Carbure de tungstène cémenté Exploration complète des propriétés physiques et chimiques, des processus et des applications ( XI )

Partie 4 : Classification et domaines d’application du carbure cémenté

Chapitre 11 Outils de coupe en carbure et traitement 

11.0 Outils de coupe en carbure et traitement

11.0.1 Qu’est-ce que la coupe ?

L’usinage est un processus essentiel de l’usinage. Il consiste à utiliser des outils pour découper les excédents de matière afin d’obtenir la forme, la taille et la qualité de surface souhaitées. L’usinage repose sur l’affûtage de l’outil et la déformation plastique ou cassante du matériau. Il élimine progressivement la couche de matière grâce à des forces telles que le cisaillement, l’extrusion et la friction. L’usinage implique généralement une rotation ou un mouvement d’avance à grande vitesse, produisant des copeaux et présentant des propriétés physiques différentes selon qu’il s’agit de métaux (acier, fonte) ou de matériaux non métalliques (matériaux composites). L’efficacité et la qualité de l’usinage dépendent directement du matériau de l’outil, des paramètres géométriques, des paramètres de coupe (vitesse, avance, profondeur de passe), ainsi que de la dureté et de la ténacité du matériau de la pièce. Outil essentiel de l’usinage, les outils de coupe en carbure cémenté ont considérablement amélioré la précision de coupe, l’efficacité et la durée de vie de l’outil grâce à leurs excellentes performances, et sont devenus indispensables à l’industrie manufacturière moderne.

1.0.2 Que sont les outils de coupe en carbure ?

Les outils de coupe en carbure cémenté sont des outils de coupe fabriqués à partir de carbure cémenté. Ils sont largement utilisés pour l’usinage des métaux, l’usinage des matériaux non métalliques et l’usinage des matériaux composites. Grâce à leurs excellentes propriétés mécaniques et à leur durabilité, ils sont devenus un équipement essentiel de la fabrication moderne. Le carbure cémenté est un matériau composite composé de carbure (tel que le carbure de tungstène WC, le carbure de titane TiC , le carbure de tantale TaC ) comme phase dure et de métal (tel que le cobalt Co, le nickel Ni) comme phase de liaison, grâce à des procédés avancés de métallurgie des poudres (mélange, pressage, frittage et post-traitement). Son procédé de préparation implique un dosage précis de matières premières de haute pureté, un frittage à haute température (1400-1600 °C) sous vide ou sous atmosphère inerte, ainsi qu’un usinage de précision ou un traitement de revêtement pour garantir l’uniformité du matériau et la stabilité des performances. Ses excellentes performances se reflètent principalement dans les aspects clés suivants :

Excellentes performances des outils de coupe en carbure cémenté – dureté élevée

La plage de dureté est HV 1600-2500 (±30), ce qui est beaucoup plus élevé que l’acier rapide traditionnel (HV 800-900) ou l’acier à outils (HV 600-700). Cette caractéristique lui permet de couper efficacement une variété de matériaux à haute dureté, y compris les aciers (tels que l’acier au carbone Q235 HV 150-250±10, l’acier allié 40Cr HV 200-400±10), les fontes (telles que la fonte grise HT200 HV 150-220±10, la fonte ductile QT500 HV 200-250±10), ainsi que les matériaux difficiles à usiner (tels que l’alliage de titane TC4 HV 300-400±10, l’alliage à base de nickel Inconel 718 HV 400-500±10) et les matériaux ultra-durs (tels que le diamant polycristallin PCD HV >5000±50). Cette dureté élevée maintient la stabilité du tranchant lors de la coupe à grande vitesse, évite le désalignement géométrique dû à l’usure et prolonge considérablement la durée de vie de l’outil (jusqu’à des centaines d’heures dans des conditions de travail appropriées), le rendant particulièrement adapté aux tâches de coupe de haute précision et continues.

Excellentes performances des outils de coupe en carbure cémenté – excellente ténacité

La ténacité à la rupture ( K ₁ c ) est de 10 à 20 MPa·m¹ / ² ( ± 0,5), et un équilibre dynamique entre dureté et ténacité est obtenu en ajustant la teneur en cobalt de la phase liante (généralement 6 à 20 %) ou en ajoutant des traces d’éléments de terres rares (tels que Ce, La). Cette propriété de ténacité lui permet de résister aux chocs à haute fréquence, aux vibrations et aux contraintes thermiques pendant le processus de coupe, en particulier lors de coupes intermittentes (comme l’usinage de la fonte ou de pièces présentant des interstices), d’usinages à fortes charges (comme le perçage de trous profonds) ou de conditions de chargement intermittent. De plus, en optimisant la granulométrie (0,5 à 2 μ m ) ou en introduisant des carbures nanométriques, la résistance du matériau à la propagation des fissures est encore améliorée, garantissant l’intégrité structurelle de l’outil dans des conditions de travail complexes.

Excellentes performances des outils de coupe en carbure cémenté – résistance à l’usure

Le taux d’usure est inférieur à 0,05 mm³/N·m (± 0,01 mm³/N· m) . Grâce à la dureté élevée des carbures et à la lubrification de la phase liante, l’outil conserve ses performances de coupe après une coupe prolongée (durée de vie > 10 h ± 1 h, jusqu’à 50 à 100 h selon les conditions d’utilisation). Les outils en carbure cémenté présentent une excellente résistance à l’usure, notamment à grande vitesse (1 000 à 2 000 m/min ± 10 m/min) ou en présence de particules dures (telles que des abrasifs pour meules, de la poudre céramique). Cette résistance à l’usure résulte de l’effet synergique de la structure dense du matériau (densité > 98 % de la valeur théorique) et du revêtement de surface (tel que TiN ). Al₂O₃ , TiAlN , épaisseur 5-25 μ m ) , et est largement utilisé dans les scénarios de traitement à forte charge tels que le fraisage, le perçage et le tournage à grande vitesse.

Excellentes performances des outils de coupe en carbure cémenté – autres avantages en termes de performances

Outre les caractéristiques essentielles mentionnées ci-dessus, les outils de coupe en carbure cémenté présentent également une excellente résistance à l’oxydation à haute température (résistance à 800-1000 °C), un faible coefficient de dilatation thermique (environ 4,5-6,0 × 10⁻⁶ /°C) et une bonne stabilité chimique (résistance à la corrosion acide et alcaline). Ces caractéristiques leur permettent de s’adapter à divers environnements de traitement, de la température ambiante aux températures élevées (300-800 °C), et sont particulièrement adaptés à l’aérospatiale (comme le traitement des alliages de titane), à l’énergie (comme les lames en alliage haute température) et à l’électronique (comme le micro-usinage de haute précision). De plus, grâce aux technologies de fabrication modernes (comme le pressage isostatique à chaud HIP et le traitement de surface au laser), les défauts internes de l’outil (tels que les pores et les fissures) sont efficacement réduits, améliorant ainsi sa durée de vie et sa fiabilité.

Application et développement d’outils de coupe en carbure cémenté

Les outils de coupe en carbure cémenté sont utilisés dans une grande variété de pièces telles que l’acier, la fonte, les matériaux difficiles à usiner, les métaux non ferreux, les matériaux composites et les matériaux extra-durs. Ils sont largement utilisés dans l’industrie automobile (pièces de moteur, par exemple), l’aérospatiale (disques de turbine, par exemple), le moulage (outils d’emboutissage, par exemple) et l’électronique ( perçage de circuits imprimés, par exemple). Avec l’essor de l’Industrie 4.0 et de la fabrication intelligente, les outils en carbure cémenté évoluent vers des performances élevées (revêtements nanométriques, matériaux à gradient, par exemple) et l’intelligence artificielle, notamment grâce à des capteurs intégrés permettant de surveiller l’usure ou d’optimiser les paramètres de coupe grâce à l’IA, pour une efficacité accrue et des besoins plus complexes.

11.0.3 Quels sont les outils de coupe en carbure cémenté ?

Les outils de coupe en carbure sont des outils de coupe fabriqués à partir de carbure cémenté. Grâce à leur excellente dureté, résistance à l’usure et ténacité, ils sont largement utilisés dans l’usinage des métaux et des non-métaux. Ces outils répondent à des besoins variés, de l’usinage général aux conditions de travail complexes et de haute précision, grâce à une conception précise, des procédés de traitement de surface avancés et une optimisation géométrique. Voici les principaux types d’outils de coupe en carbure, leurs caractéristiques, leurs applications et leurs technologies d’optimisation, expliqués de manière exhaustive et détaillée , en lien avec les pratiques industrielles et les dernières avancées technologiques.

(1) Les outils de tournage en carbure
sont essentiels au tournage. Grâce à la rotation de la pièce et à son avance axiale ou radiale, l’usinage du cercle extérieur, du trou intérieur, de la face frontale, du palier, du filetage et des contours complexes est réalisé. Les outils de tournage en carbure sont généralement fabriqués dans des matériaux de haute dureté (tels que YG6, YG8, YT15, YT30). Le corps de l’outil comprend des lames en carbure monobloc, des lames en carbure soudées ou des lames remplaçables pour répondre aux différentes exigences d’usinage. L’angle de coupe (5°-15°±0,5°) et l’angle de dépouille (6°-12°) de l’outil sont optimisés géométriquement avec précision afin de réduire l’effort de coupe et la résistance à l’écaillage, et d’améliorer l’efficacité de coupe. L’angle de dépouille secondaire (1°-3°) et le chanfrein de l’arête de coupe (0,1-0,2 mm) améliorent encore la résistance à l’écaillage. La technologie de revêtement de surface est largement utilisée, comme le revêtement PVD ( TiN , TiCN , épaisseur 2-5 μ m ) et le revêtement CVD ( Al₂O₃ , TiAlN ( épaisseur 5-25 μm ± 0,1 μm ) améliore considérablement la résistance à la chaleur (jusqu’à 1 000 °C), à l’usure et à l’oxydation. Pendant le processus de coupe, l’outil de tournage doit supporter la charge stable d’une coupe continue ou l’impact d’une coupe intermittente. Sa durée de vie est généralement de 10 à 20 heures (± 1 heure) et sa précision peut atteindre < 0,01 mm (± 0,001 mm), ce qui est adapté à l’usinage de pièces de haute précision. Ses caractéristiques techniques incluent une vitesse de coupe de 100 à 500 m/min (± 10 m/min), une dureté HV de 1 800 à 2 200, une ténacité à la rupture de 12 à 18 MPa·m¹ / ² et un taux d’usure < 0,05 mm³/N· m. Il est largement utilisé dans l’industrie automobile pour traiter les vilebrequins, les arbres à cames et les bielles, la fabrication de moules, le tournage de précision des cavités de moules et les matrices d’emboutissage, ainsi que le traitement des pièces d’aviation, des cercles extérieurs en alliage de titane et des pièces en alliage d’aluminium.

(2) Fraises en carbure : Les fraises sont utilisées pour l’usinage à grande vitesse avec plusieurs
lames sur une fraiseuse . Elles conviennent à l’usinage de plans, de rainures, de marches, de flancs et de surfaces courbes complexes. Elles constituent l’outil principal des centres d’usinage multiaxes. Les fraises en carbure comprennent les fraises en bout, les fraises à surfacer, les fraises à bout sphérique et les fraises à profiler. Les nuances couramment utilisées sont YG10 (haute ténacité, adaptée à la coupe intermittente), YT30 (haute résistance à la chaleur, adaptée aux températures élevées) et YW2 (excellentes performances globales). Les fraises en bout sont principalement des structures en carbure monobloc avec 2 à 4 lames et un diamètre de 3 à 20 mm. Elles conviennent aux trous et rainures de petit diamètre et à l’usinage de précision. Les fraises à surfacer ont des diamètres plus importants (50 à 200 mm) et utilisent des lames remplaçables ou intégrées. Elles possèdent 4 à 12 lames et sont adaptées au fraisage plan de grandes surfaces. Les fraises à boulets et les fraises à profiler sont utilisées pour l’usinage de surfaces courbes complexes et de moules. L’optimisation géométrique comprend l’angle d’hélice (30°-45°±1°) pour améliorer l’évacuation des copeaux, l’angle de coupe positif (5°-10°) pour réduire l’effort de coupe et l’angle R (0,5-2 mm) pour améliorer la résistance des arêtes. Revêtement CVD (tel que TiAlN , Le revêtement Al₂O₃ ( épaisseur 10-25 μm ) ou PVD (tel que CrN ( épaisseur 2-5 μm )) offre une résistance à la température (jusqu’à 1100 °C) et une protection contre l’usure. Vitesse de coupe 200-1000 m/min, durée de vie 5-15 heures, précision < 0,02 mm, ses caractéristiques techniques sont une dureté HV 1700-2100, une ténacité à la rupture 14-20 MPa·m¹ / ², une forte résistance aux chocs, les principaux scénarios d’application comprennent l’usinage aérospatial de peaux en alliage d’aluminium et de composants en alliage de titane, le fraisage de surfaces complexes et d’outils d’emboutissage dans l’industrie du moulage, et l’usinage de pièces à rainures et de profils d’engrenages.

 (3) Forets en carbure.
Les forets en carbure sont utilisés pour le perçage, remplaçant les forets traditionnels en acier rapide. Ils conviennent au perçage de trous profonds, de petits diamètres et de matériaux multicouches. Les forets hélicoïdaux sont polyvalents, utilisant l’YG6X (structure nanocristalline, dureté HV 1900-2000), avec un angle d’hélice de 25°-35°±1°, et peuvent percer des trous de 5 à 50 mm de diamètre, adaptés au perçage général. Les forets pour trous profonds (tels que les forets canon) utilisent l’YW1, avec un rapport longueur/diamètre allant jusqu’à 100:1, équipés de canaux de refroidissement internes pour réduire l’accumulation de chaleur et l’évacuation des copeaux, et adaptés à l’usinage de trous profonds (> 100 mm). Les forets étagés utilisent une lame multicouche, permettant de percer simultanément des trous étagés de différents diamètres. Ils sont largement utilisés dans les moules et les pièces mécaniques. Revêtement PVD (tel que TiN , Le revêtement TiCN ( épaisseur 10-15 μm ) ou CVD (diamant, épaisseur 5-10 μm ) améliore la résistance à l’usure et aux hautes températures, vitesse de coupe 50-300 m/min, durée de vie 10-30 heures, précision < 0,01 mm. Ses caractéristiques techniques incluent une dureté HV 1800-2200, une résistance à l’usure < 0,03 mm³/N· m, une bonne résistance aux hautes températures (jusqu’à 900°C), largement utilisée dans le perçage de pièces automobiles (telles que les blocs-cylindres, les bielles), le traitement des circuits imprimés de composants électroniques et le perçage de trous profonds de pièces structurelles aéronautiques (telles que les joints d’aile). La clé de l’optimisation est d’ajouter un revêtement autolubrifiant (tel que MoS₂ ) pour réduire le frottement et optimiser la conception des rainures de copeaux pour éviter le colmatage.

(4) Outils d’alésage en carbure
Les outils d’alésage servent à agrandir ou à affiner les diamètres de trous existants. Ils sont généralement réglables, intégrés ou remplaçables. Les outils d’alésage d’ébauche utilisent du YG8 (dureté élevée, HV 1700-1900), avec une profondeur de coupe de 1 à 5 mm, adapté à l’ébauche rapide, et une plage de diamètres d’outil de 20 à 150 mm ; les outils d’alésage de précision utilisent du YT5 (dureté HV 1750-1850), avec une profondeur de coupe de 0,1 à 0,5 mm et une précision < 0,005 mm, adapté à l’usinage de trous de haute précision. La géométrie de l’outil comprend un angle de coupe de 5° à 10° (un angle de coupe négatif peut être utilisé pour l’alésage d’ébauche), un angle de contre-dépôt secondaire de 2° à 5° et un angle de relaxation de l’arête de coupe (0,2° à 0,5°). Le revêtement CVD (tel que Al₂O₃ , épaisseur 10-20 μm ) ou PVD (tel que TiAlN ) améliore la résistance à la chaleur et l’état de surface. La vitesse de coupe est de 100 à 400 m/min, la durée de vie est de 15 à 25 heures et les caractéristiques techniques sont une ténacité à la rupture de 12 à 16 MPa ·m¹ /² et une rugosité de surface Ra < 0,4 μm . Les principales applications comprennent l’alésage fin de blocs-cylindres de moteurs (précision du diamètre du cylindre < 0,01 mm), l’usinage de trous internes de pièces hydrauliques (comme le corps de pompe) et l’alésage de précision de moules (comme les matrices de poinçonnage).

(5) Alésoirs en carbure (Alésoirs)
Les alésoirs sont utilisés pour la finition du diamètre du trou, l’amélioration de la circularité, de la tolérance et de l’état de surface, et sont adaptés à la production de masse et aux exigences de haute précision. Les alésoirs mécaniques utilisent du YG6 (dureté HV 1800-2000), avec une plage de diamètre de 5 à 50 mm, 4 à 8 lames et une longueur de lame de 1,5 à 2 fois le diamètre ; les alésoirs réglables utilisent du YT 15, avec une plage de réglage de ± 0,02 mm, ce qui convient au réglage fin du diamètre du trou et à l’usinage multi-spécifications. La conception géométrique comprend des lames droites ou hélicoïdales (angle d’hélice 5°-10°), un angle de coupe 5°-8°, un revêtement PVD (tel que TiCN , épaisseur 10-15 μ m ) ou un revêtement CVD (tel que Al₂O₃ ) pour améliorer la résistance à l’usure et l’anti-adhérence. Vitesse de coupe 20-100 m/min, durée de vie 20-40 heures, précision <0,002 mm, ses caractéristiques techniques incluent la dureté HV 1800-2100, la résistance à l’usure <0,02 mm³/N · m, largement utilisé dans la finition des trous de roulement (rondeur <0,005 mm), les trous d’arbre de transmission automobile et les pièces d’instruments de précision (telles que les trous d’outils de mesure).

(6) Broches en carbure :
Les broches sont utilisées pour le brochage et conviennent à la production en série de rainures de clavette, de formes de dents, de crémaillères et de contours complexes. Les broches circulaires utilisent du YW2 (forte résistance à la chaleur, HV 1750-2000), avec un diamètre de 10 à 100 mm, 10 à 20 dents et une hauteur de dent progressive (0,1 à 0,5 mm/dent) ; les broches plates utilisent du YG10, avec une largeur de 20 à 100 mm et 15 à 30 dents, adaptées au brochage plan. L’optimisation géométrique comprend un angle de coupe de 5° à 10°, une profondeur de rainure de 2 à 5 mm, un revêtement CVD (par exemple, TiAlN , d’une épaisseur de 15 à 20 µm ) ou PVD (par exemple, CrN ) pour améliorer la résistance aux chocs et à la chaleur. La vitesse de coupe est de 10 à 50 m/min, la durée de vie est de 10 à 20 heures et la précision est inférieure à 0,01 mm. Ses caractéristiques techniques sont une ténacité à la rupture de 14 à 18 MPa·m¹ /² et une excellente résistance aux chocs. Ses principales applications comprennent le brochage de rainures de clavette d’engrenages (modules 1 à 5), l’emboutissage de dents de pièces structurelles aéronautiques (comme les connecteurs de fuselage) et l’emboutissage de moules (comme les matrices de poinçonnage).

(7) Outils de formage en carbure :
Les outils de formage sont utilisés pour usiner des formes spécifiques, telles que des profils de dents, des surfaces courbes ou des contours spéciaux, et sont largement utilisés dans l’usinage CNC multiaxes. La fraise à profil de dent utilise du YT30 (bonne résistance à la chaleur, HV 1600-1800), qui usine des engrenages avec un module de 1 à 10, et le diamètre de l’outil est de 50 à 200 mm ; la fraise à surface courbe utilise du YW1A, et l’usinage de surfaces courbes complexes nécessite une liaison 5 axes, et le rayon de l’outil est de 5 à 50 mm. La conception géométrique comprend des lames de formage (R 0,1-2 mm), des angles de relaxation (0,1°-0,5°) et des structures multi-lames (3-6 lames). Les revêtements PVD (tels que CrN , épaisseur 15-25 µm ) ou CVD (tels que TiAlN ) offrent une résistance à l’usure et une protection contre les températures élevées. La vitesse de coupe est de 50 à 200 m/min, la durée de vie est de 5 à 15 heures, la précision est < 0,02 mm, ses caractéristiques techniques incluent la dureté HV 1700-2000, la résistance à l’usure < 0,04 mm³ / N · m, largement utilisé dans le formage d’engrenages automobiles (module 2-8), le traitement de surface de pièces de précision (comme le boîtier de téléphone portable) et la fabrication de pales d’aviation (comme les pales de turbine).