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Outils de coupe – Quel est le revêtement adapté ?

Environ 95 % des arêtes de coupes des outils en carbure sont aujourd’hui dotés d’un revêtement. L’augmentation de la dureté de la surface améliore la résistance à l’usure de l’outil ; la réduction de la résistance au glissement grâce à des surfaces ultra-lisses réduit la tendance à l’adhérence ainsi que la formation d’arêtes rapportées. L’effet isolant du revêtement augmente la dureté à chaud. Par conséquent, il est possible d’atteindre des durées de vie d’outil sensiblement supérieures.

Deux procédés principaux permettent le revêtement des outils : le revêtement PVD (Physical Vapour Deposition) et le revêtement CVD (Chemical Vapour Deposition). 

Exemple : Revêtement AlTiN

Revêtements CVD

Le dépôt chimique en phase vapeur (CVD, Chemical Vapor Deposition) désigne une méthode permettant de fabriquer des revêtements à faible tension interne par le biais de réactions chimiques induites par un procédé thermique.  

Les matières premières pour le revêtement sont évaporées et acheminées à l’état gazeux vers la zone de revêtement. Le gaz est alors décomposé ou mis en réaction avec d’autres matières premières et se dépose ensuite sous la forme d’un film mince sur le substrat. Ce procédé peut se produire sous vide ou sous la pression atmosphérique.  

Pour créer des réactions en surface, des températures de substrat jusqu’à 1000 degrés sont requises. Ces procédés peuvent être soutenus par un plasma qui augmente la vitesse de réaction, pouvant entraîner la baisse de la température du revêtement.   

Le procédé CVD est employé pour déposer des revêtements d’une épaisseur de 5 à 12 µm, parfois jusqu’à 20 µm. Parmi les matériaux utilisés : TiC, TiCN, TiN et l’oxyde d’aluminium (Al203). Les revêtements peuvent être appliqués en une ou plusieurs couches. 

Propriétés du revêtement CVD

  • Tensions internes réduites du revêtement
  • Excellente adhérence des couches 
  • Grande résistance
  • Finition possible jusqu’à 20 µm
  • Très bonne homogénéité du revêtement
  • Possibilité de revêtement interne et de géométries complexes
  • Excellente action de bouclier thermique avec des couches plus épaisses
  • Lors des opérations de tournage et de fraisage de la fonte, il est possible d’atteindre des vitesses de coupe qui ne sont possibles, autrement, qu’avec la céramique.
  • Les températures de processus élevées induisent la fragilisation du substrat de carbure et réduisent ainsi la ténacité de l’arête de coupe.
  • Les revêtements épais de 20 µm entraînent des arrondis et réduisent ainsi l'acuité de l’arête de coupe. 

Revêtement diamant

Le revêtement diamant est une forme spécifique de revêtement CVD : Pour cela, l’hydrogène gazeux introduit est séparé en radicaux d’hydrogène, soit par des températures élevées (2000 degrés Celsius), soit par l’allumage du plasma. Ces radicaux réagissent alors avec le gaz à base de carbone également introduit (souvent du méthane, CH4), entraînant l’accumulation de carbone sur la surface du substrat. Si les paramètres du procédé adaptés sont respectés, ce carbone se déposera sous la forme cristalline du diamant. Les revêtements diamantés conviennent parfaitement à l’usinage de matériaux fortement abrasifs, comme le graphite ou des composants CFK.

Champs d’application CVD

Les revêtements CVD sont le premier choix s’agissant de la résistance à l’usure, comme pour les opérations générales de tournage des aciers inoxydables et les opérations de perçage dans l’acier, où les revêtements CVD épais offrent une résistance à l’usure en cratère. Il en va de même pour les nuances de fraisage ISO P, ISO M et ISO K. Pour le perçage à plaquettes, les nuances CVD sont normalement utilisées dans l’arête de coupe extérieure. 

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Revêtements PVD

Contrairement aux procédés CVD, les procédés PVD s’appuient sur l’impact purement physique. Il s’agit d’une vapeur de matière qui se condense à la surface du substrat. Afin que les particules de vapeur atteignent les composants et ne se perdent pas par diffusion sur les particules de gaz ambiant, le processus est réalisé sous-vide. Comme le procédé de fabrication PVD se déroule à des températures inférieures, de 400 à 600 degrés Celsius, les propriétés du matériau de base sont moins affectées qu’avec le procédé CVD. Par conséquent, la ténacité des carbures spéciaux à grain fin est largement conservée.

Avec le revêtement PVD, on distingue principalement quatre types de revêtement : évaporation, pulvérisation cathodique, évaporation par arc et placage ionique. La pulvérisation est la méthode la plus fréquente. Avec les différents types de PVD, presque tous les métaux ainsi que le carbone peuvent être déposés sous une forme très pure. Si des gaz réactifs tels que l’oxygène, l’azote ou les hydrocarbures sont ajoutés au procédé, les oxydes, les nitrures ou les carbonures peuvent également être isolés.

Propriétés PVD

  • Grande pureté des couches
  • Influence thermique du substrat réduite – La ténacité est maintenue
  • Matériaux de revêtement au choix
  • Tolérance d’épaisseur de couche réduite
  • Excellente adhérence (également sur des couches intermédiaires supplémentaires)
  • Par comparaison au CVD, épaisseurs de revêtement faibles 

Champs d’application PVD

Les nuances avec revêtement PVD sont recommandées pour les matériaux adhésifs, en raison de leurs arêtes de coupe tenaces mais affutées. Les champs d’application incluent toutes les fraises et tous les forets en carbure monobloc ainsi que la majorité des nuances pour le rainurage, le taraudage et le fraisage. En outre, les nuances avec revêtement PVD sont majoritairement utilisées pour la finition, et comme nuance pour l'arête de coupe centrale lors du perçage à plaquettes. 

Multicouche

Si une ténacité élevée est requise, un revêtement multicouche représente une solution adaptée. Au cours de ce procédé, jusqu’à 2000 couches individuelles sont appliquées, chacune d’entre elles n’ayant que quelques nanomètres d’épaisseur. La structure multicouche empêche l’apparition de fissures vers l’intérieur pendant l’usinage. L'écaillage à cause de matériau rapporté ne pénètre pas aussi rapidement que dans un revêtement mono-couche. Les revêtements multi-couches permettent alors d’atteindre des durées de vie supérieures. Outre la structure du revêtement, la couche supérieure (Toplayer) est primordiale. Les métaux non ferreux, en particulier, ont tendance à former des arêtes rapportées, augmentant les forces et les températures de coupe, et donc l’usure de l’outil. Ce problème est minimisé grâce à des couches supérieures à faible friction. 

Quel est le matériau de coupe adapté ?

Avec le revêtement CVD, on utilise généralement le TiC, le TiCN, le TiN et l’oxyde d’aluminium (Al203). Avec les différents types de PVD, presque tous les métaux ainsi que le carbone peuvent être déposés. Pour vous orienter, voici un aperçu des propriétés des composés les plus courants :

TiN : Revêtement en nitrure de titane

  • Revêtement standard le plus utilisé et à usage universel
  • Composé chimique à base de titane et d’azote
  • Nanodureté : jusqu’à 24 Gigapascals (GPa)
  • Épaisseur du revêtement : 1-7 μm
  • Coefficient de friction : 0,55 μ
  • Température d’utilisation : 600 °C
  • Application : Acier (N/mm²) < 900, laiton et fonte
  • Dans l'aluminium uniquement, où les outils ne peuvent pas être changés et avec une lubrification par arrosage forcé
  • Le refroidissement par arrosage est recommandé
  • Durée de vie trois à quatre fois supérieure par rapport aux outils sans revêtement

TiAlN : Revêtement en nitrure de titane aluminium

  • Revêtement polyvalent
  • En fonction de l’application, des durées de vie jusqu’à dix fois plus élevées
  • Résistance élevée à l’échauffement et à l’oxydation
  • Pour une vitesse de coupe élevée
  • Composé chimique à base de titane, d'aluminium et d'azote
  • Nanodureté : jusqu’à 35 Gigapascals (GPa)
  • Épaisseur du revêtement : 1-4 μm
  • Coefficient de friction : 0,5 μ
  • Température d’utilisation : 800 °C
  • Application : Acier (N/mm²) < 1 100, acier inoxydable, alliages de titane, fonte, aluminium, laiton, bronze et plastique
  • Lubrification/refroidissement non obligatoire

AlTiN : Revêtement en aluminium nitrure de titane

  • En fonction de l’application, des durées de vie jusqu’à quatorze fois plus élevées
  • Résistance très élevée à l’échauffement et à l’oxydation
  • Composé chimique à base d’aluminium, titane et d’azote
  • Nanodureté : jusqu’à 38 Gigapascals (GPa)
  • Épaisseur du revêtement : 1-4 μm
  • Coefficient de friction : 0,7 μ
  • Température d’utilisation : 900 °C
  • Application : Acier (N/mm²) < 1 300, acier inoxydable
  • Lubrification/refroidissement non obligatoire

TiCN : Revêtement en carbonitrure de titane

  • En fonction de l’application, des durées de vie de quatre à cinq fois plus élevées
  • Dureté très élevée et à la fois grande ténacité
  • Composé chimique à base de titane, carbone et d’azote
  • Nanodureté : jusqu’à 32 GPa
  • Épaisseur du revêtement : 1-4 μm
  • Coefficient de friction : 0,2 μ
  • Température d’utilisation : 400 °C
  • Application : Acier (N/mm²) < 1 300, acier inoxydable
  • Le refroidissement est requis à des températures de coupes plus élevées