Le carbure est la classe de matériaux la plus utilisée pour l'usinage à grande vitesse (UGV). Produit par métallurgie des poudres, il est composé de particules de carbure dur (généralement du carbure de tungstène, WC) et d'un liant métallique plus tendre. Il existe actuellement des centaines de carbures cémentés à base de WC de compositions variées, la plupart utilisant le cobalt (Co) comme liant. Le nickel (Ni) et le chrome (Cr) sont également couramment utilisés, et d'autres éléments d'alliage peuvent être ajoutés. Pourquoi une telle diversité de nuances de carbure ? Comment les fabricants d'outils choisissent-ils le matériau adapté à une opération de coupe spécifique ? Pour répondre à ces questions, examinons d'abord les différentes propriétés qui font du carbure cémenté un matériau d'outillage idéal.
dureté et ténacité
Le carbure cémenté WC-Co présente des avantages uniques en termes de dureté et de ténacité. Le carbure de tungstène (WC) est intrinsèquement très dur (plus dur que le corindon ou l'alumine), et sa dureté diminue rarement avec l'augmentation de la température de fonctionnement. Cependant, sa ténacité est insuffisante, une propriété essentielle pour les outils de coupe. Afin de tirer parti de la dureté élevée du carbure de tungstène et d'améliorer sa ténacité, on utilise des liants métalliques pour agglomérer les particules de carbure de tungstène. Ce matériau présente ainsi une dureté bien supérieure à celle de l'acier rapide, tout en étant capable de résister à la plupart des forces de coupe. De plus, il supporte les hautes températures de coupe générées par l'usinage à grande vitesse.
Aujourd'hui, la quasi-totalité des couteaux et plaquettes en WC-Co sont revêtus, ce qui semble minimiser l'importance du matériau de base. Pourtant, c'est bien le module d'élasticité élevé du WC-Co (une mesure de sa rigidité, environ trois fois supérieure à celle de l'acier rapide à température ambiante) qui assure un substrat indéformable pour le revêtement. La matrice de WC-Co confère également la ténacité requise. Ces propriétés sont les propriétés fondamentales des matériaux WC-Co, mais il est possible d'en optimiser les caractéristiques en ajustant la composition et la microstructure lors de la production de poudres de carbure cémenté. Par conséquent, l'adéquation des performances d'un outil à un usinage spécifique dépend largement du processus de fraisage initial.
Processus de fraisage
La poudre de carbure de tungstène est obtenue par cémentation de poudre de tungstène (W). Ses caractéristiques, notamment sa granulométrie, dépendent principalement de la granulométrie de la poudre de tungstène initiale, ainsi que de la température et de la durée de la cémentation. La maîtrise de la composition chimique est également essentielle, et la teneur en carbone doit être maintenue constante (proche de la valeur stœchiométrique de 6,13 % en masse). L'ajout de faibles quantités de vanadium et/ou de chrome avant la cémentation permet de contrôler la granulométrie lors des étapes de transformation ultérieures. Différentes conditions de traitement en aval et différentes applications finales requièrent une combinaison spécifique de granulométrie, de teneur en carbone, en vanadium et en chrome, permettant ainsi la production d'une variété de poudres de carbure de tungstène. Par exemple, ATI Alldyne, fabricant de poudre de carbure de tungstène, produit 23 qualités standard de poudre de carbure de tungstène, et les variétés de poudre de carbure de tungstène personnalisées selon les exigences de l'utilisateur peuvent atteindre plus de 5 fois celles des qualités standard de poudre de carbure de tungstène.
Lors du mélange et du broyage de poudre de carbure de tungstène et de liant métallique pour produire une certaine nuance de carbure cémenté, diverses combinaisons sont possibles. La teneur en cobalt la plus courante est de 3 % à 25 % (en poids). Pour améliorer la résistance à la corrosion de l'outil, il est nécessaire d'ajouter du nickel et du chrome. De plus, le liant métallique peut être amélioré par l'ajout d'autres éléments d'alliage. Par exemple, l'ajout de ruthénium au carbure cémenté WC-Co permet d'accroître significativement sa ténacité sans en réduire la dureté. L'augmentation de la teneur en liant améliore également la ténacité du carbure cémenté, mais diminue sa dureté.
La réduction de la taille des particules de carbure de tungstène permet d'accroître la dureté du matériau, mais cette taille doit rester constante durant le frittage. Lors du frittage, les particules de carbure de tungstène s'agglomèrent et croissent par dissolution et reprécipitation. Pour obtenir un matériau totalement dense, la liaison métallique devient liquide (frittage en phase liquide). La vitesse de croissance des particules de carbure de tungstène peut être contrôlée par l'ajout d'autres carbures de métaux de transition, tels que le carbure de vanadium (VC), le carbure de chrome (Cr₃C₂), le carbure de titane (TiC), le carbure de tantale (TaC) et le carbure de niobium (NbC). Ces carbures métalliques sont généralement ajoutés lorsque la poudre de carbure de tungstène est mélangée et broyée avec un liant métallique, bien que le carbure de vanadium et le carbure de chrome puissent également se former lors de la carburation de la poudre de carbure de tungstène.
La poudre de carbure de tungstène peut également être produite à partir de déchets de carbure cémenté recyclés. Le recyclage et la réutilisation des déchets de carbure sont une pratique courante dans l'industrie du carbure cémenté et constituent un maillon essentiel de sa chaîne de valeur. Ils contribuent à réduire les coûts des matériaux, à préserver les ressources naturelles et à éviter la mise au rebut de déchets nocifs. Les déchets de carbure cémenté peuvent généralement être réutilisés par le procédé APT (paratungstate d'ammonium), par récupération du zinc ou par broyage. Ces poudres de carbure de tungstène « recyclées » présentent généralement une densification supérieure et plus prévisible, car leur surface spécifique est plus faible que celle des poudres de carbure de tungstène obtenues directement par le procédé de cémentation.
Les conditions de broyage mixte de la poudre de carbure de tungstène et du liant métallique constituent des paramètres de procédé essentiels. Les deux techniques de broyage les plus couramment utilisées sont le broyage à billes et le microbroyage. Ces deux procédés permettent un mélange homogène des poudres broyées et une réduction de la taille des particules. Afin de conférer à la pièce pressée une résistance suffisante, de préserver sa forme et de faciliter sa manipulation par l'opérateur, il est généralement nécessaire d'ajouter un liant organique lors du broyage. La composition chimique de ce liant influe sur la densité et la résistance de la pièce pressée. Pour faciliter la manipulation, il est conseillé d'utiliser des liants à haute résistance, mais cela entraîne une diminution de la densité de compactage et peut engendrer des grumeaux susceptibles de provoquer des défauts dans le produit final.
Après broyage, la poudre est généralement séchée par atomisation pour obtenir des agglomérats fluides, maintenus ensemble par des liants organiques. En ajustant la composition de ce liant, on peut moduler la fluidité et la densité de charge de ces agglomérats. Le tamisage des particules les plus grossières ou les plus fines permet d'affiner la granulométrie des agglomérats et ainsi garantir une bonne fluidité lors du chargement dans la cavité du moule.
fabrication de pièces
Les pièces en carbure peuvent être fabriquées par divers procédés. Selon leurs dimensions, la complexité de leur forme et le lot de production, la plupart des plaquettes de coupe sont moulées à l'aide de matrices rigides à pression par le haut et par le bas. Afin de garantir la constance du poids et des dimensions des pièces lors de chaque pressage, il est essentiel que la quantité de poudre (masse et volume) introduite dans la cavité soit parfaitement identique. La fluidité de la poudre est principalement déterminée par la granulométrie des agglomérats et les propriétés du liant organique. Les pièces moulées (ou « ébauches ») sont formées en appliquant une pression de moulage de 10 à 80 ksi (kilolivres par pied carré) à la poudre chargée dans la cavité du moule.
Même sous une pression de moulage extrêmement élevée, les particules de carbure de tungstène, très dures, ne se déforment ni ne se brisent. Le liant organique, en se logeant entre les particules, les maintient en place. Plus la pression est élevée, plus la liaison entre les particules de carbure de tungstène est forte et plus la densité de compactage de la pièce est importante. Les propriétés de moulage des différentes qualités de poudre de carbure cémenté peuvent varier en fonction de la teneur en liant métallique, de la taille et de la forme des particules de carbure de tungstène, du degré d'agglomération, ainsi que de la composition et de l'ajout du liant organique. Afin de fournir des informations quantitatives sur les propriétés de compactage des différentes qualités de poudre de carbure cémenté, le fabricant de poudre établit généralement la relation entre la densité de moulage et la pression de moulage. Ces informations garantissent la compatibilité de la poudre fournie avec le procédé de moulage du fabricant d'outils.
Les pièces en carbure de grande taille ou présentant un rapport d'aspect élevé (comme les queues de fraises et de forets) sont généralement fabriquées à partir de poudre de carbure de granulométrie uniforme, pressée dans un sac souple. Bien que le cycle de production de la méthode de pressage équilibré soit plus long que celui du moulage, le coût de fabrication de l'outil est inférieur, ce qui rend cette méthode plus adaptée aux petites séries.
Ce procédé consiste à introduire la poudre dans un sac, à sceller son ouverture, puis à placer le sac rempli dans une chambre et à appliquer une pression de 30 à 60 ksi à l'aide d'un dispositif hydraulique pour le presser. Les pièces pressées sont souvent usinées selon des géométries spécifiques avant frittage. La taille du sac est augmentée pour compenser le retrait de la pièce lors du compactage et pour offrir une marge suffisante pour les opérations de rectification. Étant donné que la pièce doit être usinée après le pressage, les exigences relatives à la régularité du chargement sont moins strictes que pour le moulage, mais il est toujours préférable de s'assurer que la même quantité de poudre est chargée dans le sac à chaque fois. Si la densité de chargement est trop faible, la quantité de poudre dans le sac risque d'être insuffisante, ce qui rendra la pièce trop petite et la rendra inutilisable. À l'inverse, si la densité de chargement est trop élevée et que la quantité de poudre chargée dans le sac est excessive, la pièce devra être usinée pour retirer l'excédent de poudre après le pressage. Bien que l'excédent de poudre retiré et les pièces inutilisables puissent être recyclés, cela réduit la productivité.
Les pièces en carbure peuvent être formées par extrusion ou par injection. L'extrusion est plus adaptée à la production en série de pièces de forme axisymétrique, tandis que l'injection est généralement utilisée pour la production en série de pièces de forme complexe. Dans les deux procédés, différentes granulométries de poudre de carbure cémenté sont mises en suspension dans un liant organique qui confère au mélange une consistance semblable à celle d'un dentifrice. Le composé est ensuite extrudé à travers un orifice ou injecté dans une cavité pour former la pièce. Les caractéristiques de la granulométrie de la poudre de carbure cémenté déterminent le rapport optimal poudre/liant dans le mélange et influent fortement sur sa fluidité lors de l'extrusion ou de l'injection.
Après la mise en forme de la pièce par moulage, pressage isostatique, extrusion ou injection, le liant organique doit être éliminé avant l'étape finale de frittage. Le frittage élimine la porosité de la pièce, la rendant ainsi totalement (ou presque) dense. Lors du frittage, la liaison métallique de la pièce formée par pressage devient liquide, mais la pièce conserve sa forme grâce à l'action combinée des forces capillaires et de la cohésion des particules.
Après frittage, la géométrie de la pièce reste inchangée, mais ses dimensions sont réduites. Afin d'obtenir les dimensions requises après frittage, il est nécessaire de prendre en compte le retrait lors de la conception de l'outil. La granulométrie de la poudre de carbure utilisée pour la fabrication de chaque outil doit être choisie de manière à garantir un retrait adéquat lors du compactage sous la pression appropriée.
Dans la quasi-totalité des cas, un traitement post-frittage de la pièce frittée est nécessaire. Le traitement le plus élémentaire des outils de coupe consiste à affûter le tranchant. De nombreux outils requièrent une rectification de leur géométrie et de leurs dimensions après frittage. Certains outils nécessitent une rectification de la face supérieure et de la face inférieure ; d’autres, une rectification périphérique (avec ou sans affûtage du tranchant). Tous les copeaux de carbure issus de la rectification sont recyclables.
Revêtement de la pièce
Dans de nombreux cas, la pièce finie doit être revêtue. Ce revêtement assure la lubrification et une dureté accrue, tout en formant une barrière de diffusion avec le substrat, empêchant ainsi l'oxydation à haute température. Le substrat en carbure cémenté est essentiel à la performance du revêtement. Outre l'optimisation des propriétés principales de la poudre de matrice, les propriétés de surface de celle-ci peuvent également être modifiées par le choix des composants chimiques et le procédé de frittage. Grâce à la migration du cobalt, une plus grande quantité de cobalt peut être concentrée dans la couche superficielle de la lame (20 à 30 µm d'épaisseur) par rapport au reste de la pièce, conférant ainsi à la surface du substrat une meilleure résistance mécanique et une plus grande ténacité, et la rendant plus résistante à la déformation.
En fonction de leur procédé de fabrication (méthode de déparaffinage, vitesse de chauffage, durée et température de frittage, et tension de cémentation), les fabricants d'outils peuvent avoir des exigences particulières quant à la qualité de la poudre de carbure cémenté utilisée. Certains fabricants frittent les pièces sous vide, tandis que d'autres utilisent un four de frittage par pressage isostatique à chaud (PIC), qui pressurise la pièce en fin de cycle pour éliminer les résidus et les pores. Les pièces frittées sous vide peuvent nécessiter un pressage isostatique à chaud supplémentaire pour augmenter leur densité. Certains fabricants d'outils utilisent des températures de frittage sous vide plus élevées pour accroître la densité des mélanges à faible teneur en cobalt, mais cette approche peut engendrer un grossissement de la microstructure. Pour conserver une granulométrie fine, il est conseillé de choisir des poudres de carbure de tungstène à granulométrie plus fine. Afin de s'adapter aux équipements de production spécifiques, les conditions de déparaffinage et la tension de cémentation ont également des exigences différentes en ce qui concerne la teneur en carbone de la poudre de carbure cémenté.
Classification par niveau
La combinaison de différents types de poudres de carbure de tungstène, la composition du mélange, la teneur en liant métallique, le type et la quantité d'inhibiteur de croissance des grains, etc., permettent d'obtenir diverses nuances de carbure cémenté. Ces paramètres déterminent la microstructure et les propriétés du carbure cémenté. Certaines combinaisons de propriétés sont privilégiées pour certaines applications de traitement spécifiques, justifiant ainsi la classification des différentes nuances de carbure cémenté.
Les deux systèmes de classification des carbures les plus couramment utilisés pour l'usinage sont la désignation C et la désignation ISO. Bien qu'aucun de ces systèmes ne reflète pleinement les propriétés des matériaux qui influencent le choix des nuances de carbure cémenté, ils constituent un point de départ pour la discussion. Pour chaque classification, de nombreux fabricants proposent leurs propres nuances spécifiques, ce qui engendre une grande variété de nuances de carbure.
Les nuances de carbure peuvent également être classées selon leur composition. Les nuances de carbure de tungstène (WC) se divisent en trois types principaux : simple, microcristallin et allié. Les nuances simplex sont principalement composées de carbure de tungstène et de liants cobalt, mais peuvent également contenir de faibles quantités d’inhibiteurs de croissance des grains. La nuance microcristalline est composée de carbure de tungstène et de liant cobalt, auxquels on ajoute quelques millièmes de carbure de vanadium (VC) et/ou de carbure de chrome (Cr₃C₂), et sa taille de grain peut atteindre 1 µm, voire moins. Les nuances alliées sont composées de carbure de tungstène et de liants cobalt contenant quelques pourcents de carbure de titane (TiC), de carbure de tantale (TaC) et de carbure de niobium (NbC). Ces ajouts sont également appelés carbures cubiques en raison de leurs propriétés de frittage. La microstructure résultante présente une structure triphasée hétérogène.
1) Nuances de carbure simples
Ces nuances pour la coupe des métaux contiennent généralement de 3 % à 12 % de cobalt (en poids). La granulométrie du carbure de tungstène est généralement comprise entre 1 et 8 µm. Comme pour les autres nuances, la réduction de la taille des particules de carbure de tungstène augmente sa dureté et sa résistance à la rupture transversale (TRS), mais diminue sa ténacité. La dureté du carbure de tungstène pur est généralement comprise entre HRA 89 et 93,5 ; sa résistance à la rupture transversale est généralement comprise entre 175 et 350 ksi. Les poudres de ces nuances peuvent contenir d'importantes quantités de matériaux recyclés.
Les nuances simples peuvent être divisées en C1 à C4 dans le système de nuances C et classées selon les séries K, N, S et H du système de nuances ISO. Les nuances Simplex aux propriétés intermédiaires sont considérées comme des nuances d'usage général (telles que C2 ou K20) et peuvent être utilisées pour le tournage, le fraisage, le rabotage et l'alésage. Les nuances à grain fin, à faible teneur en cobalt et à dureté élevée sont considérées comme des nuances de finition (telles que C4 ou K01). Enfin, les nuances à grain plus gros, à teneur en cobalt plus élevée et à meilleure ténacité sont considérées comme des nuances d'ébauche (telles que C1 ou K30).
Les outils en carbure simplex sont utilisés pour l'usinage de la fonte, des aciers inoxydables des séries 200 et 300, de l'aluminium et d'autres métaux non ferreux, des superalliages et des aciers trempés. Ces nuances peuvent également servir à des applications de coupe non métalliques (par exemple, pour le forage de roches et les travaux géologiques). Elles présentent une granulométrie de 1,5 à 10 µm (voire plus) et une teneur en cobalt de 6 % à 16 %. Les carbures simples sont aussi utilisés pour la fabrication de matrices et de poinçons. Ces nuances ont généralement une granulométrie moyenne et une teneur en cobalt de 16 % à 30 %.
(2) Nuances de carbure cémenté microcristallin
Ces nuances contiennent généralement de 6 % à 15 % de cobalt. Lors du frittage en phase liquide, l'ajout de carbure de vanadium et/ou de carbure de chrome permet de contrôler la croissance des grains et d'obtenir une structure à grains fins, avec une granulométrie inférieure à 1 µm. Cette nuance à grains fins présente une dureté très élevée et une résistance à la rupture transversale supérieure à 500 ksi. La combinaison d'une résistance élevée et d'une ténacité suffisante permet l'utilisation d'un angle de coupe positif plus important, ce qui réduit les efforts de coupe et produit des copeaux plus fins par usinage par coupe plutôt que par refoulement.
Grâce à une identification rigoureuse des matières premières utilisées dans la production de poudres de carbure cémenté, et à un contrôle strict des conditions de frittage afin de prévenir la formation de grains anormalement gros dans la microstructure du matériau, il est possible d'obtenir des propriétés de matériau appropriées. Afin de garantir une taille de grain fine et uniforme, l'utilisation de poudres recyclées ne devrait être envisagée que si la matière première et le processus de récupération sont parfaitement maîtrisés et font l'objet de contrôles qualité approfondis.
Les nuances microcristallines peuvent être classées selon la série M du système de classification ISO. De plus, les autres méthodes de classification des systèmes C et ISO sont identiques à celles des nuances pures. Les nuances microcristallines sont utilisées pour la fabrication d'outils destinés à l'usinage de matériaux tendres, car leur surface peut être usinée avec une grande finesse et elles conservent un tranchant exceptionnel.
Les nuances microcristallines peuvent également être utilisées pour l'usinage des superalliages à base de nickel, car elles résistent à des températures de coupe allant jusqu'à 1200 °C. Pour l'usinage des superalliages et autres matériaux spéciaux, l'utilisation d'outils en nuance microcristalline et d'outils en nuance pure contenant du ruthénium permet d'améliorer simultanément leur résistance à l'usure, leur résistance à la déformation et leur ténacité. Les nuances microcristallines conviennent également à la fabrication d'outils rotatifs tels que les forets, qui génèrent des contraintes de cisaillement. Il existe des forets en nuances composites de carbure cémenté. La teneur en cobalt varie selon les zones du foret, ce qui permet d'optimiser sa dureté et sa ténacité en fonction des besoins d'usinage.
(3) Nuances de carbure cémenté de type alliage
Ces nuances sont principalement utilisées pour la coupe de pièces en acier. Leur teneur en cobalt est généralement de 5 à 10 % et la taille des grains varie de 0,8 à 2 µm. L'ajout de 4 à 25 % de carbure de titane (TiC) permet de réduire la diffusion du carbure de tungstène (WC) à la surface des copeaux d'acier. La résistance mécanique, la résistance à l'usure en cratère et la résistance aux chocs thermiques de l'outil sont améliorées par l'ajout de jusqu'à 25 % de carbure de tantale (TaC) et de carbure de niobium (NbC). L'ajout de ces carbures cubiques augmente également la dureté à chaud de l'outil, contribuant ainsi à prévenir sa déformation thermique lors d'usinages intensifs ou d'autres opérations où le tranchant génère des températures élevées. De plus, le carbure de titane peut fournir des sites de nucléation lors du frittage, améliorant ainsi l'homogénéité de la distribution des carbures cubiques dans la pièce.
De manière générale, la dureté des carbures cémentés alliés se situe entre HRA91 et HRA94, et leur résistance à la rupture transversale entre 150 et 300 ksi. Comparés aux aciers purs, les aciers alliés présentent une faible résistance à l'usure et une moindre résistance mécanique, mais une meilleure résistance à l'usure par adhérence. Les aciers alliés sont classés de C5 à C8 dans la norme C et selon les séries P et M de la norme ISO. Les aciers alliés aux propriétés intermédiaires sont considérés comme des aciers d'usage général (par exemple, C6 ou P30) et conviennent aux opérations de tournage, de taraudage, de rabotage et de fraisage. Les aciers les plus durs sont des aciers de finition (par exemple, C8 et P01) destinés aux opérations de tournage et d'alésage. Ces aciers présentent généralement une granulométrie plus fine et une teneur en cobalt plus faible afin d'obtenir la dureté et la résistance à l'usure requises. Toutefois, des propriétés similaires peuvent être obtenues en ajoutant davantage de carbures cubiques. Les aciers présentant la plus haute ténacité sont des aciers d'ébauche (par exemple, C5 ou P50). Ces nuances présentent généralement une granulométrie moyenne et une teneur élevée en cobalt, avec de faibles ajouts de carbures cubiques pour obtenir la ténacité souhaitée en limitant la propagation des fissures. Lors d'opérations de tournage interrompu, les performances de coupe peuvent être encore améliorées en utilisant les nuances riches en cobalt mentionnées ci-dessus, avec une teneur en cobalt plus élevée en surface de l'outil.
Les alliages à faible teneur en carbure de titane sont utilisés pour l'usinage de l'acier inoxydable et de la fonte malléable, mais aussi pour celui des métaux non ferreux tels que les superalliages à base de nickel. La taille des grains de ces alliages est généralement inférieure à 1 µm et leur teneur en cobalt est de 8 à 12 %. Les alliages plus durs, comme le M10, sont utilisés pour le tournage de la fonte malléable ; les alliages plus tenaces, comme le M40, sont utilisés pour le fraisage et le rabotage de l'acier, ou pour le tournage de l'acier inoxydable ou des superalliages.
Les carbures cémentés alliés peuvent également être utilisés pour l'usinage de matériaux non métalliques, notamment pour la fabrication de pièces résistantes à l'usure. La granulométrie de ces carbures est généralement de 1,2 à 2 µm et leur teneur en cobalt de 7 à 10 %. Leur production requiert généralement l'ajout d'un pourcentage élevé de matières premières recyclées, ce qui leur confère un excellent rapport coût-efficacité pour les applications de pièces d'usure. Ces dernières doivent présenter une bonne résistance à la corrosion et une dureté élevée, propriétés obtenues par l'ajout de carbure de nickel et de chrome lors de leur fabrication.
Pour répondre aux exigences techniques et économiques des fabricants d'outils, la poudre de carbure est un élément essentiel. Conçues spécifiquement pour leurs machines et leurs procédés de fabrication, les poudres garantissent la performance des pièces finies et ont permis le développement de centaines de nuances de carbure. La recyclabilité des matériaux en carbure et la possibilité de collaborer directement avec les fournisseurs de poudre permettent aux fabricants d'outils de maîtriser efficacement la qualité de leurs produits et leurs coûts de matériaux.
Date de publication : 18 octobre 2022
