exemple 6. Exemple 10 On fabriqué des lames de coupe en procedant de la même manière que dans l'exemple 6, à cette différence près qu'on a nettoyé et chauffé la surface active des lames jusqu'd une température de 700 C en la bombardant avec des ions de titane et d'azote, et on a formé une couche de transition thermostable ayant une épaisseur de 10 micromètres. Les essais de tenue ont été faits de la même manière que dans l'exemple 6. Les résultats des essais auxquels ont été soumis les outils de coupe dont la fabrication est décrite dans les exemples 1,2,3,4,5, et 6,7,8,9,10, sont réunis dans le Tableau ci-après : TABLEAU Matériau de Valeur du Epaisseur de Valeur moyenne la base vide(Pa) la couche de de la tenue de transition ther- l'outil (nombre mostable de pièces usi (micromètres) nées avec une lame ou un foret) 12 3 4 Acier 400.10-3 3 320 667.102 3 680 800 .10-5 3 390 400 .10-3 0,1 240 400.10-3 10 650 Alliage 267.10-3 2 36 dur 10-2 2 52 800 .10-5 2 30 267.10-3 10 51 267.10-3 10 51 Comme le montrent les résultats des essais réalisés dans les exemples 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10, quelle que soit la combinaison choisie de la valeur du vide dans la chambre et de l'épaisseur de la couche de transition thermostable dans les limites préconisées par l'invention, on obtient une augmentation considérable de la tenue de l'outil de coupe. REVENDICATIONS 1.- Outil de coupe du type comprenant ure base (1) dont la surface active (2) porte une couche de fond (4) et un revêtement résistant à l'usure (5) réalisé en un matériau comprenant des composants contenus aussi dans le matériau de la couche de fond (4), ledit revêtement étant disposé à la surface de ladite couche de fond (4), c a r a c t é r i s é en ce que la base (1) comporte une couche de transition thermostable (3) incorporée dans le matériau de la base (i) du côté de sa surface active (2) et dont les composants sont les mêmes que ceux de la base (1), mais dans laquelle la concentration des composants du matériau de la couche de fond (4) va en diminuant de la surface active (2) vers le coeur de la base (1). 2.- Outil conforme à la revendication 1, c a r a ct é r i s é en ce que l'épaisseur de la coucne de transition thermostable (3) est 0,1 à 10 micromètres. 3.- Procédé fabrication de l'outil de coupe conforme à l'une des revendications 1 et 2, du type consistant à évaporer dans le vide, au moyen d'une décharge par arc, au moins une cathode en matériau à point de fusion élevé, à appliquer une tension à l'outil de coupe, à nettoyer et chauffer la surface active (2) de la base (1) de l'outil de coupe en réalisant un bombardement cathodique sous vide avec les ions du matériau évaporé, à diminuer la tension et à introduire un gaz réactif sous pression dans le vide pour la formation d'un revêtement résistant à l'usure (5), c a r a c t é r i s é en ce que l'introduction du gaz réactif pendant le nettoyage et le chauffage de la surface active (2) de la base (1) de l'outil de coupe est réalisée lorsque ladite surface (2) est portée à la température de dissolution de son principal composant dans le matériau de la base (1),ledit chauffage se poursuivant ensuite simultanément avec la formation de la couche de fond (4) et de la couche de tran sition thermostable (3) et avec l'établissement de l'équi- libre des phases entre leurs composants. 4. Procédé de fabrication selon la revendication 3, c a r a c t é r i s é en ce que l'introduction du gaz réactif sous pression est réalisée jusqu'à obtention d'un vide de 667.10-2 à 800.10-5 Pa.