CH620614A5 - Cutting tool made of a hard alloy coated with titanium carbonitride - Google Patents
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Description
La présente invention a pour objet un outil de coupe constitué d'un substrat en alliage dur, comprenant, en poids, 40 à 95% de carbure de tungstène, un pourcentage p compris entre 3 et 50% d'un ou plusieurs carbures de métaux des groupes IV et V de la classification périodique et de 2 à 15% d'un métal liant du groupe Fe-Ni-Co, et d'un revêtement comportant au moins une couche, la couche adhérant au substrat étant en carbonitrure de titane de formule générale TiCxNy dans laquelle 0,8 <x+y < 1. The present invention relates to a cutting tool consisting of a hard alloy substrate, comprising, by weight, 40 to 95% of tungsten carbide, a percentage p between 3 and 50% of one or more metal carbides groups IV and V of the periodic table and from 2 to 15% of a binder metal of the group Fe-Ni-Co, and of a coating comprising at least one layer, the layer adhering to the substrate being made of titanium carbonitride of general formula TiCxNy in which 0.8 <x + y <1.
Cet outil de coupe peut, notamment, constituer une plaquette de coupe amovible pour l'usinage des métaux, comportant un substrat en alliage métallique dur et un revêtement mince et adhérent au moins sur les parties actives de l'outil. This cutting tool can, in particular, constitute a removable cutting insert for metal machining, comprising a hard metal alloy substrate and a thin coating which adheres at least to the active parts of the tool.
Les plaquettes de coupe sont réalisées habituellement en un alliage constitué de carbure de tungstène, d'un ou plusieurs carbures de métaux des groupes IV et V de la classification périodique (c'est-à-dire, par exemple, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta) - il s'agit le plus souvent d'un mélange TaC+TiC— et d'un métal liant du groupe fer, nickel, cobalt, le plus souvent le cobalt. Cutting inserts are usually made of an alloy consisting of tungsten carbide, one or more metal carbides from groups IV and V of the periodic table (i.e., for example, Ti, Zr, Hf , V, Nb, Ta) - it is most often a TaC + TiC mixture - and a metal bonding group iron, nickel, cobalt, most often cobalt.
Pour améliorer la résistance à l'usure, et, par conséquent, la durée de vie de ces plaquette, il est fréquent de les revêtir d'une ou plusieurs couches minces, par exemple de carbure de titane, de nitrure de titane, ou de la superposition des deux. To improve the resistance to wear, and therefore the lifetime of these wafers, it is frequent to coat them with one or more thin layers, for example of titanium carbide, titanium nitride, or the superposition of the two.
Le revêtement de carbure de titane améliore nettement la résistance à l'usure en dépouille, mais résiste mal à l'usure en cratère. Au contraire, un revêtement en nitrure de titane possède des propriétés inverses. The titanium carbide coating significantly improves resistance to draft wear, but is poorly resistant to crater wear. On the contrary, a titanium nitride coating has reverse properties.
Il était donc naturel de chercher à associer ces deux propriétés. Ainsi le brevet français N° 2170258 déposé le 5.2.1973 propose un revêtement bicouche avec TiC du côté du support et TiN sur la surface extérieure. Mais, lorsque la couche de TiN est usée, on passe brutalement sur la couche de TiC avec une chute instantanée de la résistance à la cratérisation. It was therefore natural to seek to combine these two properties. Thus the French patent N ° 2170258 filed on 5.2.1973 proposes a two-layer coating with TiC on the side of the support and TiN on the exterior surface. However, when the TiN layer is worn out, the TiC layer is suddenly passed over with an instantaneous drop in the resistance to craterization.
Le même brevet propose également un revêtement dont la composition évolue progressivement de TiC du côté du substrat à TiN à la superficie en passant par des compositions intermédiaires de carbonitrures. Lorsque le revêtement s'use en service, il est impossible, avec un tel produit, d'obtenir des caractéristiques de coupe constantes dans le temps, puisque ces caractéristiques varient avec la composition du revêtement, ce qui est gênant en particulier pour les outils montés sur des machines-transferts fonctionnant à grande vitesse. The same patent also proposes a coating whose composition progressively changes from TiC on the side of the TiN substrate to the surface, passing through intermediate compositions of carbonitrides. When the coating wears out in service, it is impossible, with such a product, to obtain constant cutting characteristics over time, since these characteristics vary with the composition of the coating, which is troublesome in particular for mounted tools on transfer machines operating at high speed.
Le but de la présente invention est de remédier à ces inconvénients et d'obtenir un revêtement sur un outil de coupe qui lui confère des caractéristiques de coupe constantes dans le temps et qui résiste aussi bien à l'usure en dépouille qu'à l'usure en cratère, même pour des vitesses de coupe élevées, ce qui permet d'améliorer la durée de vie de ces outils. The object of the present invention is to remedy these drawbacks and to obtain a coating on a cutting tool which gives it constant cutting characteristics over time and which withstands both wear and tear and crater wear, even at high cutting speeds, which improves the life of these tools.
A cet effet, l'outil de coupe selon l'invention est caractérisé en ce que x est déterminé de manière que, dans un diagramme de coordonnées p et x, le point représentatif M (p,x) se trouve à l'intérieur d'un quadrilatère ABCD dont les sommets ont pour coordonnées respectives: To this end, the cutting tool according to the invention is characterized in that x is determined so that, in a coordinate diagram p and x, the representative point M (p, x) is inside d 'a quadrilateral ABCD whose vertices have the respective coordinates:
p= 3% x=0,9 p = 3% x = 0.9
p=10% x=0,9 p = 10% x = 0.9
p=50% x=0,3 p = 50% x = 0.3
p=23% x=0,3 p = 23% x = 0.3
L'invention découle de la découverte du fait que, pour chaque type de substrat utilisé, à l'intérieur d'une certaine plage de compositions de ce substrat, il existe une composition particulière et relativement étroite de carbonitrure de titane qui confère aux outils revêtus de ce produit des caractéristiques de coupe nettement améliorées par rapport à celles obtenues avec les produits existant sur le marché. The invention follows from the discovery that, for each type of substrate used, within a certain range of compositions of this substrate, there is a particular and relatively narrow composition of titanium carbonitride which gives the coated tools of this product significantly improved cutting characteristics compared to those obtained with existing products on the market.
Dans le cas où le revêtement est constitué d'une seule couche de carbonitrure de titane, son épaisseur est comprise entre 2 et 15 (i et de préférence entre 5 et 12 |i. In the case where the coating consists of a single layer of titanium carbonitride, its thickness is between 2 and 15 (i and preferably between 5 and 12 | i.
On peut avantageusement recouvrir cette première couche d'une seconde couche de nitrure de titane. Dans ce cas, la couche de carbonitrure a une épaisseur comprise entre 2 et 10 (j., de préférence 4 à 8 n, et la couche de nitrure une épaisseur comprise entre 1 à 8 n, de préférence 2ä6\i. It is advantageous to cover this first layer with a second layer of titanium nitride. In this case, the carbonitride layer has a thickness of between 2 and 10 (j., Preferably 4 to 8 n, and the nitride layer has a thickness of between 1 to 8 n, preferably 2 to 6 µm.
Dans le dessin annexé: In the attached drawing:
la fig. 1 représente sur un diagramme de coordonnées p et x le quadrilatère ABCD délimitant les compositions de carbonitrure. fig. 1 represents on a diagram of coordinates p and x the quadrilateral ABCD delimiting the carbonitride compositions.
Les fig. 2 et 3 illustrent les résultats des essais de coupe réalisés avec des outils de coupe selon l'invention et des plaquettes selon l'art antérieur en ce qui concerne respectivement la résistance à l'usure en dépouille et à l'usure en cratère. Figs. 2 and 3 illustrate the results of the cutting tests carried out with cutting tools according to the invention and inserts according to the prior art with regard respectively to resistance to undercut wear and to crater wear.
Le revêtement en carbonitrure de titane a une formule générale TiCxNy dans laquelle la somme x+y est égale, ou légèrement inférieure, à 1. Il est d'ailleurs souhaitable que l'on se situe le plus près possible de 1. The titanium carbonitride coating has a general formula TiCxNy in which the sum x + y is equal to, or slightly less than, 1. It is moreover desirable to be as close as possible to 1.
Pour obtenir les résultats désirés, x ne doit pas dépasser 0,9, sans quoi on aurait, sur les plaquettes revêtues, des difficultés du même ordre qu'avec TiC pur. Inversement, x ne doit pas descendre en-dessous de 0,3, sans quoi on aurait, sur les plaquettes, les mêmes problèmes qu'avec TiN seul. To obtain the desired results, x must not exceed 0.9, otherwise there would be, on coated wafers, difficulties of the same order as with pure TiC. Conversely, x must not go below 0.3, otherwise we would have the same problems on wafers as with TiN alone.
Entre ces deux limites, le domaine délimité a la forme d'une bande étroite, légèrement évasée quand x décroît, qui montre que, lorsque la proportion p de carbures autres que WC dans le substrat augmente, il faut choisir une valeur de x plus faible. Between these two limits, the delimited domain has the shape of a narrow band, slightly flared when x decreases, which shows that, when the proportion p of carbides other than WC in the substrate increases, it is necessary to choose a lower value of x .
L'évasement signifie que le choix est beaucoup plus restreint pour des valeurs faibles de p que pour des valeurs fortes où une plus grande tolérance est possible. The flaring means that the choice is much more restricted for low values of p than for strong values where greater tolerance is possible.
A titre d'exemple, de bons résultats ont été obtenus avec les compositions suivantes, en fonction de la nature du substrat. By way of example, good results have been obtained with the following compositions, depending on the nature of the substrate.
2 2
5 5
10 10
15 15
20 20
25 25
30 30
35 35
40 40
45 45
50 50
55 55
60 60
65 65
3 3
620 614 620 614
Substrat (% en poids) Revêtement Substrate (% by weight) Coating
Code ISO ISO code
wc wc
TiC Tic
TaC TaC
Co Co
TiCxNy TiCxNy
P 20 P 20
66,4 66.4
11,2 11.2
13,7 13.7
8,7 8.7
TiC Tic
0,55 N 0,43 0.55 N 0.43
P 25 P 25
71 71
8 8
12 12
9 9
TiC Tic
0,67 N 0,32 0.67 N 0.32
P 30 P 30
69 69
8,2 8.2
12,3 12.3
10,5 10.5
TiC Tic
0,56 N 0,43 0.56 N 0.43
M10 M10
84 84
7 7
3 3
6 6
TiC Tic
0,80 N 0,20 0.80 N 0.20
M 15 M 15
82 82
6,5 6.5
5 5
6,5 6.5
TiC Tic
0,75 N 0,25 0.75 N 0.25
M 20 M 20
82 82
5 5
5 5
8 8
TiC Tic
0,78 N 0,20 0.78 N 0.20
Les revêtements sont réalisés de manière connue en soi par la technique de dépôt chimique en phase gazeuse, qui permet de régler facilement la composition à partir des débits gazeux, des près- is sions et des températures. Les constituants sont apportés, par exemple par le méthane, le tétrachlorure de titane et l'azote en présence d'hydrogène. The coatings are produced in a manner known per se by the chemical gas deposition technique, which makes it possible to easily regulate the composition on the basis of gas flow rates, conditions and temperatures. The constituents are supplied, for example by methane, titanium tetrachloride and nitrogen in the presence of hydrogen.
Les plaquettes de coupe revêtues présentent une excellente 2o résistance à l'usure, aussi bien en dépouille qu'en cratère. The coated cutting inserts have excellent wear resistance, both in draft and in the crater.
Ces résultats sont illustrés, de manière non limitative, par l'exemple ci-dessous. These results are illustrated, without limitation, by the example below.
25 25
Exemple Example
On a comparé des plaquettes de coupe carrées de même substrat, suivant la norme ISO M 10 de composition suivante (% en poids) Compared square cutting inserts of the same substrate, according to ISO M 10 standard of the following composition (% by weight)
30 30
WC WC
84 84
TiC Tic
7 7
TaC TaC
3 3
Co Co
6 6
avec les revêtements suivants: with the following coatings:
a) TiC épaisseur 6 (i b) TiN épaisseur 8 |i c) TiC+TiN épaisseurs 4 n+3 n d) TiC0lB, N0,2,+TiN épaisseurs 6 n et 4 |i selon l'invention. a) TiC thickness 6 (i b) TiN thickness 8 | i c) TiC + TiN thickness 4 n + 3 n d) TiC0lB, N0,2, + TiN thickness 6 n and 4 | i according to the invention.
Tous les essais ont été réalisés sur un acier XC 45 f selon la norme française NF A 02-005. All the tests were carried out on XC 45 f steel according to French standard NF A 02-005.
Une première série d'essais, destinée à caractériser la résistance à l'usure en dépouille, a consisté à déterminer la durée de vie de la plaquette pour une usure en dépouille constante de 0,2 mm en fonction de la vitesse de coupe Vc. On a fait la moyenne des valeurs obtenues pour les quatre arêtes de coupe. A first series of tests, intended to characterize the resistance to draft wear, consisted in determining the service life of the insert for a constant draft wear of 0.2 mm as a function of the cutting speed Vc. The values obtained for the four cutting edges were averaged.
Les résultats ont été reportés sur la fig. 2. The results have been reported in FIG. 2.
On constate qu'à partir d'une vitesse de l'ordre de 250 m/mn, la plaquette d a une durée de vie supérieure aux autres plaquettes qui se situent, par ordre d'usure croissante, dans l'ordre a, c, b. It can be seen that from a speed of the order of 250 m / min, the wafer has a longer service life than the other wafers which are, in increasing order of wear, in the order a, c, b.
Une seconde série d'essais, destinée à caractériser la résistance à l'usure en cratère, a consisté à mesurer, pour une durée de coupe de 8 mn, la profondeur de cratérisation (en microns) en fonction de la vitesse de coupe Vc en mètres par minute. A second series of tests, intended to characterize the resistance to wear in a crater, consisted in measuring, for a cutting time of 8 min, the depth of craterization (in microns) as a function of the cutting speed Vc in meters per minute.
On constate qu'au-delà de 240 m/mn, la plaquette d a une profondeur de cratérisation nettement moindre (l'échelle représentée étant logarithmique) que les autres plaquettes qui se situent, à grande vitesse, dans l'ordre suivant: b, c, a, par ordre d'usure croissante. It can be seen that beyond 240 m / min, the plate has a significantly smaller crater depth (the scale represented being logarithmic) than the other plates which are located, at high speed, in the following order: b, c, a, in increasing order of wear.
On peut noter également que la plaquette a s'effondre au bout de 3 1Zz mn pour une vitesse de coupe de 350 m/mn, avec une profondeur de cratérisation de 210 |j. et la plaquette c, pour la même vitesse, s'effondre après 4'A mn pour une profondeur de cratérisation de 260 n. It can also be noted that the wafer has collapsed after 3 1Zz min for a cutting speed of 350 m / min, with a craterization depth of 210 µd. and the plate c, for the same speed, collapses after 4'A min for a crater depth of 260 n.
Le classement des trois plaquettes a, b, c étant rigoureusement inverse dans les deux séries d'essais, on peut conclure à la supériorité manifeste de la plaquette de l'outil selon l'invention quant à ses caractéristiques globales de coupe. The classification of the three inserts a, b, c being strictly opposite in the two series of tests, it can be concluded that the insert of the tool according to the invention is clearly superior in terms of its overall cutting characteristics.
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Legal Events
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| PL | Patent ceased |