Brevet FR2635996A1 — publié le 19900309

La présente invention est relative a une plaque coupante en métal dur comportant une surface libre, une surface a copeaux et, dans la zone de transition entre la surface libre et la surface a copeaux, un tranchant recouvert d'une mince couche de matériau dur qui contient du titane et de l'azote et qui est déposée par précipita- tion sur la surface libre, sur la surface à copeaux et dans la zone du tranchant. L'invention est également relative à un procédé pour la fabrication de la plaque coupante qui est traitée dans une installation PVD (Physical Vapour Deposition) temporairement sur une longueur égale pendant qu'une couche en matériau dur en TiCN est appliquée sur sa surface de copeaux et qu'une couche en matériau dur est appliquée sur sa surface libre. Une plaque coupante en métal dur de ce type est décrite, par exemple, dans le brevet allemand 30 20 929. D'après ce document, cependant, la couche de matériau dur appliquée doit ensuite être éliminée, par exemple par abrasion, de manière à atteindre le rayon de bord de coupe nécessaire à l'usinage de précision. En effet, dans le procédé CVD (Chemical Vapour Deposition) utilisé jusqu'à présent, qui comporte un dép8t de vapeur par voie chimique, les bords de coupe sont trop arrondis. On est cependant resté attaché, jusqu'à présent, pour l'appli- cation de revêtement sur les métaux durs, au procédé CVD, car on pensait que ce procédé assurait à la couche la meilleure adhérence. En effet, le métal dur peut résis- ter, sans que sa dureté diminue, A des températures d'application de revêtement relativement élevées, de l'ordre de 1000 C. Cette solution présente cependant l'inconvénient de donner des bords de coupe arrondis. Le but de l'invention est la réalisation de plaques coupantes en métal dur, destinées notamment a l'usinage de précision d'alésages, qui, sans imposer une élimination après coup du matériau dur, présentent cependant de très petits rayons de bords de coupe et soient plus résistantes que les plaques coupantes en métal dur fabriquées jusqu'à présent et débarrassées partiellement après coup de leur couche de matériau dur. Ce but atteint, suivant l'invention, en ce que la couche de matériau dur est une couche déposée par précipitation dans le procédé PVD et en ce que la couche de matériau dur n'est pas enlevée ultérieurement. Les essais effectués ont montré que les indica- tions contenues dans le brevet 30 20 929 et dans les prospectus émis par le titulaire du brevet ne sont pas exactes, car l'élimination par abrasion de la couche de matériau dur a pour effet d'arrondir de nouveau la zone de coupe au point que l'on obtient des rayons de bord de coupe de l'ordre de 20gm. L'arrondi après l'élimination par abrasion du matériau dur est donc exactement le même que celui qui résulte de l'application du revêtement, avec l'inconvénient que la surface de coupe "débarrassée" de matériau dur a une durée de service moindre, dirige les copeaux dans de moins bonnes conditions, exige des efforts de coupe plus considérables et présente une plus forte tendance à la déformation. Par contre, l'invention présente les avantages suivants: 1. Les essais ont montré statistiquement que la durée en service est de 100 % supérieure. 2. L'évacuation des copeaux s'effectue dans de meilleures conditions. 3. La tendance à la déformation est plus faible. 4. Les efforts de coupe sont moindres. -30 5. La rugosité de la surface est atténuée. 6. Malgré la présence de la couche de revêtement qui le recouvre, le tranchant est beaucoup plus coupant que ceux qui ont été "débarrassés" de matériau dur. 7. Le procédé PVD permet de maintenir avec précision l'épaisseur de la couche entre 1,5 et 2 gm, ce qui n'est pas possible dans le cas du procédé CVD. 8. Le procédé PVD permet non seulement de réaliser des couches très minces, mais également de maintenir des tolérances d'épaisseur de couche très étroites. C'est excellent en ce sens que la résistance d'une chatne n'est que celle de son chaînon le plus faible. 9. Lorsqu'on dit, comme cidessus que, dans le cas du procédé d'enduction CVD, les métaux durs ne se modifient pas à des températures de l'ordre de 100001C, ce n'est vrai qu'en partie: il y a formation, après comme avant, d'une phase fragile (appelée *phase &ta* par les spécialistes), même si l'importance de cette phase n'est plus aussi considérable qu'aux premiers temps de l'application du procédé CVD. Cette phase fragile, qui continue d'exister, peut poser des problèmes de solidité précisément dans la zone de bords coupants. Or, l'inven- tion évite la formation de cette phase du fait que le procédé PVD fait intervenir des températures plus basses, inférieures à 500 C. 10. La couche obtenue par le procédé PVD a une tension propre inférieure à celle de la couche obtenue par le procédé CVD. Ce fait s'explique par la température plus basse, qui fait que les différences entre les coefficients de dilatation du matériau de base et du matériau de la couche n'ont pas une trop grande in- fluence. 11. En général, on observe moins de fissuration dans les couches minces que dans les couches épaisses, ce qui s'explique encore par la différence entre les ten- sions propres. Or, les couches minces suivant l'invention constituent une particularité propre à l'invention, tant en ce qui concerne le produit fini que le procédé. 12. Du fait que, suivant l'invention, les surfaces libres et les surfaces A copeaux restent recou- vertes, le dégagement de chaleur est également moindre, ce qui a une répercussion favorable sur la régularité dimensionnelle de l'alésage. 13. Les avantages de l'invention sont particu- lièrement sensibles dans le cas des plaques coupantes pour alésoir à une lame. Dans ce cas, en raison de la plus faible valeur de la vitesse de coupe, l'usure des surfaces libres est plus forte que l'usure des surfaces A copeaux. Plus la vitesse de coupe est grande, plus la couche de matériau dur sur la surface à copeaux doit être épaisse. 14. L'expérience a montré qu'il y a encore moins de rupture de coupe lorsqu'on renonce à utiliser le nettoyage usuel par ultra-sons. Le procédé PVD qui peut être appliqué pour l'invention est très bien décrit dans la VDI-Zeitung, Tome 127 (1985) N 17, p. 691 à 696. L'invention est décrite ci-dessous d'une manière plus détaillée au moyen d'exemples de réalisation préfé- rés en se référant aux dessins. La fig. 1 est une micrographie d'une plaque classique recouverte par le procédé-CVD. La fig. 2 représente la plaque de la fig. 1 après que le matériau dur a été éliminé de la surface à copeaux. La fig. 3 est la micrographie d'une plaque coupante suivant l'invention. La fig. 4 représente le bord de coupe de la fig. 3 vu de la surface à copeaux. La fig. 5 est la micrographie d'une lame en métal dur recouverte suivant l'invention. Sur toutes les fig. 1 à 5, les dimensions sont indiquées par une échelle de 10 Mm. La fig. 1 représente la zone de coupe d'une plaque de coupe en métal dur ayant un angle de coupe de 6 . La plaque coupante 11 comporte une surface à co- peaux 12, une surface libre 13 et un tranchant 14. La plaque coupante 11 porte une couche 16 de matériau dur qui est constitué par du TIN et présente une épaisseur de couche uniforme, indiquée par l'échelle. En cet endroit, la couche de matériau dur a un rayon 17 nettement supé- rieur à 5 dm. La couche 16 de matériau dur est polie comme l'indique la fig. 2. Comme, pour des raisons de technique de polissage, il n'est pas possible d'effectuer le polissage exactement dans le prolongement de la surface & copeaux 12, le tranchant 14 manque dans ce cas. le rayon 18 est devenu encore plus grand que le rayon 17, comme le montre la micrographie. La fig. 3 représente une plaque coupante 19 en métal dur suivant l'invention qui présente un angle de copeaux de 15 . Sur sa surface à copeaux 12 est appli- quée, par le procédé PVD, une couche de matériau dur 21 d'environ 3,5 gm d'épaisseur. Le tranchant 14 est com- plet. Sur la surface libre 13 est appliquée une couche de matériau dur 22 de 2,6 gm d'épaisseur. Ces deux couches de matériau dur 21, 22 sont constituées par du TiCN. Leurs surfaces 23, 24 sont très planes, ce que la fig. 3 ne montre guère, mais que la fig. 4 met en évidence. Les surfaces 23, 24 ne se coupent pas suivant un angle aussi aigu que la surface à copeaux 12, située audessous, et la surface libre 13 pourraient le laisser supposer. On distingue au contraire un biseau 26 qui est très faible- ment incurvé approximativement de 2 heures à 8 heures et qui est tangent au tranchant 14, de sorte que, comme l'indique la fig. 4, le tranchant 14 est partiellement dégagé. Lorsque la plaque coupante 19 est utilisée comme plaque tournante pour alésoir pour découpe à une lame pour l'usinage de précision d'alésages, la couche de matériau dur 22 est réalisée avec une épaisseur supé- rieure à celle de la couche de matériau dur 21. Dans l'exemple de réalisation envisagé, la plaque coupante 19 est traitée pendant un temps aussi long dans une instal- lation du type PVD. La seule différence consiste en ce que la surface libre 13 est restée plus longtemps dans l'ombre de vaporisation que la surface à copeaux 12, de sorte que la couche de matériau dur 21 est devenue plus épaisse que la couche de matériau dur 22. Si l'on fait en sorte que la surface à copeaux 12 se trouve dans l'ombre de vaporisation, la couche de matériau dur 22 devient plus épaisse que la couche de matériau dur 21. Dans l'exemple de réalisation correspondant à la fig. 5, le tranchant 27 d'une lame en métal dur 28 est également conservé. La couche de matériau dur qui est tournée vers la gauche est nettement plus épaisse que la couche de matériau dur qui est tournée vers la droite et en haut, ce qui découle également des conditions d'ombrage. Dans ce cas évidemment du fait que la lame de métal dur 28 est nettement plus effilée de 15 , il n'y a aucun biseau. On constate cependant que, dans ce cas également, il y a une attraction de la couche la plus épaisse A la couche la plus mince, de sorte que le tranchant 27 n'est recouvert que sur une faible épaisseur par le matériau en TiCN. Dans ce cas, comme le montre la fig. 5, la couche la plus épaisse forme un bec dirigé vers le haut dont le rayon est sensiblement égal au rayon du tranchant 27. Pour l'application du procédé dans les condi- tions indiquées dans la VDI-Zeitung, Tome 127 (1985) N 17, p. 691, fig. 1, le porte-outil est monté de manière à pouvoir tourner autour de son axe vertical. De plus, le porte-outil comporte des dispositifs d'entraînement planétaires qui tournent sur eux-mêmes comme un manège de foire dont les gondoles tournent également individuelle- ment pendant la rotation de, l'ensemble. Sur la plate- forme associée à chaque engrenage planétaire, la plaque coupante est fixée magnétiquement de telle manière que sa surface à copeaux 12 et sa surface libre 13 sont parallè- les à l'axe de rotation. La surface qui se trouve en avant dans le sens du déplacement puise dans le plasma plus de TiCN que la surface qui la suit et qui, dans l'exemple correspondant à la fig. 3, est la surface libre 13. Les plaques de coupe recouvertes de TiCN ont donné de meilleurs résultats que les plaques de coupe recouvertes de TiN. Suivant l'invention, le métal sur appartient à la qualité K du classement de l'ISO et peut avoir un indice de qualité allant de K05 à K20, notamment une qualité K10. La surface libre et/ou la surface à copeaux peut avoir une qualité de surface Rz inférieure à 0,5, de préférence égale ou inférieure à 0,3 et notamment égale ou inférieure à 0,1. Suivant l'invention, la surface de la plaque coupante est nettoyée chimiquement à plusieurs reprises et non aux ultra-sons. Suivant l'invention, la couche de matériau dur est plus mince sur la surface à copeaux que sur la surface libre et la couche de matériau dur appliquée sur la surface libre a une épaisseur inférieure à 4 jm. Elle a une épaisseur inférieure à 3 Dm, de préférence une épaisseur de 2,5 à 1,5 Mm. La couche de matériau dur appliquée sur la surface à copeaux a une épaisseur inférieure à 4 Mm, de préférence une épaisseur inférieure à 3 Mm et notamment de 1,5 à 2,5 Mm. Suivant l'invention, dans la zone de transition entre la surface libre et la surface à copeaux, l'épais- seur de la couche de matériau dur est, dans la zone du tranchant, nettement réduite par rapport à l'épaisseur des couches voisines de la surface libre et de la surface à copeaux. La surface de la couche de matériau dur dans la zone de transition comporte une partie en forme de biseau qui est sensiblement perpendiculaire aux bissec- trices de l'angle formé par la surface libre et la surface à copeaux. Suivant l'invention, la durée de processus correspond à une épaisseur de couche de moins de 4 Dm. REVENDICATIONS 1. Plaque coupante en métal dur comportant une surface libre, une surface à copeaux et, dans la zone de transition entre la surface libre et la surface à co- peaux, un tranchant recouvert d'une mince couche de matériau dur qui contient du titane et de l'azote et qui est déposée par précipitation sur la surface libre, sur la surface à copeaux et dans la zone du tranchant, caractérisée en ce que la couche de matériau dur est une couche déposée par précipitation dans le procédé PVD et en ce que la couche de matériau dur n'est pas enlevée ultérieurement. 2. Plaque coupante selon la revendication 1, caractérisée en ce que le métal dur appartient à la qualité K du classement de 'ISO. 3. Plaque coupante selon la revendication 2, caractérisée en ce que le métal dur a un indice de qualité allant de K05 à K20. 4. Plaque coupante selon la revendication 3, caractérisée en ce que le métal dur à une qualité K10. 5. Plaque coupante selon la revendication 1, caractérisée en ce que la surface libre et/ou la surface à copeaux a une qualité de surface Rz inférieure à 0,5. 6. Plaque coupante selon la revendication 5, caractérisée en ce que la surface libre et/ou la surface à copeaux a une qualité de surface égale ou inférieure à 0,3. 7. Plaque coupante selon la revendication 6, caractérisée en ce que la surface libre et/ou la surface & copeaux a une qualité de surface égale ou inférieure à 0,1. 8. Plaque coupante selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle est une plaque coupante pour usinage de précision d'alésages. 9. Plaque coupante selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle est une plaque coupante pour alésoir pour découpe à une lame. 10. Plaque coupante selon la revendication 9, caractérisée en ce qu'elle est une plaque tournante. 11. Plaque coupante selon la revendication 1, caractérisée en ce que sa surface est nettoyée chimique- ment à plusieurs reprises. 12. Plaque coupante selon la revendication 11, caractérisée en ce que sa surface n'est pas nettoyée aux ultra-sons. 13. Plaque coupante selon la revendication 1, caractérisée en ce que la couche de matériau dur est plus mince sur la surface à copeaux que sur la surface libre. 14. Plaque coupante selon la revendication 1, caractérisée en ce que la couche de matériau dur appli- quée sur la surface libre a une épaisseur inférieure à 4 um. 15. Plaque coupante selon la revendication 14, caractérisée en ce qu'elle a une épaisseur inférieure à 3 gm. 16. Plaque coupante selon la revendication 15, caractérisée en ce qu'elle a une épaisseur de 2,5 à 1,5 mm. 17. Plaque coupante selon la revendication 1, caractérisée en ce que la couche de matériau dur appli- quée sur la surface à copeaux a une épaisseur inférieure à 4 gm. 18. Plaque coupante selon la revendication 17, caractérisée en ce qu'elle a une épaisseur inférieure à 3 Lm. 19. Plaque coupante selon la revendication 18, caractérisée en ce qu'elle a une épaisseur de i,5 à 2,5 gm. 20. Plaque coupante selon la revendication 1, caractérisée en ce que dans la zone de transition entre la surface libre et la surface à copeaux, l'épaisseur de la couche de matériau dur est, dans la zone du tranchant, nettement réduite par rapport à l'épaisseur des couches voisines de la surface libre et de la surface à copeaux. 21. Plaque coupante selon la revendication 20, caractérisée en ce que la surface de la couche de maté- riau dur dans la zone de transition comporte une partie en forme de biseau. 22. Plaque coupante selon la revendication 21, caractérisée en ce que la partie en biseau est sensible- ment perpendiculaire aux bissectrices de l'angle formé par la surface libre et la surface à copeaux. 23. Procédé pour la fabrication d'une plaque coupante en métal dur comportant une surface libre, une surface à copeaux et, dans la zone de transition entre la surface libre et la surface à copeaux, un tranchant recouvert d'une mince couche de matériau dur qui contient du titane et de l'azote et qui est déposée par précipita- tion sur la surface libre, sur la surface à copeaux et dans la zone du tranchant, caractérisé en ce que la plaque coupante (19) est traitée dans une installation PVD (Physical Vapour Deposition) temporairement sur une longueur égale pendant qu'une couche en matériau dur (23) en TiCN est appliquée sur sa surface de copeaux (12) et qu'une couche (22) est appliquée sur sa surface libre (13). 24. Procédé selon la revendication 23, caracté- risé en ce que la durée de processus correspond à une épaisseur de couche de moins de 4 Mm.