Brevet FR2557595A1 — publié le 19850705

I La présente invention concerne l'usinage des métaux et a notamment pour objet un procédé de dépôt de revête- ments. L'invention peut être appliquée avec succès, en particulier, à la réalisation de revêtements réfractaires résistant à l'usure sur les outils de coupe et de formage, fabriqués en matériaux quelconques ayant dans leur composi- tion du carbone, comme, par exemple, l'acier, les carbures, les céramiques etc. L'évolution actuelle de l'usinage des métaux impose des exigences sans cesse croissantes quant à la résistance mécanique, à la résistance à l'usure et aux performances économiques de la fabrication des matériaux à outils. Toutefois, le perfectionnement de la composition des matériaux à cutils ne permet plus une amélioration notable de leurs caractéristiques physicomécaniques. Une solution a été apportée à ce problème par le perfectionnement des procédés de dépôt de revêtements réfractaires résistant h l'usure. On connaît un procédé de dépôt d'un revêtement sur un substrat en matériau contenant du carbone (cf. "Les revête- ments au plasma" par V.I. Kostikov, Ju.A.Shesternev, 1978, Editions "Metallurgia", Moscou, p.94) par évaporation sous vide d'un produit carburigène, chauffage de la surface active du substrat et condensation du produit carburigène sur cette surface jusqu'à formation du revêtement. Dans ce procédé, l'évaporation du produit carburigène et le chauffage de la surface active du substrat s'effectuent par voie thermique. Toutefois, dans ce procédé, le déroulement de la ré- action de carburation du produit évaporé par le carbone du substrat se déroule à une température de l'ordre de 1000 à 16000C, ce qui complique le processus de formation du revêtement. En outre, dans ce procédé, le produit évaporé ne participe pas totalement à la réaction de carburation avec le carbone du substrat, ce qui nuit à la qualité du revê- tement obtenu. On connaît aussi un procédé de dépôt de revêtements, de préférence sur des outils de coupe dont le substrat est réalisé en matériau contenant du carbone (cf. revue "Fizika i khimia obrabotki matérialov", "Les revêtements en carbure de molybdène obtenus par dépôt à partir de flux de plasma sous vide", par A.A. Andreev et autres, 1979, Editions "Nauka", Moscou, N02, p. 169), par évaporation d'au moins un produit carburigène sous vide à l'aide d'une décharge par arc, ap- plication d'une tension à l'outil de coupe, nettoyage et chauffage de la surface active du substrat de l'outil de coupe par bombardement avec les ions du produit carburigène évaporé, suivi de leur condensation sur la surface active du substrat jusqu'à formation du revêtement. Par ce procédé, avant la condensation des ions de produit carburigène, on admet dans le vide un mélange gazeux qui réagit avec le produit carburigène évaporé avant la formation du revêtement sur la surface active du substrat de l'outil de coupe.' Toutefois, dans ce procédé, l'admission d'un mélange gazeux se traduit par une complication du processus de dé- position et une augmentation de la durée de formation du revêtement. En outre, dans ce procédé, le processus d'évaporation par la décharge par arc en présence d'un mélange gazeux est instable, ce qui se traduit par une variation continuelle de la composition du revêtement et complique la reproductibilité d'une composition prédéterminée du revêtement, d'o une complication supplémentaire du processus de formation du revêtement. De plus, dans ce procédé, dans le cas o le mélange gazeux utilisé est constitué de gaz explosifs, le processus se trouve lié à des risques d'explosion. On s'est donc proposé d'élaborer un procédé de dépôt de revêtements, dans lequel le nettoyage et le chauffage de la surface active du substrat de l'outil de co'ip s'effectu- eraient de façon à assurer une simplification d., processus de formation du revêtement, de pair avec la suppression du risque d'explosion. Ce problème est résolu grâce à un procédé de dépôt de revêtements, de préférence sur des outils de coupe dont le substrat.est réalisé en matériau contenant du carbone, par évaporation d'au moins un produit carburigène sous vide à l'aide d'une décharge par arc' application d'une. tension à l'outil de coupe, nettoyage et chauffage de la surface active du substrat de l'outil de coupe par bombardement cathodique avec lès ions du produit carburigène évaporé, suivi de leur condensation sir-la surface active du substrat de l'outil de coupe jusqu'à formation du revêtement, procédé dans lequel, d'après l'invention, le nettoyage et le chauffage. de la sur- face active du substrat de l'outil de coupe s'effectuent jusqu'à la température de déroulement de la réaction de car- buration du produit carburigène évaporé par le carbone du matériau constituant le substrat-de l'outil de coupe. Il est avantageux que la température de déroulement de la réaction de carburation soit de 500_à 540 C, le matériau du substrat de l'outil de coupe étant dans ce cas un acier. Il est souhaitable que la température de déroulement de la réaction de carburation soit de 620 à 680 C, le maté- riau du substrat de l'outil étant dans ce cas un alliage dur. Il est judicieux d'utiliser du titane en tant que pro- duit carburigène à évaporer. Il peut parfois être avantageux d'utiliser en tant que produit carburigène à évaporer du nitrure de titane. Il est d'autre part souhaitable que le produit car- burigène à évaporer soit un alliage de titane. Il est préférable, en cas d'utilisation de deux produits carburigènes, que le second produit carburigène soit le molyb- - dène. L'invention permet de stabiliser la composition du revé- tement formé en épaisseur, ce qui simplifie le processus de dépôt du revêtement. En outre, l'invention supprime le risque d'explosion. L'invention sera mieux comprise et d'autres caracté- ristiques, détails et avantages de celle-ci seront mieux compris à la lecture de la description explicative qui va suivre de différents modes de réalisation donnés à titre d'exemples non limitatifs. Le procédé de dépôt de revêtements, de préférence sur des outils de coupe dont le substrat est réalisé en matériau contenant du carbone, consiste à faire évaporer un produit carburigène sous vide à l'aide d'une décharge par arc et à appliquer une tension à l'outil de coupe. Ensuite, on nettoie et on chauffe la surface active du substrat de l'outil de coupe par bombardement cathodique avec les ions du produit carburigène évaporé, jusqu'à la température de déroulement de la réaction de carburation du produit carburigène évaporé par le carbone du matériau constituant le substrat de l'outil de coupe. Puis, les ions du produit carburigène évaporé sont condensés sur la surface active du substrat de l'outil de coupe jusqu'à formation du revêtement. Pour que la saturation du revêtement formé par le carbone soit maximale, la température de déroulement de la réaction de carburation est d'après l'invention, de 500 à 540 C dans le cas o le matériau de substrat est l'acier. En effet, quand la température de déroulement de la réaction de carburation est inférieure à 500 C, la satura- tion du revêtement formé par le carbone de l'acier est pratiquement nulle, et quand ladite température est supé- rieure à 540 C, il se produit un adoucissement partiel de l'acier, ce qui se traduit dans les deux cas pal un fcrt abEissemer;t de la tenue des outils de coupe. De même, pour que la saturation cdu revêtement formé par le cartone sait. mnaximale, la température de dércu- lement de la réaction de carburation est, suivant l'inven- tionde 620 à 680 C dans le cas o le matériau du substrat est un carbure. En effet, quand la température de déroulement de la réaction de carburation est inférieure à 620 C ou supérieure à 680nC, le carbure est le siège de processus analogues à ceux décrits plus haut. Selon le procédé faisant l'objet de l'invention, le produit carburigène à évaporer utilisé est le titane. Pour augmenter la résistnace à l'usure du revêtement formé, le produit carburigène à évaporer utilisé est, sui- vant l'invention, un alliage de titane. Selon le procédé faisant l'objet de l'invention, en cas d'utilisation de deux produits carburigènes à évaporer, le second produit carburigène à évaporer est le molybdène. Plusieurs exemples concrets mais non limitatifs de mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention sont décrits ci-après. Exemple 1. Le revêtement est déposé sur des forets hélicoidaux de 5 mm de décimètres. Le produit carburigène utilisé est le titane, et le matériau du substrat des forets est un acier de composition suivante: C Cr W V Mo Fe 0,80 à 0, 85 3,8 à 4,4 5,5 à 6,5 1,7 à 2,1 5,0 à 5,5 le sol- de Les forets débarrassés des salissures sont placés dans des cassettes spéciales et introduits dans une chambre à vide dans laquelle est montée une cathode en titane. Quand le vide atteint une valeur de 67.10 5 Pa, un arc s'amorce dans la chambre et une tension de 1500 V est appliqu6e aux forets. La surface active dos forets est alors nettoyée par bombardement cathodique avec des ions de titane, et en même temps, elle est chauffée jusqu'à une température de 520 C, qui est contôlée à + 10 C près par un pyromètre infrarouge. Ensuite, la tension est abaissée jusqu'à 250 V et les ions de titane se con- densent sur la surface active des forets pendant trois minutes avec carburation du titane par le carbone de l'acier. Quand l'épaisseur du revêtement constitué par le carbure de titane atteint 2,/m, les forets sont mis hors tension et l'arc est coupé. Les forets sont refroi- dis dans la chambre jusqu'à la température normale. Des essais de résistance à l'usure ont été exécutés par usinage d'un acier de composition suivante: C Fe 0,42 à 0,49 le solde avec cinq forets de contrôle prélevés sur chaque lot, au régime suivant: - vitesse de coupe V = 32 m/min; - avance S = 0,12 mm/tr. - profondeur de perçage 1 = 3d = 15 mm. Les résultats des essais sont donnés dans la tableau 1. Tableau 1 N d'ordre des 1 2 3 4 5 forets à essayer Nombre de trous percés par foret 205 206 206 206 207 Exemple 2 Le revêtement est déposé sur des plaquettes coupan- tes. Le matériau constituant le substrat des plaquettes coupantes est un carbure de composition suivante: Co TiC WC 6 15 le solde. et le produit à évaporer est le titane. Le revêtement est déposé de la même manière que dans l'exemple l, sauf que le nettoyage de la surface active des plaquettes par bombardement cathodique avec les ions de titane est exécuté avec chauffage de cette surface jusqu'à une température de 620 C. Les essais ont été exécutés sur cinq plaquettes de contrôle de chaque lot, aux régimes suivants: - vitesse de coupe V = 160 m/min; - avance S = 0,3 mm/tr; - profondeur de coupe t = 1 mm. Les résultats des essais sont donnés dans le Tableau 2. Tableau 2 N d'ordre des 1 2 3 4 5 plaquettes à essayer Nombre de pièces usinées avec une plaquet- te 26 26 25 26 27 Exemple 3. Le revêtement est déposé sur des forets hélicoïdaux de 5 mm de diamètre. Le produit carburigène utilisé est le nitrure de titane, le matériau du substrat étant l'acier de même composition que dans l'exemple 1. La surface active des forets est nettoyée par bombar- dement cathodique avec des ions de nitrure de titane, et en même temps, elle est chauffée jusqu'à une température de 5100 C. Ensuite la tension est abaissée jusqu'à 300 V et les ions de nitrure de titane se condensent sur la surface active des forets pendant trois minutes avec carburation du nitrure de titane par le carbone de l'acier. L'épaisseur du revêtement obtenu, constitué par du carbonitrure de titane Ti (NC), est de J m. Puis, les forets sont mis hors tension et l'arc est coupé. Les forets sont refroidis dans la chambre jusqu'à la température normale. Les essais des forets ont été exécutés de la même manière que dans l'exemple 1. Les résultats des essais sont donnés dans le Tableau 3 Tableau 3 N d'ordre des 1 2 3 4 5 forets à essayer Nombre de trous 250 249 249 249 249 percés par foret Exemple 4. Le revêtement est déposé sur des plaquettes coupantes. Le produit à évaporer utilisé est le nitrure de titane, et le matériau du substrat des plaquettes est le carbure dont la composition est indiquée dans l'exemple 2. Le revêtement est déposé de la même manière que dans l'exemple 3, sauf que le nettoyage de la surface active des plaquettes par bombardement cathodique avec les ions de nitrure de titane est exécuté avec chauffage simultané de cette surface jusqu'à la température de 635 C. Les essais des plaquettes ont été exécutés de la même manière que dans l'exemple 2. Les résultats des essais sont donnés dans le Tableau 4. Tableau 4 N d'ordre des 1 2 3 4 5 plaquettes à essayer Nombre de pièces usinées avec une plaquette 37 37 36 37 37 Exemple 5. Le revêtement est déposé sur des forets hélicoïdaux de 5 mm de diamètre. Le produit carburigène utilisé est un alliage de titane de composition suivante: A1 Mo Ti ,5 à 7,0 2,0 à 3,0 le solde et le matériau du substrat est un acier de même composition que dans l'exemple 1. Le revêtement est déposé de la même manière que dans l'exemple 1, sauf que le nettoyage de la surface active des forets par bombardement cathodique avec des ions de titane, d'aluminium et de molybdène est exécuté avec chauffage simul- tané de cette surface jusqu'à une température de 525 C. Le revêtement obtenu est, dans ce cas, une solution solide à base de carbure de titane avec des additions complexes (Ti, Mo, A1)C. Les essais des forets ont été exécutés de la même manière que dans l'exemple 1. Les résultats des essais sont donnés dans le Tableau 5. Tableau 5. N d'ordre des 1 2 3 4 5 forets à essayer NOmbre de trous percés par foret 255 255 236 235 236 ExemBle 6. Le revêtement est déposé sur des plaquettes coupantes. Le produit carburigène utilisé est l'alliage de titane dont la composition est indiquée dans l'exemple 5, et le matériau du substrat est le carbure dont la composition est indiquée dans l'exemple 2. Le revêtement est déposé de la même manière que dans l'exemple 2, sauf que le nettoyage de la surface active des plaquettes par bombardement cathodique avec les ions de titane, d'aluminium et de molybdène est exécuté avec chauffage simultané de cette surface jusqu'à une tempéra- ture de 650 C. Les essais des plaquettes ont été exécutés de la même manière que dans l'exemple 2. Les résultats des essais sont donnés dans le tableau 6. Tableau 6 NO d'ordre des 1 2 3 4 5 plaquettes à essayer Nombre de pièces usinées avec une pla- quette 33 33 33 32 33 Exemple 7. Le revêtement est déposé sur des forets hélicoïdaux de 5 mm de diamètre. Les produits carburigènes utilisés sont le titane et le molybdène, et le matériau du substrat est un acier de même composition que dans l'exemple 1. Les forets débarrassés des salissures sont placés dans des cassettes spéciales et introduits dans une chambre à vide, dans laquelle sont montées deux cathodes, l'une on titane et l'autre en molybdène. - Quand le vide atteint une valeur de 67.10 5 Pa, un arc s'amorce dans la chambre, et une tension de 1500 V est appliquée aux forets. La surface active des forets est alors nettoyée par bombardement cathodique avec des ions de titane, et en même temps, elle est chauffée jusqu'à une température de 680 C, qui est contrôlée à +100C près par un pyromètre infrarouge. Ensuite la tension est abaissée jusqu'à 250 V, puis la condensation des ions de titane et de molybdène est réalisée pendant 3 minutes par branchement alterné des cathodes de titane et de molybdène. Le revête- ment ainsi obtenu est multicouche, avec des couches alter- nées de carbure de titane (TiC) et de carbure de molybdène (Mo2C). La condensation achevée, les forets sont mis hors tension et l'arc est coupé. Les forets sont refroidis dans la chambre jusqu'à la température normale. Les essais ont été exécutes dans les mêmes conditions que dans l'exemple 1. Les résultats des essais sont donnés dans le Tableau 7. Tableau 7 N d'ordre des 1 2 3 4 5 forets à essayer Nombre de trous percés par foret 260 261 260 260 260 Exemple 8. Le revêtement est déposé sur des plaquettes coupantes. Les produits carburigènes utilisés sont le titane et le molybdène, et le matériau du substrat des plaquettes est le carbure dont la composition est indiquée dans l'exemple 2. Le revêtement multicouche est dépose de la même manière que dans l'exemple 7, sauf que le nettoyage de la surface des plaquettes par bombardement cathodique avec les ions de titane et de molybdène est exécuté jusqu'à une température de 680 C. Les essais des plaquettes ont été exécutés dans les mêmes conditions que dans l'exemple 2. Les résultats des essais sont donnés dans le Tableau 8 Tableau 8 N d'ordre des 1 2 3 4 5 plaquettes à essayer Nombre de pièces usinées avec une pla- quette 40 40 41 40 40 Les résultats des essais indiqués dans les exemples 1 à 8 montrent que la simplification du processus de dépôt du revêtement a permis d'élever les caractéristiques de tenue des forets et des plaquettes. L'invention permet de réaliser la condensation du revêtement à une vitesse de l'ordre de 0X1 à 0,7,m/min, ce qui réduit la durée du cycle opératoire. R E V E N D I C A T I O N S 1. ProcCé de dépôt de revCtements, de préférence sur des outils de coupe dont le substrat est réalisé en matériau contenant du carbone, par évaporation d'au moins un produit carburigène sous vide à l'aide d'une décharge par arc, application d'une tension à l'outil de coupe, nettoyage et chauffage de la surface active du substrat de l'outil de coupe par bombardement cathodique avec les ions du produit carburigène évaporé, suivi de leur condensation sur la surface active dudit substrat jusqu'à formation du revêtement, caractérisé en ce que le nettoyage et le chauffage de la surface active du- substrat de l'outil de coupe s'effectuent jusqu'à la température de déroulement de la réaction de carburation du produit carburigène évaporé par le carbone du matériau constituant ledit susbtrat. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la température de déroulement de la réaction de carburation est de 500 à 5400C, le matériau du substrat de l'outil de coupe étant dans ce cas un acier. 2G 3. Procédé selon la revendication 1. caractérisé en ce que la température de déroulement de la réaction de- carburation est de 620 à 680 C, le Matériau du substrat de l'outil étant dans ce cas un alliage dur. 4. Procédé selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que le produit carburigène utilisé est le titane. 5. Procédé selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que le produit carburigène utilisé est le nitrure de titane. 6. Procédé selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que le produit carburigène utilis6 est un alliage de titane. 7. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que, en cas d'utilisation de deux produits carburigënes à évaporer, le second produit carburigène utilisé est le molybdène. 8. Revêtements réfractaires résistant a l'usure, carac- térisés en ce qu'ils sont obtenus parle procédé suivant l'une des revendications 1 à 7.