Brevet FR2558087A1 — publié le 19850719

La présente 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 à la fabrication d'outils de coupe à partir de différents matériaux à outils. L'une des tendances actuelles du développement de l'usinage des métaux consiste à perfectionner les carac- téristiques d'utilisation de l'outil de coupe en recouvrant sa surface d'une couche résistant à l'usure. Jusqu'à maintenant, les efforts dans ce domaine ont tendu à perfectionner les propriétés de l'outil de coupe en choisissant d'une manière appropriée la composi- tion chimique des revêtements susceptibles d'être la plus efficace dans les; conditions concrètes de l'utili- sation. Toutefois, il est aussi possible d'améliorer les propriétés de l'outil en-perfectionnant la structure des revêtements. On connaît un outil de coupe (cf., par exemple, demande acceptée Grande Bretagne n 1303910, classe C23C 11/08, 24.01 1973) dont la base en alliage dur porte un revêtement résistant à l'usure qui comprend des micro- cristaux d'un composé à point de fusion élevé d'un métal et d'éléments du groupe C, N et/ou B. Dans cet outil de coupe,on utilise des métaux du groupe Ti, Zr, Hf,V,Nb, Ta en tant que métaux de revêtement résistant à l'usure. On connaît aussi un procédé de fabrication d'outils de coupe (cf., par exemple, la même demande acceptée Grande Bretagne n 1303910, classe C23C 11/08, 24.0141973) qui consiste à porter la base à une température de 10000 C à 1100 C, à introduire des agents contenant des métaux et des éléments du groupe C,N,B, et à effectuer une réaction chimique entre ceuxci pour former un revêtement comprenant des microcristaux de composé à haut point de fusion. Cependant, l'outil de coupe considéré, fabriqué selon le procédé décrit, possède une énergie superficielle élevée, ce qui assure son action active, par adhésion et diffusion, sur le matériau à usiner. On connaît un autre outil de coupe (cf., par exemple, brevet d'invention Etats-Unis d'Amérique n 4169913, classe B 23 15/18, 1979) ayant une base dont la surface active porte un revêtement résistant à l'usure, comprenant des cristaux d'un composé à point de fusion élevé de métaux et d'éléments du groupe C, N, B, O. Toutefois, cet outil de coupe possède lui aussi une éner- gie superficielle élevée, ce qui entraîne son action active sur le matériau à usiner, par adhésion et diffusion. On connaît aussi un procédé de fabrication d'outils de coupe (cf. même brevet d'invention Etats-Unis d'Amérique n 4169913, classe B 23 B 15/18, 1979), qui consiste à évaporer et ioniser un métal sous vide, à introduire ensuite dans le vide un agent gazeux comprenant des éléments du groupe C, N, B, O et à faire réagir avec celui-ci des métaux jusqu'à formation du revêtement résistant à l'usure. Selon ce procédé on évapore les métaux à l'aide d'un faisceau électronique avec utilisation d'une électrode d'un type spécial destinée à leur ionisation, la réaction des métaux avec les éléments du groupe C, N, O, B s'effectuant sur la base non chauffée. Dans ce procédé de fabrication de l'outil de coupe, le régime thermique pour l'application du revêtement cause l'absorption de l'énergie des métaux en réaction avec des éléments du groupe C, N, O, B par la base non chauffée, ce qui aboutit à la formation d'un revêtement présentant un haut niveau d'énergie superficielle libre, ce qui, à son tour, diminue la tenue de l'outil de coupe. De plus, l'opération d'évaporation et d'ionisation des métaux ne permet pas d'obtenir un haut degré d'ioni- sation de ceux-ci et entraîne elle aussi la formation d'un revêtement à haut niveau d'énergie superficielle libre et diminue, comme on vient de le mentionner, la tenue de l'outil de coupe. On connaît aussi un autre procédé de fabrication d'outils de coupe (cf. les thèses de Kasianov S.V., "Etude des propriétés de coupe et recherche de nouvelles voies de perfectionnement des outils à revêtement résis- tant à l'usure", Moscou, 1979, "Moskovsky Stanko-instru- mentalny institut", p. 50), qui consiste à évaporer et à ioniser sous vide au moins un métal, à chauffer la base de l'outil de coupe et à nettoyer sa surface active par bombardement ionique d'au moins un métal, à introduire dans le vide un réactif gazeux et à faire réagir au moins un métal avec au moins l'un de ses éléments jusqu'à la formation d'un revêtement résistant à l'usure. Toutefois, ce procédé de fabrication de l'outil ne permet pas d'obtenir une valeur minimale de l'énergie libre de la surface active. Ceci entraine une interaction intense de la surface active avec le matériau à usiner, par adhésion et diffusion et, par conséquent, une baisse de la tenue de l'outil de coupe. On s'est donc proposé de créer un outil de coupe dont le revêtement aurait une structure permettant d'accroître sa tenue, et de mettre au point un procédé de fabrication dudit outil de coupe, dans lequel le régime thermique et la pression utilisée pour l'application du revêtement résistant à l'usure permettraient d'augmenter la tenue de l'outil de coupe. Ce problème est résolu du fait que l'outil de coupe du type comportant une base dont la surface active porte un revêtement résistant à l'usure comprenant des micro- cristaux d'un composé à point de fusion élevé d'au moins un métal avec au moins un élément du groupe C, N. 0, B,est caractérisé, suivant l'invention, en ce le plus grand nombre des microcristaux du composé à point de fusion élevé constitue par au moins un métal avec au moins un élément du groupe C, N, 0, Bycomprenant en outre Si, est orientée parallèlement à la surface active de la base par un même plan cristallographique. Il est rationnel que ledit plan cristallographique d'orientation des microcristaux possède une énergie superficielle minimale. - Le problème exposé plus haut est aussi résolu du fait que le procédé de fabrication de l'outil de coupe reven- diqué, du type consistant à- évaporer et à ioniser sous vide au moins un métal, à chauffer la base de l'outil de coupe et à nettoyer sa surface active par bombardement aux ions d'au moins un métal, à introduire dans ledit vide un réactif gazeux et faire réagir au moins un métal avec au moins un élément jusqu'à formation d'un revêtement résistant à l'usure constitué d'un composé à point de fusion élevé comprenant des microcristaux, est caractérisé, suivant l'invention, en ce que la température à laquelle est portée la base de l'outil de coupe est de moins de C inférieure à la température de son adoucissement, que cette température de chauffage de la base est mainte- nue,pendant la formation du revêtement, dans une plage allant de cette température de chauffage de la base jus- qu'à la température de +50 C, en réglant simultanément 2558087, la pression du réactif gazeux dans la plage de 13,33 Pa à 1,33.10 2 Pa. Grâce à la présente invention, l'interaction des mo- lécules de l'outil de coupe et du matériau à usiner est réduite à un minimum, ce qui aboutit à une diminution de l'intensité des processus d'adhésion, chimique et de diffusion entre l'outil de coupe et le matériau à usiner, ce qui contribue, à son tour, à une augmentation de la tenue de l'outil de coupe. 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 donnés uniquement à titre d'exemple non limitatif, avec référence aux dessins non limitatifs annexés dans lesquels: - la figure 1 représente une vue d'ensemble d'un outil de coupe fabriqué selon le procédé conforme à l'invention (avec arrachement partiel); - la figure 2 représente une vue d'ensemble de l'outil en coupe de la figure 1, avec les plans cristallographiques des microcristaux ayant l'énergie superficielle minimale (vue avec arrachement partiel). L'outil de coupe comprend une base 1 (figure 1) dont la surface active 2 porte un revêtement 3 formé par le composé TiN. Sur la figure 1 apparaissent schématiquement - orientés parallèlement à la base 1 par leurs plans cris- tallographiques 4 identiques. La figure 2 montre schématiquement (à une échelle très agrandie) les microcristaux du composé TiN orientés parallèlement à la base 1 par leurs plans cristallogra- phiques 5 à énergie superficielle minimale. Le procédé de fabrication de l'outil de coupe reven- diqué consiste à évaporer et ioniser sous vide au moins un métal. Ensuite on chauffe la base de l'outil de coupe et on nettoie sa surface active par bombardement aux ions du métal. La température à laquelle est portée la base de l'outil de coupe est de moins de 100 C inférieure a la température de son adoucissement et la température de chauffage de la base pendant la formation du revête- ment est maintenue dans la plage allant de cette tempéra- ture à la température + 50 C. Ceci fait, on introduit un réactif gazeux contenant au moins un élément du groupe C, N, 0, B, Si, dont on règle la pression dans les limites de 13,33 Pa à 1,33.10-2 Pa, et on fait réagir au moins un métal avec au moins un élément du groupe C, N, O, B, Si, cette réaction entraînant la formation du:-revête- ment résistant à l'usure comprenant des microcristaux d'un composé à point de fusion élevé d'au moins un métal avec au moins un élément du groupe C, N, 0, B, Si, ces monocristaux étant orientés, par un même plan cristallo- graphique, parallèlement à la surface active de la base. L'outil de coupe travaille de la façon suivante. Pendant l'usinage du métal, le revêtement résistant à l'usure 3 (figuresl, 2) agit sur le métal à usiner dans les conditions de températures et pressions élevées qui se créent dans la zone de coupe. Le fait qu'un nombre maximal de microcristaux soit orienté, par un même plan crista- llographique 4, parallèlement à la surface active 2 de la base 1, permet de réduire l'énergie libre de la surface acive 2 de la base 1 et de diminuer par cela mêmel'inten- sité de l'interaction des molécules de la surface active 2 et du matériau à usiner. Quand l'énergie superficielle du plan cristallogra- phique 5 (figure 2) d'orientation des microcristaux est minimale, l'interaction des molécules diminue jusqu'à une valeur minimale,ce qui accroit encore la tenue de l'outil de coupe. Des exemples concrets mais non limitatifs de réalisation de l'invention sont décrits ci-après. Exemple n 1 On a fabriqué des forets de 5 mm de diamètre et des échantillons pour examen aux rayons X de la structure d'un revêtement en acier de composition suivante: C Cr W V Mo Fe 0,85 3,6 6,0 2,0 5,0 le reste La température de revenu de l'acier est de 560 C. On a placé dans aes boîtiers spéciaux les forets nettoyés et l'échantillon d'essai à soumettre à l'examen aux rayons X de la structure des revêtements et on les a introduits simultanément dans une chambre à vide renfer- mant une cathode en titane. On a créé dans la chambre une dépression de 6, 65.10-3 Pa et on a amorcé un arc électrique en réalisant de la sorte l'évaporation et l'ionisation du titane. On a appliqué aux forets et à l'échantillon à sou- mettre à l'examen aux rayons X une tension négative accé- lérant les ions de titane chargés positivement et, en bombardant avec les ions de titane la surface active des forets et de l'échantillon, on a nettoyé leurs surfaces et chauffé la base. Ensuite on a diminué la tension appli- quée aux forets et à l'échantillon. En même temps, on a introduit dans la chambre de l'azote, qui est entré en 2558087. réaction avec le titane en formant un revêtement en composé à point de fusion élevé TiN, comprenant des micro- cristaux. L'application du revêtement TiN sur la surface active des forets et de l'échantillon a été réalisée à différents régimes de chauffage des forets et des échan- tillons d'essai ainsi qu'à différentes valeurs de la pression d'azote. Chaque régime a été essayé sur un autre lot de forets en présence d'un autre échantillon. Le degré d'orientation des microcristaux du composé à point de fusion élevé TiN a été évalué en appliquant la méthode d'examen aux rayons X de la structure du revêtement d'après la hauteur de la pointe de diffraction des rayons X sur le plan cristallo- graphiques 4 (5) du microcristal à énergie superficielle minimale. La plus grande hauteur de la pointe de diffrac- tion des rayons X sur le plan 4 (5) enregistrée pour la série considérée des essais a été prise pour 100 %, et c'est par rapport à cette hauteur qu'on a évalué la hauteur des pointes de diffraction sur ce plan des microcristaux TiN au cours des autres essais. Cinq forets prélevés sur chaque lot de-foretsfabriqués avec le revêtement de composé à point de fusion élevé TiN ont été essayés pour percer des trous profonds de 15 mm dans un acier de composition suivante: C Fe 0,42 0,49 le reste sur une perceuse verticale aux régimes suivants: - vitesse: 45 m/min - avance: 0,13 mm. Les résultats des essais des lots de forets et d'échan- tillons à soumettre à l'examen aux rayons X de la structure, fabriqués à 9 régimes différents, sont résumés dans le Tableau 1 donné plus loin. Comme il ressort des résultats des essais, la plus grande tenue des forets est obtenue lorsque la température de chauffage de la base du foret avant l'introduction de l'azote est de 500 à 550 C, la pression d'azote est de 1,19 Pa et la température de chauf- fage des forets pendant la réaction entre le titane et l'azote se situe dans les limites de + 50 à 500 C. Il est à signaler que les forets pourvus d'un revêtement en composé à point de fusion élevé TiN comprenant des micro- cristaux dont le plus grand nombre sont orientés, par leur plan 4 (5), parallèlement à la surface active de la basese distinguent par leur plus grande tenue. Exemple n 2 On a fabriqué des forets de 5 mm de diamètre et des échantillons en alliage dur contenant 92 % de WC, le reste étant Co, à température d'adoucissement de 700 à 720 C, afin de soumettre leur structure à l'examen aux rayons X. On introduit simultanément les forets nettoyés et l'échantillon à soumettre à l'examen aux rayons X dans une chambre à vide renfermant une cathode en alliage 50 % Ti et 50 % Hf. L'application du revêtement a été réalisée d'une façon analogue à celle utilisée dans le cas de l'exemple 1, à cette différence près que la chambre à vide renfermait une cathode en alliage 50 % Ti et 50 % Hf. Le revêtement en composé à point de fusion élevé (Ti, Hf) N a été appliqué sur la surface des forets et des échantil- lons à différents régimes de chauffage des forets et des échantillons, ainsi qu'à différentes pressions de l'azote. Le degré d'orientation des microcristaux du composé à point de fusion élevé a été évalué de la même manière que dans l'exemple n 1. Cinq forets prélevés sur chaque lot de foret fabriqués avec le revêtement en composé à point de fusion élevé (Ti, Hf) N ont été essayes pour percer des trous dans le graphite sur une perceuse verticale fonctionnant aux régimes de coupe suivants: - vitesse: 68 m/min - avance: 0,18 mm/tr - profondeur du trou: 16 mm. Les résultats des essais des forets et des échantil- lons farbiqués suivant différents régimes sont réunis dans le Tableau ciaprès. Comme le montrent les résultats des essaisla plus grande tenus des forets est obtenue lorsque la température de chauffage de la base en alliage dur avant l'introduction de l'azote est de 600 à 7000 C, la pression d'azote est de 6,65.10-1 Pa et la température de chauffage de la base en alliage dur pendant l'application du revêtement est de 100 à 600 C. Il est à signaler que les forets ayant un revêtement en composé à point de fusion élevé (Ti, Hf) N, comprenant aes microcristaux dont la majorité sont orientés paral- lèlement à la surface active de la base par leur plan 4 (5) possédant l'énergie superficielle minimale, se dis- tinguent par leur plus grande tenue. La présente invention peut être utilisée pour usiner les métaux par différents modes de coupe. De plus, la présente invention permet d'élever la qualité des revêtements décoratifs et anticorrosifs. La présente invention permet aussi d'améliorer les ca- ractéristiques d'utilisation des pièces dans les ensembles de frottement. TABLEAU N d'ex- Outil Température de chauffage de la emple base lors du bom- lors de la for- bardement io- mation du revê- nique du mé- tement, tal, C C 1 2 3 4 I1 Forets d'acier 500 400 à revêtement en 500 400 composé à point 500 400 de fusion élevé 500 400 TiN 500 400 550 40 550 50 550 400 550 500 2 Forets en allia- 650 600 ge dur, à revête- 650 600 ment en composé à 650 600 point de fusion 650 600 élevé (Ti, Hf) N 650 600 650 40 650 80 650 100 650 500 750 500 400 400 TABLEAU (suite) N d'exem- Pression Inten- Résul- Coefficient ple d'azote, sité de tats des d'augmen- Pa diffrac- essais tation de tion des (nombre la tenue rayons X de trous sur les plans d'o- rientation des micro- cristaux 1 5 6 7 8 1,33.102 40 450 1,0 1!,33.10-_21 2,66.10_2 6,65.10 '60 650 1,44 3,99.102 90 750 1,7 1,19 100 810 1,8 2,66_. - 350 - 3,99.101 30 450 1,0 3,99.10 80 700 1,6 3,99.101 90 750 1,7 3,99.10 100 800 1,8 2 1,33.10 2 40 410 1,8 6,65.102 60 500 2,08 1,19 90 800 3,3 1,33 100 1070 4,4 2,66 1 - 240 - 6,65.10-1 30 260 1,1 6,65.10 60 500 2,1 6,65.10-1 80 750 3,1 6,65.10_1 100 1070 4,4 6,65.10_1 100 800 3,3 6,65.10 85 580 2,4 R E V E N D I C A T I 0 N S REVENDICATIONS 1. - Outil de coupe comportant une base (1) dont la surface active (2) porte un revêtement résistant à l'usure (3) comprenant des microcristaux d'un composé à point de fusion élevé constitué par au moins un métal et au moins un élément du groupe C, N, 0, B, caractérisé en ce que le plus grand nombre des microcristaux dudit composé à point de fusion élevé, constitué par au moins un métal et au moins un élément du groupe C, N, O, B, et comprenant en outre Si, est orienté parallèlement à la surface active (2) de la base (1) par un même plan cristallo- graphique (4), (5). 2. - Outil selon la revendication 1, caractérisé en ce que que le plan cristallographique (4), (5) d'orien- tation des microcristaux possède une énergie superficielle minimale. 3. - Procédé de fabrication de l'outil de coupe selon la revendication 1, consistant à évaporer et à ioniser sous vide au moins un métal, à chauffer la base (1) de l'outil de coupe et à nettoyer sa surface active (2) par bombardement aux ions d'au moins un métal, à introduire ensuite dans le vide un réactif gazeux et à faire réagir au moins un métal avec au moins l'un de ses éléments jusqu'à formation d'un revêtement résistant à l'usure (3) constitué de leur composé à point de fusion élevé.conte- nant des microcristaux, caractérisé en ce que la base (1) de l'outil de coupe est portée à une température de moins de 100 C, à la température de son adoucissement, cette température de chauffage de la base (1) étant main- tenue, pendant la formation du revêtement (3), dans une plage allant de cette température de chauffage à la température de + 50 C, en réglant en même temps la pres- sion du réactif gazeux dans la plage de 13,3 Pa a 1,33.102 Pa. 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