Importance de l'alignement dans les process de tournage des aciers

L'idée que l'usinage des aciers est simple est erronée mais elle est répandue dans l'industrie transformatrice des métaux. Néanmoins, les opérateurs expérimentés connaissent les difficultés du tournage des matières ISO P. La première difficulté est la grande variété des matières classées dans le domaine ISO P, allant des aciers bas carbone ductiles aux aciers fortement alliés.

Vient ensuite la grande variation de dureté de ces matières. Enfin, les applications sont très variables tout comme les conditions d'usinage dans les ateliers.

À l'évidence, le tournage des aciers présente des difficultés liées aux variations importantes de propriétés et la sélection d'une nuance de coupe adaptée est une tâche difficile.

Une nuance polyvalente

Pour toute nuance de tournage des aciers, la résistance à la rupture est la propriété la plus importante. Les nuances doivent aussi posséder des arêtes suffisamment dures pour résister à la déformation plastique induite par les températures très élevées au niveau de la zone de coupe.
Par ailleurs, le revêtement des plaquettes doit être résistant à l'usure en dépouille, à l'usure en cratère et aux arêtes rapportées. De plus, il est crucial que le revêtement ait une excellente adhérence au substrat des plaquettes. En effet, si ce n'est pas le cas, le substrat risque de se trouver exposé, ce qui entraînerait une défaillance rapide de la plaquette.

Au vu de la variété des exigences, il est important de comprendre la structure des nuances de tournage des aciers pour effectuer des choix judicieux pour chaque application.

Structure des plaquettes carbure

La base de toute plaquette est un cœur de carbure cémenté que l'on appelle le substrat. C'est le substrat qui détermine la ténacité et la résistance des plaquettes. Il joue aussi un rôle important dans la résistance à la déformation plastique.
Le substrat de carbure cémenté est généralement recouvert par plusieurs couches de revêtement composées notamment de carbonitrure de titane (TiCN), d'alumine (Al2O3) ou de nitrure de titane (TiN) qui permettent d'améliorer la ténacité des arêtes, l'adhérence sur le substrat et la résistance à l'usure. Il existe différents types d'usure : en dépouille, en cratère, et par la formation d'arêtes rapportées. L'adhérence au substrat et l'organisation des cristaux au niveau microscopique sont des paramètres importants des revêtements.

Le bouclier romain

Dans les revêtements d'alumine conventionnels, les cristaux sont disposés de manière aléatoire, comme sur la Figure 1a. Mais en contrôlant la croissance des cristaux des revêtements, il est possible de les orienter dans la même direction, comme on le voit sur la Figure 1b, de manière à améliorer la résistance à l'usure.

Pour comprendre l'importance de l'orientation des cristaux, nous pouvons faire un parallèle avec l'art militaire romain. Lorsque les légions romaines dressaient un siège, elles déployaient un mur de boucliers – le Testudo, c'est-à-dire la tortue. Cette technique consiste à dresser tous les boucliers des soldats côte à côte en les faisant se chevaucher de manière à former une armure impénétrable. De cette manière, les Romains pouvaient s'approcher des fortifications qu'ils attaquaient sans risque.

L'alignement des cristaux d'une couche de revêtement de plaquette fonctionne de la même manière. Les cristaux serrés et orientés dans la même direction forment un bouclier résistant au niveau de la zone de coupe.

Une orientation unidirectionnelle des cristaux

Les équipes de R&D de Sandvik Coromant ont mis au point une technique qui permet de contrôler la croissance des cristaux d'alumine afin d'assurer qu'ils soient tous orientés dans la même direction en présentant leur face la plus résistante à l'extérieur. Cette technologie brevetée nommée Inveio® représente une véritable percée technologique qui apporte une résistance et une durée de vie beaucoup plus grandes aux plaquettes.

Les cristaux serrés et orientés dans la même direction forment un bouclier résistant au niveau de la zone de coupe et du copeau. Les plaquettes dotées de revêtements Inveio® offrent une meilleure résistance à l'usure en cratère et en dépouille. Un autre effet intéressant offert par cette technologie est que la chaleur est plus rapidement évacuée de la zone de coupe, ce qui contribue à préserver l'intégrité des arêtes de coupe pendant plus longtemps. Au total, ces plaquettes sont plus prévisibles et ont une durée de vie plus longue.

Dans la seconde génération de plaquettes Inveio® incarnée par les nuances de tournage des aciers GC4415 et GC4425, les propriétés du revêtement unidirectionnel ont été encore améliorées. L'orientation des cristaux est mieux contrôlée et offre des performances plus régulières ainsi qu'une résistance à l'usure plus longue.

Coupes interrompues

Nous avons vu les deux paramètres les plus importants dans le choix d'une plaquette de coupe, le substrat et le revêtement, mais il en existe un troisième : les performances dans les coupes interrompues. C'est un paramètre important car il influence les risques de rupture des plaquettes.
La résistance à la rupture peut être améliorée par un post-traitement qui consiste à bombarder le revêtement à l'aide de particules céramique vives. Cette opération agit comme un martelage qui compacte le revêtement afin de le renforcer. Grâce à ce traitement, les plaquettes supportent beaucoup mieux les coupes interrompues.

Nouvelles nuances GC4415 et GC4425

Sandvik Coromant a récemment lancé deux nouvelles nuances pour le tournage des aciers ISO P. Ces nuances, GC4415 et GC4425, sont idéales pour les productions de pièces en grandes séries tout autant qu'en lots.

Équipées d'un nouveau substrat tenace renforcé par un revêtement Inveio® de seconde génération, elles offrent une grande fiabilité et une résistance à l'usure supérieure. En outre, le nouveau procédé de post-traitement mis en œuvre dans la fabrication de ces nuances améliore leurs propriétés dans les coupes interrompues, notamment en raison de leur plus grande résistance à la rupture, ce qui leur permet de donner des performances supérieures dans un grand champ d'applications.
Chez les clients de Sandvik Coromant, les nouvelles plaquettes ont fait leurs preuves en autorisant des vitesses de coupe (Vc) et des avances (Fn) plus élevées. Chez un fabricant du secteur de la mécanique générale, la nuance GC4425 a été utilisée pour une opération d'ébauche extérieure multidirectionnelle sur une pièce en acier 4140 ayant subi un traitement thermique préalable. Par rapport à la plaquette ISO concurrente utilisée précédemment dans le process, la productivité a doublé, le temps de cycle a été réduit de 50% et le coût a baissé de 30%.

L'usinage des aciers ISO P présente des difficultés. Mais en sélectionnant les nuances de coupe de manière judicieuse et en privilégiant celles qui offrent des substrats tenaces et incorporent les dernières avancées technologiques dans le domaine de la science des matériaux de coupe et de l'outillage, il est possible de faire une vraie différence en termes d'efficacité et de productivité.