Les revêtements pour outils coupants améliorent les propriétés de frottement et d'usure des outils coupants, ce qui les rend essentiels aux opérations de coupe. Depuis de nombreuses années, les fournisseurs de technologies de traitement de surface développent des solutions de revêtement sur mesure pour améliorer la résistance à l'usure, l'efficacité d'usinage et la durée de vie des outils coupants. Ce défi unique réside dans l'attention et l'optimisation de quatre éléments : (i) le traitement avant et après revêtement des surfaces des outils coupants ; (ii) les matériaux de revêtement ; (iii) les structures de revêtement ; et (iv) la technologie de traitement intégrée des outils coupants revêtus.
Sources d'usure des outils de coupe
Lors de l'usinage, certains mécanismes d'usure se produisent dans la zone de contact entre l'outil et la pièce. Par exemple, l'usure liée entre le copeau et la surface de coupe, l'usure abrasive de l'outil par les points durs de la pièce, et l'usure due aux réactions chimiques de frottement (réactions chimiques du matériau provoquées par l'action mécanique et les températures élevées). Ces contraintes de frottement réduisent l'effort de coupe et la durée de vie de l'outil, ce qui affecte principalement son efficacité d'usinage.
Le revêtement de surface réduit l'effet de frottement, tandis que le matériau de base de l'outil de coupe soutient le revêtement et absorbe les contraintes mécaniques. L'amélioration des performances du système de frottement permet d'économiser de la matière et de réduire la consommation d'énergie, tout en augmentant la productivité.
Le rôle du revêtement dans la réduction des coûts de traitement
La durée de vie des outils de coupe est un facteur de coût important dans le cycle de production. Elle peut être définie, entre autres, comme le temps pendant lequel une machine peut être usinée sans interruption avant qu'une maintenance ne soit nécessaire. Plus la durée de vie des outils de coupe est longue, plus les coûts liés aux interruptions de production sont faibles et moins la machine a besoin de maintenance.
Même à des températures de coupe très élevées, le revêtement permet de prolonger la durée de vie de l'outil de coupe, réduisant ainsi considérablement les coûts d'usinage. De plus, le revêtement de l'outil de coupe réduit le besoin en fluides lubrifiants. Non seulement il réduit les coûts de matériaux, mais il contribue également à la protection de l'environnement.
Effet du traitement de pré- et post-revêtement sur la productivité
Dans les opérations de coupe modernes, les outils de coupe doivent supporter des pressions élevées (> 2 GPa), des températures élevées et des cycles constants de contraintes thermiques. Avant et après le revêtement, l'outil de coupe doit être traité selon un procédé approprié.
Avant le revêtement de l'outil de coupe, diverses méthodes de prétraitement peuvent être utilisées pour préparer le revêtement ultérieur, tout en améliorant considérablement l'adhérence du revêtement. En travaillant en conjonction avec le revêtement, la préparation de l'arête de coupe peut également augmenter la vitesse de coupe et l'avance, et prolonger la durée de vie de l'outil.
Le post-traitement du revêtement (préparation des bords, traitement de surface et structuration) joue également un rôle déterminant dans l'optimisation de l'outil de coupe, notamment pour éviter une éventuelle usure prématurée par formation de copeaux (liaison du matériau de la pièce sur le tranchant de l'outil).
Considérations et sélection du revêtement
Les exigences en matière de performance des revêtements peuvent être très variées. Dans des conditions d'usinage où la température de l'arête de coupe est élevée, la résistance à l'usure thermique du revêtement devient primordiale. Les revêtements modernes doivent également présenter les caractéristiques suivantes : excellente performance à haute température, résistance à l'oxydation, dureté élevée (même à haute température) et ténacité microscopique (plasticité) grâce à la conception de couches nanostructurées.
Pour des outils de coupe performants, l'optimisation de l'adhérence du revêtement et une répartition raisonnable des contraintes résiduelles sont deux facteurs déterminants. Premièrement, l'interaction entre le substrat et le revêtement doit être prise en compte. Deuxièmement, l'affinité entre le revêtement et le matériau à usiner doit être aussi faible que possible. Le risque d'adhérence entre le revêtement et la pièce peut être considérablement réduit en utilisant une géométrie d'outil adaptée et en polissant le revêtement.
Les revêtements à base d'aluminium (par exemple, AlTiN) sont couramment utilisés comme revêtements d'outils de coupe dans l'industrie de la découpe. Sous l'effet de températures de coupe élevées, ces revêtements peuvent former une fine couche dense d'oxyde d'aluminium qui se renouvelle continuellement pendant l'usinage, protégeant ainsi le revêtement et le substrat sous-jacent des attaques oxydatives.
La dureté et la résistance à l'oxydation d'un revêtement peuvent être ajustées en modifiant la teneur en aluminium et la structure du revêtement. Par exemple, l'augmentation de la teneur en aluminium, l'utilisation de nanostructures ou de microalliages (alliages à faible teneur en éléments) permettent d'améliorer la résistance à l'oxydation du revêtement.
Outre la composition chimique du matériau de revêtement, des modifications de sa structure peuvent affecter considérablement ses performances. Les performances des outils de coupe varient selon la répartition des différents éléments dans la microstructure du revêtement.
De nos jours, il est possible de combiner plusieurs couches de revêtement de compositions chimiques différentes pour obtenir une couche composite afin d'obtenir les performances souhaitées. Cette tendance se poursuivra à l'avenir, notamment grâce à de nouveaux systèmes et procédés de revêtement, tels que la technologie de revêtement hybride HI3 (High Ionization Triple) par évaporation à l'arc et pulvérisation cathodique, qui combine trois procédés de revêtement hautement ionisés en un seul.
Revêtements polyvalents, les revêtements à base de titane-silicium (TiSi) offrent une excellente usinabilité. Ces revêtements conviennent à l'usinage des aciers à haute dureté avec différentes teneurs en carbure (dureté à cœur jusqu'à HRC 65) et des aciers à dureté moyenne (dureté à cœur HRC 40). La structure du revêtement peut être adaptée aux différentes applications d'usinage. Ainsi, les outils de coupe revêtus à base de titane-silicium peuvent être utilisés pour la coupe et l'usinage d'une large gamme de matériaux, des aciers fortement et faiblement alliés aux aciers trempés et aux alliages de titane. Des essais de coupe de haute finition sur des pièces planes (dureté HRC 44) ont montré que les outils de coupe revêtus peuvent multiplier par près de deux leur durée de vie et réduire d'environ dix fois leur rugosité de surface.
Le revêtement à base de titane et de silicium minimise le polissage ultérieur de la surface. Ces revêtements sont destinés à des usinages nécessitant des vitesses de coupe élevées, des températures d'arête élevées et des taux d'enlèvement de matière élevés.
Pour d'autres revêtements PVD (notamment les revêtements micro-alliés), les entreprises de revêtement travaillent également en étroite collaboration avec les transformateurs afin de rechercher et de développer diverses solutions optimisées de traitement de surface. Ainsi, des améliorations significatives de l'efficacité d'usinage, de l'utilisation des outils de coupe, de la qualité d'usinage et de l'interaction entre le matériau, le revêtement et l'usinage sont possibles et applicables en pratique. En collaborant avec un partenaire de revêtement professionnel, les utilisateurs peuvent optimiser l'utilisation de leurs outils tout au long de leur cycle de vie.
Date de publication : 07/11/2022