Brevet FR2560182A1 — publié le 19850830

La présente invention est relative à un alliage céramique présentant des qualités supérieures, en particulier pour son utilisation dans des outils de coupe. L'invention concerne en particulier un iypc de sllatière pour outil de coupe qui est à base de sialon (silicium, aluminium, oxygène, azote) dans laquelle la résistance à l'usure est amé lior par l'addition de principes durs réfractaires et la ténacité est augmentée en faisant comporter à cette matière deux phases cristallines différentes. Des plaquettes de coupe en matière céramique à base d'alumine se caractérisent par une stabilité chimique su- périeue, ce qui permet leur utilisation dans des opérations de coupe à des vitesses de coupe élevées sans qu'elles soient usées par oxydation ou par dissolution chimique5Tou- tefois, une limitation grave dans l'utilisation de matières à base d'alumine réside dans la grande sensibilité de ces matières aux chocs mécaniques et thermiques, ce qui réduit sévèrement leurs possibilités d'utilisation dans des opérations de coupe intermittentes, par exemple en fraisage. Les matières à base de nitrure de silicium ont été essayées dans les outils de coupe pendant les dernières années, et elles ont montré une très bonne ténacité en raison de leur faible coefficient de dilatation thermique. Leurs possibilités d'application, toutefois, sont limitées par une usure relativement importante due à leur grande réactivité avec le fer. La résistance à l'usure peut être considérablement améliore en combinant le nitrure de silicium avec d'autres principes durs qui présentent une dureté et une stabilité chimique plus élevées. De telles matières ont déjà été décrites par exemple dans la publication "Por Met" t1978) : 2, pages 48 à 52, dans laquelle on mentionne une matière de coupe à base de nitrure de silicium avec addition de carbure de titane.Dans la même publication, (1981): 7, pages 73 à 77, on a étudié des additions de nitrures au nitrure de silicium. Des matières de coupe similaires sont décrites dans la demandc de brevet japonais nO 56-32377 du ler Avril 1981, dans laquelle l'addition consiste-en 5 à 40 t en poids de TiC, Ti (C,N)ou TiN, et dans les demandes de brevet européen 35777 ct 95129 dans lesquelles les additions sont des carbures et/ou des nitrures de metaux qui appartiennent aux groupes IVB, VB et VlB de la classification périodique des éléments. I1 est caractéristique pour ces matières que, en plus du carbure ou du nitrure réfractaire, elles consistent en une seule phase cristalline de nitrure de silicium ou de sialon beta et éventuellement une autre phase contenant une grande quantité d'adjuvants de frittage, tels par exemple que l.'oxy- de d'yttrium, et qui peut être amorphe. Conformément à l'invention on a trouvé, de manière tout à fait surprenante, que les propriétés de coupe peuvent dans certains cas être considérablement améliorées pour une matière essentiellement à base de nitrure de silicium, d'une phase de carbure/nitrure refractaire et une phase contenant des adjuvants de frittage si le composant à base de nitrure de silicium - qui es effectivement le sialon - est présent sous deux formes cristallines : alpha et beta. La phase alpha est une phase hexagonale de formule générale : Mx (Si,Al)12(O,N)16 , dans laquelle M=Li, Ca, Y ou d'autres lanthanides et x 2. La phase beta est une phase hexagonale de formule générale Si6-zAlzOzN8-z dans laquelle O La présence de la phase alpha augmente la dureté mesurée à la température ambiante, mais elle a également une influence favorable sur la résistance à la déformation plastique (voir plus loin) car, probablement, la dureté à chaud est également accrue dans un sens favorable. La déformation plastique de l'arête de coupe peut être observée dans des conditions pour lesquelles l'arête est soumise à une haute température, c'est-à-dire à une vitesse de coupe et/ou d'avance élevée. La déformation plastique conduit à la fomlaLion de fissul^es sur l'aryle de coupe de la plaquette de coupe, ce qui provoque une déficience de l'outil quand ces fissures évoluent. Ce type de formation de fissures a été décrit par exemple dans le document Met.Tech 10 (1983) : Dcc p 482 - 9 (Bhattacharyya et au tres," Wear mechanisms of sialon ceramics tools when machining nickel base materials"). I)e manière loul a rait surprenante, on a trouvé que la présence de sialon alpha améliore considérablement la capaìLé de la maLierc a resister à la déformation plastique, ce qui permet des vitesses de coupe et des avances plus élevées sans risques de fractures catastrophiques. L'amélioration des propriétes se manifeste principalement par une augmentation considérable de la résistance de l'arête de coupe à la formation d'éclats dans certaines matières de pièces de travail. Cet avantage a été observé en particulier dans certaines matières à haute temperature à base de nickel en raison des tempe ratures de coupe élevées. Toutefois, le même phénomène se produit égalez ment dans d'autres matières de pièces de travail si certaines valeurs de vitesses de coupe et d'avance sont dépassées. La présente invention concerne par conséquent une matière qui est caractérisée en ce qu'elle contient une phase alpha et une phase beta du type sialon et, de plus, une phase intergranulaire, généralement à l'état vitreux, mais qui peut également consister en phases cristallines. De plus, il existe une phase de principe dur réfractaire cons tituée de carbures, nitrures ou carbonitrures de métaux appartenant aux groupes IVB, VB et/ou VIE de la classification périodique des éléments. La coexistence des phases alpha et beta est possible pour certaines compositions de matière et a été décrite par exemple par H.K.Park et autres dans l'article "Alpha - sialon ceramics", Science of Ceramics", Vol 10 p. 251 - 256, H. Ilausner (Ed) et également dans la demande de brevet britannique 2 118 927 A. Cette demande de brevet concerne des matières de coupe céramiques d'oxynitrure cIe silicium et d'aluminium comportant une phase alpha et une phase beta de Si-Al-O-N et une phase viLreuse. La matière mentionnée ci-dessus, toutefois, ne contient aucun carbure, nitrure ou carbonitrure rnfractaire. Les proprié s de la matière qui sont spécifiques pour l'invention ressortent de la description suivante. La présence d'une phase réfractaire vise à améliorer les propriétés de résistance à l'usure. Celle phase est pré- sente dans la matière sous la forme d'une phase discrète finement dispersée. Dans la description qui suit, le nitru re de titane est utilise comme phrase réfractaire car il constitue un principe dur souvent utilisé mais il est evi- dent que des améliorations similaires des propriétés peuvent être obtenues par d'autres sortes de principes durs réfractaires, par exemple des carbures, des nitrures ou des carbonitrures des métaux titane, tantale, chrome, molybdène, niobium , zirconium, hafnium et tungstène, ou leursmélanges.La présence d'oxygène dans les principes re- fractaires durs ne s ' est pas révélée défavorable mais, au contraire, ils peuvent avoir une influence favorable sur la densification pendant le frittage. Du point de vue de la fabrication, on préfère les nitrures car ils permettent d'obtenir un corps densément fritté cn utilisant un frittage sans pression. En utilisant des carbures, le frittage ne peut souvent pas être réalisé sans pression. Selon l'invention, la présence nécessaire de la phase alpha et de la phase beta de sialon est obtenue en réglant les matières de départ de telle manière qu'une quantité relativement faible d'alumine et de dioxyde de silicium et une plus grande quantité de nitrure d'aluminium et d'oxyde d'yttrium (ou matières correspondantes) conduit à une fraction augmentée du sialon alpha dans la structure. La présence de sialon alpha conduit à une dureté plus grande sans chute notable des valeurs de résistance à la rupture transversale. Les adjuvants de frittage, tels que de préférence l'oxyde d'yttrium, ont été utilisés pour réaliser le produit ci-dessus, mais on peut obtenir des résultats similaires avec un ou plusieurs oxydes, par exemple de strontium, cerium, lanthanum et autres éléments de la série des lanthanides. L'utilisation d'oxyde d'yttrium comme adjuvant de frittage cnnouit à une phase intergranulaire qui est essen tiellement vitreuse mais qui peut également comporter d'autres phases, par exemple YAG (une phase cubique de formule Y3AL5012), Y-N-alpha-wollastonite (une phase monocyclique de formule YSiO2N), YAM (phase monocyclique de formule Y4Al209) et N-YAM (une phase monocyclique de formule Y4Si207N2) Selon l'invention, le produit consiste en plusieursphases et peut être préparé selon la description qui suit. Du nitrure de silicium, du nitrure d"aluminium,de l'alumine et du bîoxye de silicium, les oxydes pouvant être constitues par des impuretés dans les nitrures, sont amenés à réagir avec un oxyde d'au moins l'un des éléments suivants : yttrium, scandium, cerium, lanthanum ou autres métaux de la série des lanthanides. Pour des compositions appropriées de matières, on obtient deux phases du type sialon, et d'abord une phase hexagonale (phase beta) qui obéit à la formule générale Si6 z lzOzN8 z dans laquelle 0 1,5), on obtient un abaissement de la ténacité, alors que pour des faibles valeurs de z, la composition de la matière peut rendre difficile le frittage dense sans pression. La limite inférieure de la valeur de z est choisie de manière appropriee de sorte que le frittage sans pression devienne possible. La valeur limite inférieure exacte de z, pour laquelle le frittage sans pression a pleine densité est encore possible est difficile à déterminer car elle peut dépendre de la nature des phases réfractaires. Ainsi, on a trouvé qu'il était possible, avec des compositions de matière comportant par exemple du nitrure de titane comme principe dur réfractaire, de fritter sans pression avec des faibles valeurs de z, par exemple 0,1, ce qui n'était pas possible sans une telle addition. Par conséquent, les principes durs réfractaires, en plus du fait qu'ils confèrent aux combinaisons de matières une grande résistance à l'usure, peuvent contribuer à une fermeture effective des pores pendant le frittage. La nature exacte du déroulement de ces phénomènes n'est pas connue, mais, très certainement, les impuretés J;lns les carbures et les nitrures réfractaires jouent un certain rôle à ce sujet. La seconde phase de type sialon (phase alpha) qui est également hexagonale, est représentée par la formule générale Mx (Si,Al)12(0,N)16 , dans laquelle M peut être par exemple un ou plusieurs des éléments constitués par le lithium, le calcium, l'yttrium et les autres lanthanides, avec 0,1 On a constaté que cette phase vitreuse entait nécessaire pour qu'un frittage dense soit possible sans pression. Si la quantité de phase vitreuse est élevée, elle peut provoquer une détérioration des propriétés à haute tempdra- ture. Toutefois, la quantité de phase vitreuse peut être réduite par une addition plutôt faible d'oxyde d'yttrium, ou une addition correspondante autres composés, ou par un traitement thermique dans lequel une partie de la phase vitreuse se transforme sous forme cristalline, par exemple YAM, YAG, N-YAM ou Y-N-alpha wollastonite. La phase de principe réfractaire dur qui consiste en carbures, nitrures ou carbonitrures de titane, de vanadium, de chrome, de molybdène, de tungstène, d'hafnium et/ou de zirco- nium est ajoutée sous la forme d'une matière brute en poudre à faible granulométrie pour donner une dispersion homogène dans la matrice ci-dessus. La quantité de matière de départ est choisie de telle manière que la structure frittée contienne 5 à 60 % en volume d'une phase de principes réfractaires durs sous la forme d'au moins un carbure ou nitrure des métaux réfractaires mentionnés précédemment dans une matrice comportant 10 à 70 % en volume d'une phase alpha du type sialon, 20 à 90 8 en volume d'une phase beta du type sialon et une phase vitreuse constituant 0,1 à 20 % en volume et qui peut être en partie cristalline En général, la matière contient au plus 40 % en volume de phase alpha. De plus, les teneurs de la phase intergranulaire dans la matrice sont normalement au plus de 15 % en volume.La structure fritte contient généralement au plus 45 % en volume d'une phase de principes durs qui, comme mentionné précédemment, est constituée d'au moins un nitrure, habituellemellL tlu îolLrure de Litane. Naturellement, la structura de la matière mcntionnée peut Outre obtenue d'une autre manière que celle qui a été décrite ci-dessus. Par-exemple, dans le brevet americain 4 127 416, on a décrit l'utilisation d'oxynitrures de silicium et d'aluminium, du genre polytype, au lieu de nitrure d'aluminium pour la préparation du slalon de type beta Exemple 1 Un mélange comportant 85 % de Si3N4 (dont environ 2 % est du SiO2), 1,5 % de A1203, 7 % de AlN (dont 2 à 3 % sont constitués par Al2o3) et 6,5 # de Y203 - ce qui fait 85 % de la composition totale - a été mélangé avec 15 8 de TiN, broyé dans du propanol , séché,pressé pour constituer des corps d'essai et fritté dans une atmosphère d'azote à 17750 C. Une analyse aux rayons X a montré une forte réflexion du sialon alpha et beta et une réflexion moyenne de TiN. La matière a montré une phase TiN à très faible granulométrie et une dispersion homogène, en même temps qu'une phase alpha + beta contenant une certaine partie de phase vitreuse ( Exemple 2 On a utilisé le même mélange que dans l'exemple 1, mais la composition de sialon constituait 70 % du poids total. Le reste était constitué par 30 % de TiN. On a réalisé le frittage à 17900 sous atmosphère d'azote pendant une heure . On a obtenu une structure uniforme et de faible granulométrie présentant une faible microporosité. La densité a été de 3,55 g/cm . Des mesures par diffraction aux rayons X ont montré une forte réflexion de TiN et de sialon beta et une réflexion moyenne de sialon alpha. La dureté a été de 1550 HV1. Exemple 3 On a mélangé 62 z de Si3N4 ( contenant environ 2 % de SiO2) avec 15 % de TiN, 16 % d'une polyphase de type 21 (de formule approximative SiA1602N6 , contenant environ 5 % de AlN), 5 % de Y203 et 2 % de A120.3. Le mélange a été broyé dans un broyeur vibrant rempli de propanol ,- dans lequel 1,2 b dt Ai 203 supplémentaire (calculé pour la poudre sèche sans agent de pressage) a été broyé sous la forme d'un corps. La poudre a été sécliéc, pressée pour constituer des échantillons d'essai et frittée de la même manière que dans l'exemple 1, c'est-a-dire à 17750 C.On a obtenu une matière dense et uniforme d'une densité de 3,32 g/cm et d'une dureté d'environ 1560 HVl. On a obtenu une microporosité insignifiante. L'examen aux rayons X a réve- lé une forte réflexion de siajon alpha et beta et une réflexion moyenne de TiN. Exemple 4 Les matières préparées selon les exemples 1 et 2 ont été essayées dans une opération de tournage de longue durée sur de l'acier SS 2541-03 -(norme suédoise), et on a mesuré l'usure de flanc (VB en mm), et l'usure par cratères (KT en ym Ces mesures ont été effectuées en fonction du temps de travail en minutes. Comme matière de référence pour l'essai, on a utilisé deux matières disponibles sur le marché : Sandvik CC 680 et Sandvik CC 650 (contenant du A1203 et 30 % en poids de Ti(C,N). L'essai a été conduit avec la plaquette de coupe et suivant les conditions opé- ratoires ci-après Géométrie de la plaquette : ISO SNGN 120416,chamfrein 0,2 mm/200 Vitesse de coupe : 100 m/mn Avance : 0,36 mm/tr Profondeur de coupe : 2 mm. Sur les Figs 1 et 2, on a représenté les usures VB et KT par les valeurs moyennes de deux essais, la Fig. 1 montrant l'usure de flanc VB et la Fig. 2 montrant l'usure (KT) par cratérisation en fonction du temps. Dans ces Figures, les diverses courbes représentent les matieres suivantes Variante 1 : CC 680, Variante 2 : matière de l'exemple 1, Variante 3 : matière de l'exemple 2 Variante 4 : CC 650. De plus, on a testé la ténacité dans un corps d'essai moulé spécialement formé (SS 0125), la matière de cou- pe ayant été exposée à des charges mécaniques et à des chocs thermiques importants. On a procédé à un autre essai de coupe dans les conditions suivantes Géométrie de la plaquette : ISO SNGN 120416, chanfrein 0,2 irtin x 200 Vitesse de coupe : 300 m/mn Avance : 0,5 mmXtr Profondeur de coupe 3 3 mm Dans ce test, on a defini la durée de vie quant à la résistance par observation de la défaillance de la plaquette. La durEe de vie moyenne, qui peut être obtenue à partir de la fréquence des fractures accumulées dans la Fig. 3, en utilisant les mêmes qualités ou variantes 1 à 4 de matières que dans les Figs 1 et 2, a été déterminée à partir de 15 essais.On a obtenu les résultats suivants CC 680 7,93 mn Exemple 1 4,87 mn Exemple 2 6,00 mn CC 650 1,20 mn I1 ressort des essais d'usinage pour etudier la ré- sistance à l'usure et la ténacité que la matière selon l'invention se caractérise en ce qu'elle permet avec sue- cès de combiner la résistance supérieure à l'usure des matières céramiques à base d'oxyde avec la ténacité supérieure des matières céramiques à base de nitrure de silicium. Comme on le voit sur les Figs 1 et 2, les courbes d'usure s'accordent parfaitement avec la matière à base d'oxyde , tandis que la ténacité (Fig. 3) s'accorde parfaitement avec les matières à base de nitrure de silicium, Par conséquent, la matière selon l'invention présente un champ d'applications considérablement plus large que les matières céramiques déjà connues. REVENDICATIONS 1. Matière céramique à base de nitrure de silicium et d'une phase de principes réfractaires durs, caractérisée en ce qu'elle comporte une phase alpha de formule gé générale Mx (Si ,Al)12(0,N)061 dans laquelle M est l'un aumoins des éléments constitués par le lithium, le calcium, l'yttrium et les autres lanthanides et 0,14 x 2, une phase beta de formule générale Si6~zAlzOzN8~z, dans laquelle O 2. Matière céramique selon la revendication 1, caractérisée en ce que le composant Il contient au plus 40 8 en volume de phase alpha. 3. Matière céramique selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la structure frittée contient au plus 45 % en volume de phase de principe dur 4. Matière céramique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le composant II contient au plus 15 % en volume de phase intergranulaire. 5. Matière céramique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la phase de principe dur est constituée par au moins un nitrure, de préférence du nitrure de titane.