Brevet FR2589094A1 — publié le 19870430

La présente invention concerne l'usinage des métaux et a notamment pour objet un outil tranchant à revêtement résistant à l'usure. L'invention est applicable à des outils tranchants tels que des couteaux, forets, fraises, etc., respective- ment pour l'usinage sur les tours, les perceuses, les fraiseuses et sur d'autres types de machines-outils d'usinage des métaux par enlèvement de matière. A l'heure actuelle, l'un des modes d'augmentation de la durée de service d'un outil tranchant à revêtement résistant à l'usure consiste à augmenter la durée de service du revêtement lui-même. Il existe un outil tranchant à revêtement résistant à l'usure (cf., brevet d'invention U.S.A. NO 3900592, 427-39, publié en 1973) réalisé en un composé métallique difficilement fusible: nitrure ou carbure de titane ou de zirconium. La concentration du constituant non métallique (azote ou carbone) dans le composé dont est réalisé le revêtement va en croissant de la surface du revêtement adjacente à la surface du corps de l'outil, à la surface extérieure du revêtement, et la dureté du revêtement croit elle aussi vers sa surface extérieure. Dans ce revêtement, le réseau cristallin des couches adjacentes à la surface du corps de l'outil peut différer du réseau cristallin des couches superficielles du revêtement. Durant l'utilisation, les contraintes internes qui se développent dans le revêtement sous l'action des forces de coupe sont amorties dans les couches internes, plus plastiques, du revêtement. Toute- fois, durant l'utilisation, la couche extérieure du revêtement s'use peu à peu et ce sont les couches internes du revêtement qui entrent en contact avec le métal en cours d'usinage, ces couches internes étant plus riches en métal pur/qui est plus actif vis-à-vis du métal à usiner que les composés métalliques difficile- lement fusibles, ce qui accélère l'usure par adhérence du 2 2589094 revêtement. Il existe un outil tranchant à revêtement résistant à l'usure (cf., brevet français, n 2454903, B 23B 15/04 publié en 1980) comportant des couches alternées d'au moins deux composés métalliques difficilement fusibles, et qui n'est pas sujet à l'usure par adhérence. Ce revêtement résistant à l'usure ne comporte pas de métaux en état libre. Il est constitué de couches de composés difficilement fusibles de titane avec C et/ou N, caractérisés par un réseau cristallin du type NaCl, et de couches d'oxyde difficilement fusible d'aluminium Al203 qui, indépendemment des conditions de formation, ne se cristallise pas dans le réseau du type NaCl, autrement dit, les composés difficilement fusibles formant les couches alternées du revêtement résistant à l'usure connu ont des réseaux cristallins de type structurel différent. Le nombre de couches dans le revêtement, leur épaisseur, l'ordre de leur alternance peuvent être différents et dépendre d'exigences variant suivant les conditions d'utilisation des outils tranchants. La structure multicouche du revêtement résistant à l'usure permet de combiner dans un même revêtement les différentes propriétés des composés difficilement fusibles formant les couches. Cependant, un tel revêtement a une faible durée de service parce que, durant l'utilisation de l'outil, le revêtement est sus- ceptible de clivage sous l'effet des actions thermiques et dynamiques, ce qui est dO au fait que les couches alternées du revêtement connu ont des réseaux cristallins de type structurel différent. Le clivage du revêtement est dO à deux facteurs. En premier lieu, ce ne sont pas tous les atomes des composés difficilement fusibles se trouvant à l'interface des couches qui sont reliés par des liaisons de valence. 3 2589094 D'autre part, une partie des atomes occupe, dans les noeuds du réseau cristallin du -composé formant la couche voisine, une position qui ne leur est pas caractéristique. Ceci élève le niveau des contraintes internes dans la zone de jonction des réseaux de types différents et réduit la force des liaisons interatomiques à l'interface des couches. L'invention vise donc un outil tranchant à revêtement résistant à l'usure dont les couches alternées seraient constituées de composés métalliques difficilement fusibles assurant une augmentation de la force des liaisons interatomiques à l'interface desdites couches, en prolongeant de ce fait la durée de vie de l'outil tranchant. Ce but est atteint du fait que l'outil tranchant à revêtement résistant à l'usure sous forme de couches alternées d'au moins deux composés métalliques difficilement fusibles, est caractérisé, suivant l'invention, en ce qu'en tant que composés métalliques difficilement fusibles on utilise des composés à réseaux cristallins de structure identique. La longévité d'un tel outil tranchant à revêtement résistant à l'usure augmente de 1,6 à 2 fois. Ceci est dO au fait que tous les atomes des composés difficilement fusibles à réseau cristallin de même structure sont, à l'interface des couches, liés entre eux par des liaisons de valence, ce qui diminue le nombre de défauts de la structure à l'interface des couches. Il est connu que la migration des défauts de la structure du réseau cristal- lin, intensifiée, lors de la coupe, sous l'effet des charges thermiques et dynamiques, peut provoquer la réunion des défauts et la formation de pores dont l'apparition donne lieu au clivage du revêtement. Dans le revêtement proposé, tous les atomes d'une couche occupent des positions qui leur sont caractéristiques dans les noeuds du réseau 4 2589094 cristallin du composé difficilement fusible de la couche suivante, ce qui consolide les liaisons interatomiques à l'interface des couches et diminue la possibilité de clivage des couches. 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 d'un mode de réalisation donné uniquement à titre d'exemple non limitatif, avec références au dessin non limitatif annexé dans lequel: - la figure 1 représente une vue d'ensemble d'un outil tranchant à revêtement résistant à l'usure, en particulier d'une plaquette de coupe rapportée pour fraise (coupe transversale partielle), selon l'invention; - la figure 2 représente le schéma de liaison des réseaux cristallins de même type structurel à l'interface de deux couches adjacentes du revêtement (vue en perspective à échelle agrandie). L'outil tranchant à revêtement résistant à l'usure, constitué par exemple d' une plaquette de coupe rapportée pour fraise, comporte un corps 1 (figure 1) réalisé en un matériau à outil, tel que notamment: acier rapide, alliage dur, céramique. Sur ce corps est rapporté un revêtement résistant à l'usure 2 réalisé sous la forme de quatre couches alternées 3, 4 d'au moins deux composés métalliques difficilement fusibles. En tant que composés métalliques difficilement fusibles formant les couches 3, 4 voisines, sont utilisés des composés difficilement fusibles ayant des réseaux cristallins d'un même type structurel. Ainsi, dans le cas considéré ici à titre d'exemple, les couches adjacentes 3, 4 de composés difficilement fusibles ont un réseau cristallin 5 du type hexagonal. Les composés métalliques difficilement fusibles for- mant le revêtement résistant à l'usure sont bien connus. 2589094 Ce sont des carbures, des nitrures, des oxydes, des borures, des siliciures essentiellement de métaux de transition. Le revêtement résistant à l'usure 2 est rapporté sur le corps i par tout procédé connu dans le domaine de la technique considéré, par exemple en utilisant la méthode de condensatipn de la substance par bombardement ionique. L'épaisseur de tout le revêtement, le nombre des couches dans celui-ci, le nombre des composés difficile- ment fusibles formant les couches du revêtement, l'ordre de leur alternance, sont connus dans le domaine considéré de la technique et peuvent être des plus variés. Ils sont choisis compte tenu de la technologie de réalisation du revêtement et des conditions d'utilisation de l'outil tranchant à revêtement résistant à l'usure. L'outil tranchant fonctionne de la façon suivante. Lors de l'usinage des métaux, le revêtement résis- tant à l'usure 2 (figure 1)entre en contact avec le métal à usiner dans les conditions de hautes températures et pressions régnant dans la zone de coupe. Grâce à l'intensité de type structurel des réseaux cristallins (figure 2) des composés métalliques difficilement fusibles formant les couches 3, 4 du revêtement, les sollicitations thermiques et dynamiques apparaissant lors de l'utilisation de l'outil tranchant n'entraînent pas de rupture des liaisons interatomiques à l'interface des couches du revêtement résistant à l'usure 2, ce qui prévient son clivage. Pour mieux illustrer la présente invention, vont maintenant être décrits plusieurs exemples d'exécution concrets mais non limitatifs de forets de 5 mm de diamètre en acier de composition suivante (% en masse): 6 2589094 C - 0,85 Cr - 3,6 W - 6,0 V - 2,0 Mo - 5,0 Fe - le complément à 100%. Un lot de 15 forets a été soumis à des essais de perçage d'orifices de 15 mm de profondeur dans un acier dont la teneur (% en masse) en C était de 0,42 à 0,49, le reste étant Fe, sur une perçeuse verticale dans les conditions suivantes: vitesse V = 45 m/min; avance S = 0,18 mm/tour. Critère d'évaluation de l'usure de l'outil: grincement du foret. Exemple 1 Le foret a un revêtement de 6 pm d'épaisseur constitué de couches de trois composés métalliques difficilement fusibles: la première couche, se trouvant à la surface de l'outil et constitué de TiC, est d'une épaisseur de 1 jum et a un réseau cristallin du type NaCl, et les 100 couches alternées d'épaisseur identique sont constituées par les composés difficilement fusibles TiN à réseau cristallin du type NaCl, et ZrN à réseau cristallin du même type. Nombre de perçages réalisés par chaque foret: 380. Exemple 2 Le foret a un revêtement de 5 pum d'épaisseur constitué de trois couches d'épaisseur identique de compo- sés difficilement fusibles: (TiZr) CN, (TiZr)C et (TiZr)N rapportées dans l'ordre indiqué. Lesdits composés réfractaires ont un réseau cristallin cubique du type NaCl. Nombre d'orifices percés par chaque foret: 470. 7 2589094 Exemple 3 Le foret a un revêtement de 5 km d'épaisseur composé de 1500 couches alternées d'épaisseur identique et constituées par les trois composés difficilement fusibles suivants: TaB2, NbB2, MoB2, rapportées dans l'ordre indiqué. Les composés difficilement fusibles ont un réseau cristallin cubique du type AlB2. Nombre d'orifices percés par chaque foret: 430. Exemple 4 Le foret a un revêtement de 5 pum d'épaisseur composé de 600 couches alternées constituées par les composés difficilement fusibles: Ta5Si3, Nb5Si3 ayant un réseau cristallin tétragonal du type Cr5B3, le rapport des épaisseurs des couches étant de 2:1, respectivement. Nombre d'orifices percés par le foret: 480. Exemple 5 Le foret a un revêtement de 5 jm d'épaisseur composé de couches alternées constituées par les composés difficilement fusibles TiO, ZrO ayant un réseau cristallin cubique du type NaCl. Le rapport des épaisseurs des couches est de 1:3, respectivement. Nombre d'orifices percés par le foret:410. 8 2589094 R E V E NDI C A T I 0 N Outil tranchant à revêtement résistant à l'usure sous forme de couches alternées (3, 4) d'au moins deux composés métalliques difficilement fusibles, caractérisé en ce qu'en tant que composés métalliques difficilement fusibles on utilise des composés difficilement fusibles ayant des réseaux cristallins (5) de même type structurel.