Brevet FR2708001A1 — publié le 19950127

OUTIL REVETU A DUREE DE VIE ALLONGEE La présente invention concerne un outil qui est revêtu par un procédé sous vide au moins aux emplacements exposés à l'usure. Les outils destinés à l'usinage et au façonnage de matériaux tels que des métaux, mais aussi des matières plastiques, sont fréquemment revêtus afin d'accroître leur durée de vie et d'améliorer les conditions d'usinage. Pour le revêtement, on emploie des procédés connus, par exemple le dépôt chimique en phase vapeur, ou CVD, ou le dépôt physique en phase vapeur, ou PVD. On forme ainsi des couches de matière dure qui sont habituellement constituées de nitrures, de carbures ou/et de carbonitrures des métaux suivants: le titane, le hafnium et le zirconium ainsi que de leurs alliages. Les possibilités d'utilisation de tels outils revêtus sont par exemple mentionnées dans les documents suivants: Proceedings of the 13th Plansee- Seminar, Plansee, Mai 1993 et Proceedings of the 20th International Conference on Metallurgical Coatings, San Diego, avril 1993). Lors de l'usinage de certains matériaux, ces couches n'ont cependant pas toujours atteint le résultat souhaité, en particulier lorsqu'elles tendent à la formation d'arêtes rapportées. Ceci concerne d'une part des matériaux à forte tendance au grippage, par exemple des alliages d'aluminium ou de titane, ou des matériaux à forte tendance à l'écrouissage, par exemple des aciers inoxydables austénitiques ou du laiton. La nature des dommages dépend du type d'outil. Dans le cas d'outils d'usinage à enlèvement de copeaux, on observe une formation d'arêtes rapportées qui mène d'une part à une usure par frottement accrue lors de l'arrachement et qui d'autre part influence négativement la qualité de la pièce à traiter. Dans le cas d'outils de façonnage, on observe que l'on perd, par des effets de graissage, l'intérêt en réduction de friction recherché par l'emploi du revêtement en matériau dur. Avec des outils qui ne seraient pas adaptés à de telles opérations s'ils n'étaient pas revêtus, ceci conduit par exemple à des défaillances surtout par rupture ou, avec d'autres outils, à une durée de vie plus brève, à des travaux plus fréquents de nettoyage et d'entretien ainsi qu'à une moindre qualité de la pièce à traiter. Afin de réduire ou de résoudre ces problèmes, on a souvent recherché, comme pour les outils non revêtus, à améliorer le graissage d'une manière connue. Des huiles ou des émulsions sont par exemple améliorées en développant des liquides de coupe compatibles avec les nitrures de titane. De plus, on prévoit des modifications d'équipement sur la machine ou de nouvelles configurations des outils afin d'améliorer l'adduction de matière lubrifiante. On envisage également, en particulier dans le cas de l'estampage et de l'étirage profond, un traitement préalable de la substance. Mais ces possibilités sont déjà fortement épuisées et d'autres possibilités sont de plus en plus limitées en raison des efforts qui tendent vers des procédés de fabrication favorables à l'environnement. Les possibilités de développer de nouvelles améliorations des matériaux durs sont également limitées. Depuis l'introduction des revêtements améliorés au carbonitrure de titane, aucun progrès important n'a été atteint. Les couches de glissement utilisées habituellement dans la fabrication de machines, par exemple le disulfure de molybdène et le carbone de type diamant ne se sont cependant pas révélés intéressantes pour les outils de coupe. On trouve de façon répétée que des revêtements de ce type ne présentent aucune résistance satisfaisante à l'abrasion et que leur résistance au cisaillement est elle aussi insuffisante. L'outil revêtu s'use beaucoup trop rapidement et on n'observe aucun effet sur la durée de vie qui vaille d'être mentionné. Il a également été proposé de résoudre le problème à l'aide de couches multiples, par exemple dans lés brevets EP 0 170 359 et FR 2 596 775. Dans le brevet FR 2 596 775, il est proposé de pourvoir un outil d'une couche de nitrure de titane et de lui superposer une couche finale composée de carbones I. La solution proposée est inadaptée au revêtement d'outils de coupe parce que le dépôt de couche n'est possible qu'à des températures assez basses, typiquement à 200 degrés Celsius. En outre, les couches déposées à ces températures faibles n'offrent pas une adhérence satisfaisante pour des outils de coupe. Dans le brevet EP O 170 359, il est proposé de revêtir l'outil de paquets multicouches très minces. Mais dès lors que ceux-ci sont usés, les couches de revêtement de la surface d'outil sont différentes dans les différentes zones. Il en résulte en pratique différents problèmes. La surface que cette invention cherche à réaliser ne s'applique qu'aux zones pour lesquelles l'usure provoque un lissage plan. Tel n'est cependant pas le cas en règle générale dans des outils. L'usure se produit sensiblement par un enlèvement de matière en oblique à partir de l'arête de coupe. Les couches ne sont donc pas rendues planes mais au contraire meulées en oblique par l'outil ou par le copeau. Des couches multiples tendent à des exfoliations dans ces conditions, c'est-à-dire que l'on observe, soit une défaillance interlamellaire, soit une défaillance de cohésion dans les couches qui doivent exécuter la fonction de lubrification car la résistance à la traction de ces substances est insuffisante. Il en résulte une surface plane ou en escalier, qui est constituée presque exclusivement de matériaux durs. Les solutions proposées n'ont pas mené aux résultats souhaités. Dans le brevet EP O 394 661 est décrite l'utilisation de couches de réduction de friction à teneur en carbone. Ce document ne décrit aucun système de couche à propriétés particulièrement bonnes pour des utilisations spéciales pour outils. Le but de la présente invention est d'éviter les inconvénients de l'état de la technique. En particulier, pour des outils d'usinage qui tendent à former des arêtes rapportées, il convient de proposer un système de couches qui offre une durée de vie accrue, accompagnée d'une qualité d'usinage élevée et d'une économie élevée du procédé de revêtement. Ce but est atteint par un outil du type décrit dans l'introduction qui est caractérisé en ce que le revêtement se compose d'au moins une couche de matériau dur appliquée sur la pièce à traiter et d'au moins une couche externe de réduction de friction superposée à la précédente et en ce que la granulométrie moyenne de chaque couche est inférieure à 1 pm. La granulométrie moyenne de la couche de réduction de friction peut être notamment inférieure à 0,1 pm. De façon avantageuse, la couche de matériau dur présente une contrainte interne de compression est supérieure à 0,2 gigapascal. De préférence, la couche de matériau dur se compose d'un carbure métallique et/ou d'un nitrure métallique et/ou d'un carbonitrure métallique de l'un des métaux suivants: le titane, le hafnium ou le zirconium et/ou un de leurs alliages avec d'autres métaux et la base de la couche de réduction de friction est une base carbonée, par exemple des mélanges de carbures métalliques avec du carbone. Dans ce cas, la proportion de carbone dans la couche de réduction de friction est, de façon avantageuse, supérieure à 61 %. Le carbure métallique de la couche de réduction de friction peut être notamment formé à partir d'au moins l'un des métaux suivants: le chrome, le silicium ou le titane, et notamment le tungstène. L'épaisseur de la couche de réduction de friction peut être notamment voisine de 1/3 de l'épaisseur de la couche de matériau dur et être notamment comprise dans la plage de 0,12 pm à 1,6 pm. Dans ce cas, l'épaisseur de la couche de matériau dur est de préférence comprise dans la plage de 1,1 pm à 8 pm. La présente invention propose donc, en particulier, de revêtir l'outil d'une couche de matériau dur et ensuite d'une couche de réduction de friction. Le revêtement s'effectue grâce à des procédures d'évaporation sous vide connues telles que le procédé de dépôt physique en phase vapeur, plus particulièrement, par exemple par évaporation, dépôt ionique ou pulvérisation cathodique. La composition de couche souhaitée est obtenue de manière connue par adduction de gaz réactifs dans le processus. Il est évidemment possible aussi de mélanger plusieurs des processus indiqués. Des couches de matériaux durs en carbures métalliques, en nitrures métalliques ou en carbonitrures ou en formes mélangées de ceux-ci sont particulièrement adaptées. L'harmonisation précise des paramètres de couche dépend des cas individuels, et de bons résultats ont été par exemple obtenus lorsque l'épaisseur de la couche de matériau dur est d'environ 4 pm pour des forets hélicoïdaux, de 3 pm pour le fraisage d'arbres et de 6 pm pour l'estampage de trous. Il est également possible de choisir des épaisseurs de couches moindres dans certains cas pour des raisons économiques ou des raisons de technique de procédé, mais celles-ci ne doivent pas être inférieures à 1,1 pm. Le choix du composé ou de l'alliage de la couche de matériau dur peut être réalisé par des considérations connues, par exemple l'addition d'aluminium, de silicium ou de zirconium dans un alliage, afin d'augmenter la résistance à la température ou, selon un autre exemple, l'utilisation de carbonitrures pour augmenter la dureté. Pour la couche de réduction de friction, une épaisseur de couche sensiblement moindre est nécessaire. Il est généralement approprié de choisir une épaisseur de couche à peu près égale au tiers de l'épaisseur de la couche de matériau dur Il en résulte une plage pratique de 0,12 à 1,6 pm. Des couches qui sont fondées sur une base carbonée constituent une matière particulièrement adaptée pour la couche de réduction de friction. En particulier, des mélanges de carbures et de carbone, par exemple de carbure de tungstène et de carbone (WC/C) o la proportion totale de carbone est supérieure à 61 % en valeur atomique sont particulièrement adaptées. Mais d'autres carbures, comme par exemple les carbures de chrome, de silicium et de titane sont eux aussi adaptés, et leurs mélanges sont possibles. Les procédés de production de telles couches considérées en soi sont connus, par exemple par référence au brevet EP O 394 661 qui est intégré à ce titre dans la présente demande. Dans ce type de matière de réduction de friction, la granulométrie moyenne typique est inférieure à 0,1 pm lors de l'emploi d'un procédé correspondant de dépôt physique en phase vapeur. Comme la couche de matériau dur et la couche de réduction de friction sont l'une et l'autres produites par un procédé de dépôt physique en phase vapeur, elles peuvent être réalisées dans la même installation de façon simple et économique et avec un résultat particulièrement intéressant. Evidemment, des couches multiples ou des couches alternées peuvent être prévues selon l'utilisation. On va maintenant expliquer l'invention à l'aide d'exemples. Exemple 1 On compare des fraiseuses finisseuses d'un diamètre de 16 mm en acier à coupe rapide S6-5-2 d'une géométrie ISO 16541/1 du type N.0110. On usine à l'aide de fraiseuses raboteuses un alliage d'aluminium Avional 100 (AlCuMgl) complètement vielli. Les conditions de coupe choisies sont les suivantes: vitesse de coupe 240 m/min; Avance 0,3 mm/dent; profondeur d'encoche 16 mm. Trois échantillons sont examinés a) Sans revêtement RA = 4,1 pm b) Revêtement 3 pm TiN RA = 9,1 pm c) Revêtement 2,3 pm WC/C RA = 2,1 pm d) Revêtement 3 pm TiN + 1,0 pm WC/C (72%C at) RA = 2,1 pm (RA: valeur de rugosité moyenne) L'échantillon c) qui est revêtu de WC/C perd en 10 minutes ses avantages par rapport aux fraises non revêtues par usure de la couche à la surface libre, c'est-à-dire que la couche a été enlevée, ce qui conduit à une valeur de rugosité moyenne de 4,1 pm. La valeur de rugosité de l'échantillon B qui n'est revêtu que de nitrure de titane est certes supérieure à celle de l'échantillon non revêtu A. On compare la qualité superficielle de la pièce à traiter, ce qui est exprimé en termes de rugosité moyenne. Dans un quatrième essai d), les mêmes fraises sont revêtues en premier lieu de 3 pm de TiN et ensuite d'une couche superposée de 1,0 pm de WC/C. Le pourcentage atomique total en carbone de la couche superposée est de 72 %. Les fraises ainsi revêtues atteignent aussi une qualité superficielle de 2,1 pm, comme l'échantillon c) revêtement simple en WC/C. Mais la durée de vie qui peut êtré atteinte en gardant cette qualité superficielle améliorée s'élève à minutes, ce qui représente un accroissement spectaculaire. Exemple 2 Au cours d'un autre essai, on évalue l'alésage dans un acier inoxydable. On utilise un foret hélicoïdal d'un diamètre de 6 mm en acier à coupe rapide 42. On choisit comme usinage l'alésage de trous borgnes d'une profondeur de 30 mm dans de l'acier inoxydable AISI 316. La vitesse de coupe est de 6 m/min et l'avance et de 0,05 mm par tour. Lot Matières Procédé Epaisseur de Durée de de couche couche (pm) vie (trou) A aucune 50 B Ti(C,N) Plasma ionique H 5 90 C TiN+WC/C Plasma ionique H 3 80 (55at%C) Pulvérisation CVD 2 D (Ti,Al)N Pulvérisation 5 70 cathodique E (TiAlV6)N Pulvérisation 3,5 140 +CrC/C cathodique (70at%C) Pulvérisation CVD 1,5 F TiN+WC/C Plasma ionique H 5 100 (65at%C) Pulvérisation CVD 0,1 On désigne par plasma ionique H dans le tableau ci- dessus le dépôt ionique par rayonnement plasma à courant élevé. Le lot A n'est pas revêtu et sa durée de vie est de trous. Le lot B est revêtu de TiC ou de TiN par dépôt ionique, par rayonnement plasma à courant élevé, d'une épaisseur de couche de 5 pm, et sa durée de vie est de 90 trous. Le lot C est revêtu d'une couche de matériau dur en nitrure de titane par dépôt ionique, par rayonnement plasma à courant élevé, et d'une couche superposée de WC/C à pourcentage atomique de carbone de 55%, déposée par pulvérisation par dépôt chimique à phase vapeur, ou CVD. L'épaisseur de la couche de matériau dur est de 3 pm et celle de la couche de WC/C est de 2 pm, et la durée de vie est de 80 trous. Le lot D est revêtu par pulvérisation cathodique de (Ti,Al)N et la durée de vie est de 70 trous. Seul le système à couches selon l'invention des lots E et F présente un accroissement sensible de la durée de vie avec une bonne qualité de coupe. Pour le lot E, on dépose par pulvérisation cathodique une couche de matériau dur d'une épaisseur de 3,5 pm en (TiAlV6)N et on lui superpose par pulvérisation par dépôt chimique en phase vapeur une couche de réduction de friction d'une épaisseur de 1,5 pm en CrC/C à pourcentage atomique de carbone de 70%, et ceci conduit à une durée de vie de 140 trous. Le deuxième système de couche selon l'invention F se compose d'une couche de matériau dur d'une épaisseur de 5 pm en TiN déposée par dépôt ionique, par rayonnement plasma à courant élevé, et d'une couche de WC/C d'une épaisseur de 0,1 Pm à pourcentage atomique de carbone de 55% qui lui est superposée par pulvérisation par dépôt chimique en phase vapeur. Ce système offre une durée de vie de 100 trous. Exemple 3 Dans une autre série d'essais, on étudie l'usinage du laiton. On utilise des alésoirs de canaux de refroidissement en métal dur K40 d'un diamètre de 3 mm et on perce des trous en continu dans du laiton CuZn37. Les conditions de coupe sont: vitesse de coupe 140 m/min; avance 0,1 mm par tour; les résultats suivants sont atteints Lot Matières Procédé Epaisseur de Durée de de couche couche(Vm) vie(trou) A TiN Plasma ionique H 2 360.000 B TiN+WC/C Plasma ionique H 3 520.000 (63atC) Pulvérisation CVD 0,1 C TiN+ WC/C Plasma ionique H 4 510.000 (72at%C) Pulvérisation CVD 1 On désigne par plasma ionique H dans le tableau ci- dessus, comme plus haut, le dépôt ionique par rayonnement plasma à courant élevé. L'alésoir selon le lot A qui ne porte qu'une couche de matériau dur en TiN d'une épaisseur de couche de 2 pm n'atteint qu'rune durée de vie de 360.000 trous. Pour le lot B qui porte le revêtement selon l'invention de 2 pm de TiN et de 0,1 pm WC/C à pourcentage atomique de 63% en C, la durée de vie atteinte est de 520.000 trous. Pour le lot C qui porte lui aussi le revêtement selon l'invention, c'est- à-dire 4 pm TiN et 1 pm WC/C à pourcentage atomique en carbone de 72%, la durée de vie atteinte est de 510.000 trous. On voit à partir de l'exemple précédent que le système de couches selon l'invention apporte un allongement sensible de la durée de vie, en d'autres termes de la capacité quantitative de production de l'outil. REVENDICATIONS 1. Outil revêtu par un procédé sous vide au moins aux emplacements exposés à l'usure, caractérisé en ce que le revêtement se compose d'au moins une couche de matériau dur appliquée sur la pièce à traiter et d'au moins une couche externe de réduction de friction superposée à la précédente et en ce que la granulométrie moyenne de chaque couche est inférieure à 1 Pm. 2. Outil selon la revendication 1, caractérisé en ce que la granulométrie moyenne de la couche de réduction de friction est inférieure à 0,1 pm. 3. Outil selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la couche de matériau dur présente une contrainte interne de compression supérieure à 0,2 gigapascal. 4. Outil selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que la couche de matériau dur se compose d'un carbure métallique et/ou d'un nitrure métallique et/ou d'un carbonitrure métallique de l'un des métaux suivants: le titane, le hafnium ou le zirconium et/ou un de leurs20 alliages avec d'autres métaux et en ce que la base de la couche de réduction de friction est une base carbonée, par exemple des mélanges de carbures métalliques avec du carbone. 5. Outil selon la revendication 4, caractérisé en ce que la proportion de carbone dans la couche de réduction de friction est supérieure à 61 *. 6. Outil selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que le carbure métallique de la couche de réduction de friction est formé à partir d'au moins l'un30 des. métaux suivants: le chrome, le silicium ou le titane, et notamment le tungstène. 7. Outil selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche de réduction de friction est voisine de 1/3 de l'épaisseur de la couche de matériau dur et est notamment comprise dans la plage de 0,12 pm à 1,6 pm. 8. Outil selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche de matériau dur est comprise dans la plage de 1,1 pm à 8 pm.