Les revêtements d'outils de coupe améliorent leurs propriétés de frottement et d'usure, 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 de coupe. Le défi majeur réside dans l'optimisation de quatre éléments : (i) le traitement des surfaces des outils de coupe avant et après revêtement ; (ii) les matériaux de revêtement ; (iii) les structures de revêtement ; et (iv) la technologie de traitement intégrée des outils de coupe revêtus.
sources d'usure des outils de coupe
Lors de l'usinage, plusieurs mécanismes d'usure se produisent dans la zone de contact entre l'outil et la pièce. Il s'agit notamment de l'usure par collage entre le copeau et la surface de coupe, de l'usure abrasive de l'outil par les aspérités de la pièce et de l'usure due aux réactions chimiques de frottement (réactions chimiques du matériau provoquées par l'action mécanique et les hautes températures). Ces contraintes de frottement réduisent la force de coupe et la durée de vie de l'outil, affectant ainsi principalement son rendement d'usinage.
Le revêtement de surface réduit les effets du frottement, tandis que le matériau de base de l'outil de coupe supporte ce revêtement et absorbe les contraintes mécaniques. L'amélioration des performances du système de frottement permet de réaliser des économies de 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 représente un facteur de coût important dans le cycle de production. Elle correspond notamment à la période pendant laquelle une machine peut fonctionner sans interruption avant qu'une maintenance ne soit nécessaire. Plus la durée de vie d'un outil de coupe est longue, plus les coûts liés aux interruptions de production sont faibles et moins la machine nécessite d'interventions de maintenance.
Même à des températures de coupe très élevées, la durée de vie de l'outil de coupe peut être prolongée grâce au revêtement, réduisant ainsi considérablement les coûts d'usinage. De plus, le revêtement de l'outil de coupe peut diminuer le besoin en fluides lubrifiants. Il permet non seulement de réduire les coûts des matériaux, mais aussi de protéger l'environnement.
Effet des traitements avant et après revêtement sur la productivité
Dans les opérations de coupe modernes, les outils de coupe doivent résister à des pressions élevées (> 2 GPa), à des températures élevées et à des cycles constants de contraintes thermiques. Avant et après le revêtement de l'outil, un traitement approprié est indispensable.
Avant le revêtement des outils de coupe, diverses méthodes de prétraitement peuvent être utilisées pour préparer l'outil au processus de revêtement ultérieur, tout en améliorant considérablement l'adhérence de ce dernier. Associée au revêtement, la préparation du tranchant permet également d'accroître la vitesse de coupe et l'avance, et d'allonger la durée de vie de l'outil.
Le post-traitement du revêtement (préparation des bords, traitement et structuration de la surface) joue également un rôle déterminant dans l'optimisation de l'outil de coupe, notamment pour prévenir une éventuelle usure prématurée due à la formation de copeaux (liaison du matériau de la pièce au bord de coupe de l'outil).
Considérations et choix du revêtement
Les exigences relatives aux performances des revêtements peuvent varier considérablement. 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. On attend des revêtements modernes qu'ils présentent également les caractéristiques suivantes : excellente tenue 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, une adhérence optimale du revêtement et une répartition adéquate des contraintes résiduelles sont deux facteurs déterminants. Premièrement, l'interaction entre le matériau du substrat et celui du revêtement doit être prise en compte. Deuxièmement, l'affinité entre le revêtement et le matériau à usiner doit être minimale. Le risque d'adhérence entre le revêtement et la pièce peut être considérablement réduit par l'utilisation d'une géométrie d'outil appropriée et le polissage du 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 des hautes températures de coupe, ces revêtements forment une couche mince et dense d'oxyde d'aluminium qui se renouvelle continuellement pendant l'usinage, protégeant ainsi le revêtement et le substrat sous-jacent de l'oxydation.
Les propriétés de dureté et de résistance à l'oxydation d'un revêtement peuvent être ajustées en modifiant sa teneur en aluminium et sa structure. Par exemple, en augmentant la teneur en aluminium, en utilisant des nanostructures ou un micro-alliage (c'est-à-dire un alliage avec de faibles proportions d'éléments), on peut améliorer la résistance à l'oxydation du revêtement.
Outre la composition chimique du matériau de revêtement, les modifications de sa structure peuvent avoir une incidence significative sur ses performances. Les performances des outils de coupe dépendent de la répartition des différents éléments au sein de la microstructure du revêtement.
De nos jours, plusieurs couches de revêtement individuelles de compositions chimiques différentes peuvent être combinées en une couche composite afin d'obtenir les performances souhaitées. Cette tendance va se poursuivre, notamment grâce à de nouveaux systèmes et procédés de revêtement, comme la technologie hybride HI3 (High Ionization Triple) par évaporation à l'arc et pulvérisation cathodique, qui combine trois procédés de revêtement à haute ionisation en un seul.
Les revêtements à base de titane-silicium (TiSi) offrent une excellente usinabilité. Ils conviennent à l'usinage d'aciers à haute dureté (jusqu'à HRC 65) et d'aciers à dureté moyenne (jusqu'à HRC 40), quelle que soit leur teneur en carbures. La structure du revêtement est modulable en fonction des applications d'usinage. Ainsi, les outils de coupe revêtus de TiSi permettent de travailler une large gamme de matériaux, des aciers fortement alliés et faiblement alliés aux aciers trempés et aux alliages de titane. Des essais de coupe de haute précision sur des pièces planes (dureté HRC 44) ont démontré que les outils revêtus peuvent quasiment doubler leur durée de vie et réduire la rugosité de surface d'un facteur 10.
Le revêtement à base de titane-silicium minimise le polissage ultérieur de la surface. Ces revêtements devraient être utilisés dans des procédés d'usinage à vitesses de coupe élevées, températures de coupe élevées et taux d'enlèvement de matière importants.
Pour certains autres revêtements PVD (notamment les revêtements micro-alliés), les entreprises spécialisées collaborent étroitement avec les transformateurs afin de rechercher et de développer diverses solutions de traitement de surface optimisées. Il est ainsi possible et concrètement possible d'améliorer significativement l'efficacité d'usinage, l'utilisation des outils de coupe, la qualité d'usinage et l'interaction entre le matériau, le revêtement et l'usinage. En s'associant à un partenaire spécialisé dans les revêtements, les utilisateurs peuvent optimiser l'utilisation de leurs outils tout au long de leur cycle de vie.
Date de publication : 7 novembre 2022