La présente invention se rapporte à un traitement de surface d'un matériau constitué de métal par étincelage. A titre d'exemple, la présente invention se rapporte à un procédé et à un appareil de traitement de surface par étincelage pour former une couche de revêtement sur une surface de pièce d'ouvrage en générant la décharge électrique entre une électrode et la pièce d'ouvrage. L'électrode peut être constituée d'un matériau de reformage ou de son matériau de départ. Dans les autres cas, l'électrode est constituée d'un matériau utilisé de manière habituelle. La présente invention peut être appliquée à un traitement de surface d'outil ou de moule métallique de même qu'au traitement de surface d'un objet nécessitant une résistance à la corrosion et une résistance à l'usure telle qu'une structure de machine et que des pièces de machine.
En outre, la présente invention se rapporte également à un traitement de surface destiné à conférer une rugosité de surface finie de haute qualité de même qu'un revêtement de surface possédant une résistance à l'usure élevée sur une surface d'un matériau constitué d'acier ou d'un métal dur. Le métal dur peut être un métal fritte constitué d'un mélange de carbure de tungstène et de cobalt.
Il est classique de conférer une résistance à la corrosion et une résistance à l'usure en formant un revêtement sur une surface d'un matériau constitué de métal par étincelage dans un fluide de traitement.
A titre d'exemple, une décharge électrique est générée dans un fluide de traitement entre une pièce d'ouvrage et une électrode qui est formée en mélangeant puis en comprimant des poudres de WC (carbure de tungstène) et de Co (cobalt) sous forme d'un matériau formateur d'électrode. Le matériau formateur d'électrode est déposé sur la pièce d'ouvrage pour définir une couche de revêtement. Puis, un usinage par étincelage en refusion (EDM) est effectué par une autre électrode telle qu'une électrode de Cu (cuivre) ou une électrode de Gr (graphite). Ainsi, il est possible de conférer à la couche de revêtement une dureté et une adhérence supérieures.
En outre, une étape de nitruration est connue pour élever la résistance d'un acier ou analogues.
A titre d'exemple, une pièce d'ouvrage telle qu'une matrice est traitée par nitruration après découpe par un outil ou formage par étincelage. Avant l'étape de nitruration, une surface traitée de la pièce d'ouvrage est polie du fait que l'azote s'intègre difficilement, comme tel, dans la surface traitée par étincelage. En conséquence, si la pièce d'ouvrage est soumise à un traitement thermique tel qu'un durcissement par trempe ou analogues après l'étape de nitruration, la structure durcie ne revient pas facilement à son état antérieur sous l'effet de la température élevée d'une telle opération de traitement thermique.
Ensuite, un exemple de technique classique sera décrit en détail en se référant aux fig. 15a à 15c.
La fig. 15a est un dessin explicatif montrant une première étape de traitement dans un procédé de traitement de surface par étincelage classique. La fig. 15b est un dessin explicatif montrant une seconde étape de traitement dans le procédé de traitement de surface par étincelage classique. La fig. 15c est un schéma synoptique sous forme de blocs montrant le procédé de traitement de surface par étincelage classique.
Dans la première étape de traitement, une pièce d'ouvrage d'un métal de base de type S50C est usinée par étincelage dans un fluide de traitement par l'emploi d'une électrode constituée de compact vert associée à un mélange de WC-Co, de sorte que le mélange de WC-Co soit déposé sur la pièce d'ouvrage. Dans la seconde étape de traitement, une surface de la pièce d'ouvrage est refondue par une électrode telle qu'une électrode de Cu qui possède une résistance élevée à l'usure. Lorsque le mélange de WC-Co est déposé sur la pièce d'ouvrage au cours de la première étape de traitement, la dureté de la structure de la couche de revêtement est d'environ Hv=1410 et il y persiste de nombreuses lacunes.
Toutefois, au cours de l'opération de refusion de la couche constituée d'un mélange de WC-Co dans la seconde étape de traitement, les lacunes incluses dans la couche de revêtement disparaissent et la dureté est élevée jusqu'à Hv=1750.
Un tel procédé de traitement de surface peut permettre d'obtenir un matériau constitué d'acier doté d'une couche de revêtement possédant une dureté élevée et une bonne adhérence. Toutefois, il est difficile de former une telle couche de revêtement de bonne adhérence sur une surface d'un matériau fritte tel qu'un métal dur.
Comme mentionné précédemment, il existe certains types de pièces d'ouvrage qu'il est difficile de doter d'une couche de revêtement de haute qualité par un procédé de traitement de surface par étincelage (décharge électrique) classique.
Les inventeurs de la présente demande ont mené une expérience telle que ci-après. Un usinage par étincelage en refusion a été conduit dans de l'huile en utilisant une électrode constituée par compactage d'un hydrure métallique tel que TiH2 (hydrure de titane). Ensuite, l'huile a été décomposée pour produire du carbone par la température élevée de la décharge électrique, avec pour effet de composer du TiC (carbure de titane). En outre, le TiH2 a été décomposé pour produire de l'hydrogène. Un tel hydrogène a servi à nettoyer une surface de revêtement. En résultat, il a été confirmé qu'une couche de revêtement de surface possédant une résistance élevée et une bonne adhérence a pu être formée sur celle-ci.
Il a également été confirmé que, dans le cas d'une utilisation de TiH2, la couche de revêtement était constituée de TiC carbonisé et de Ti non-carbonisé ou de leur produit intermédiaire. Dans le cas d'une utilisation de VH, ou analogues, au lieu de TiH2, le même résultat était également obtenu. Si du V (vanadium), VC, ou analogues, était ajouté à TiH2, il devenait possible de conférer à la couche de revêtement une dureté beaucoup plus élevée. De cette manière, si l'usinage par étincelage en refusion est effectué dans de l'huile par l'électrode constituée d'un hydrure métallique compacté, la couche de revêtement possédait une dureté élevée et présentait une résistance à l'usure élevée dans la plupart des cas (dans les tests d'abrasion normaux ou analogues).
Toutefois, une arête d'outil de coupe ou une matrice de forgeage à froid reçoit une pression élevée appliquée par le matériau métallique constitutif de la pièce d'ouvrage et est parfois chauffée par celui-ci. Puis, une affinité est générée entre la pièce d'ouvrage et la surface de la couche de revêtement par la décharge électrique, c'est-à-dire une surface de l'arête de l'outil de coupe et analogues. Ainsi, le degré d'abrasion est accru, de sorte que la durée de vie de l'outil de coupe ou de la matrice ne peut pas être de la durée attendue en se basant sur la dureté élevée et la résistance à l'usure élevée.
Dans le cas d'un traitement de surface par étincelage utilisant une électrode constituée d'un compact vert, la rugosité de surface finie d'une pièce d'ouvrage atteint une valeur élevée si l'on désire élever la vitesse du traitement de surface. A l'heure actuelle, la meilleure rugosité de surface finie est d'environ 6 mu mRz pour une pièce d'ouvrage constituée d'un métal dur et d'environ 9 mu mRz pour une pièce d'ouvrage constituée d'acier, à la condition que la vitesse de traitement de surface soit relativement élevée. La rugosité de surface finie de chacune des pièces d'ouvrage est d'environ 1 mu mRz ou moins avant le traitement de surface. En conséquence, la rugosité de surface est détériorée et accrue par le traitement de surface par étincelage.
Ceci est dû à ce que l'électrode constituée de compact vert s'use pendant le traitement de surface par étincelage, avec pour effet d'y produire des irrégularités. En outre, les grains constitutifs de l'électrode constituée de compact vert tel que l'hydrure de titane (TiH2) sont durs à réduire en poudre fine. La réduction en poudre fine peut provoquer un amorçage électrique et une explosion, ou analogues, lors de la réduction à l'état de poudre. En outre, la décharge électrique est susceptible de concentration partielle par l'effet d'une résistance électrique non-uniforme de l'électrode constituée de compact vert.
Dans le traitement de surface par étincelage, le matériau de revêtement à l'état fondu de température élevée vient frapper la pièce d'ouvrage, et y former des collisions, pour être dispersé sur sa surface. Ainsi, le traitement de surface par étincelage est avantageux comparé au traitement par PVD (dépôt physique en phase vapeur), au traitement par CVD (dépôt chimique en phase vapeur), au traitement par électrodéposition, ou analogues, sous le rapport de sa très forte adhérence. Toutefois, comme mentionné précédemment, il est difficile de parvenir à une rugosité de surface finie pouvant atteindre 1 mu mRz par le traitement de surface par étincelage.
L'usinage par étincelage en refusion peut être utilisé pour un traitement de surface de pièces possédant une résistance ordinaire à l'usure. Toutefois, celui-ci ne convient pas pour un traitement de surface d'une pièce d'ouvrage nécessitant une rugosité de surface finie très fine d'environ 1 mu mRz. A titre d'exemple, l'usinage par étincelage en refusion n'est pas préféré pour les outils de coupe, les matrices de forgeage à froid, les moules métalliques ou les pièces mécaniques utilisées dans un environnement rigoureux tel que dans les paliers, les machines utilisées dans le domaine du Bâtiment et des Travaux Publics ainsi que dans les pièces utilisées dans le cadre de la Construction Navale.
C'est un premier but de la présente invention de proposer un procédé et un appareil de traitement de surface par étincelage qui soient aptes à former une couche de revêtement de haute qualité que le matériau constitutif de la pièce d'ouvrage soit l'acier ou un alliage dur fritte.
C'est un second but de la présente invention de proposer un procédé et un appareil de traitement de surface par étincelage qui soient aptes à former une couche de revêtement qui puisse diminuer l'affinité générée entre du fer tel qu'un acier et une pièce d'ouvrage.
C'est un troisième but de la présente invention de proposer un procédé de traitement de surface par étincelage qui soit apte à conférer une faible rugosité à la surface finie.
Conformément à un premier aspect de l'invention, il est proposé un procédé de traitement de surface par étincelage. Dans le procédé, une couche de revêtement est formée sur une surface de pièce d'ouvrage métallique en appliquant une tension pour générer une décharge électrique entre la pièce d'ouvrage métallique et une électrode, l'électrode étant constituée d'un matériau contenant un matériau de reformage. Ensuite, une étape de nitruration est conduite sur la couche de revêtement.
En conformité avec un second aspect de l'invention, il est proposé un appareil de traitement de surface par étincelage. L'appareil comprend une électrode constituée d'un matériau contenant un matériau de reformage, un moyen pour former une couche de revêtement sur une surface de pièce d'ouvrage métallique en appliquant une tension pour générer une décharge électrique poussée entre la pièce d'ouvrage métallique et l'électrode; et un moyen pour nitrurer la couche de revêtement.
Conformément à un troisième aspect de l'invention, il est proposé un procédé de traitement de surface par étincelage. Dans le procédé, une couche de revêtement est formée sur une surface d'une pièce d'ouvrage métallique en appliquant une tension pour générer une décharge électrique entre la pièce d'ouvrage métallique et une électrode. La couche de revêtement comprend au moins un composant céramique et/ou metallique. Ensuite, une étape de nitruration est conduite sur la couche de revêtement.
Conformément à un quatrième aspect de l'invention, il est proposé un appareil de traitement de surface par étincelage. L'appareil comprend une électrode; un moyen pour former une couche de revêtement sur une surface de pièce d'ouvrage métallique en appliquant une tension pour générer une décharge électrique entre la pièce d'ouvrage métallique et l'électrode, la couche de revêtement incluant au moins un composant céramique et/ou métalique; et une cuve de nitruration pour opérer la nitruration de la couche de revêtement.
Conformément à un troisième aspect de l'invention, il est proposé un procédé de traitement de surface par étincelage. Dans le procédé, une surface de pièce d'ouvrage est traitée par étincelage en utilisant une électrode réalisée par formage sous pression de poudres métalliques qui sont carbonisées jusqu'au durcissement. Le traitement de surface est effectué dans un fluide de traitement décomposé en carbone par la décharge électrique. Ensuite, la surface de la pièce d'ouvrage est meulée. Ensuite, une étape de nitruration est conduite sur la pièce d'ouvrage.
D'autres buts et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante, référence étant faite aux dessins annexés, dans lesquels des modes de réalisation préférés de l'invention sont clairement représentés.
Afin d'atteindre ces buts, il est proposé un procédé de traitement de surface tel que décrit dans la revendication 1 et un appareil de traitement de surface tel que décrit dans la revendication 17. Des variantes et formes d'exécution particulières sont décrits dans les revendications dépendantes.
La fig. 1 est une vue simplifiée montrant un appareil de traitement de surface par étincelage en conformité avec un premier mode de réalisation de l'invention.
La fig. 2 est une vue simplifiée montrant un appareil de traitement de surface par étincelage en conformité avec un second mode de réalisation.
La fig. 3 est une vue simplifiée montrant un dispositif utilisé dans l'étape de nitruration par une décharge silencieuse effectuée dans le système de traitement de surface du second mode de réalisation.
La fig.
4 est une vue simplifiée montrant un dispositif utilisé dans une étape de nitruration par une décharge silencieuse effectuée dans un système de traitement de surface par étincelage en conformité avec un troisième mode de réalisation de l'invention.
La fig. 5 est un dessin explicatif montrant un procédé de traitement de surface par étincelage en conformité avec un quatrième mode de réalisation de l'invention.
La fig. 6 est une vue simplifiée montrant un appareil de nitruration en conformité avec le quatrième mode de réalisation de l'invention.
La fig. 7 est un graphique montrant une rugosité de surface mesurée d'une pièce d'ouvrage ayant été traitée par un traitement de nitruration du quatrième mode de réalisation.
La fig.
8 est un graphique montrant une dureté de surface mesurée d'une pièce d'ouvrage ayant été traitée par un traitement de nitruration du quatrième mode de réalisation.
La fig. 9 est un graphique montrant la variation de dureté qui se produit dans la section transversale allant d'une surface à une partie interne d'une couche de revêtement de pièce d'ouvrage ayant été traitée par un traitement de surface du quatrième mode de réalisation.
La fig. 10a est un dessin montrant les profils d'un section transversale de surface traitée d'une pièce d'ouvrage constituée d'un métal dur ayant été traitée par traitement de surface par étincelage du quatrième mode de réalisation, mais n'ayant pas encore été polie.
La fig.
10b est un dessin montrant le profil d'une section transversale de surface traitée d'une pièce d'ouvrage constituée d'un métal dur ayant été traitée par un traitement de surface par étincelage du quatrième mode de réalisation, puis polie.
La fig. 10e est un dessin représentant le profil d'une section transversale de surface traitée d'une pièce d'ouvrage constituée d'acier ayant été traitée par un traitement de surface par étincelage du quatrième mode de réalisation, mais n'ayant pas encore été polie.
La fig. 10d est un dessin représentant le profil d'une section transversale de surface traitée d'une pièce d'ouvrage constituée d'acier ayant été traitée par un traitement de surface par étincelage du quatrième mode de réalisation, puis polie.
La fig.
11a est un dessin conceptuel montrant une structure de surface de pièce d'ouvrage ayant été traitée par le traitement de surface par étincelage du quatrième mode de réalisation.
La fig. 11b est un dessin conceptuel montrant une structure d'une surface de pièce d'ouvrage ayant été traitée par le traitement de surface par étincelage du quatrième mode de réalisation, puis ensuite ayant été polie et ayant subi une étape de nitruration.
La fig. 12 est un dessin montrant le profil d'une section transversale d'une pièce d'ouvrage ayant été dotée d'une couche de revêtement de surface épaisse dans un traitement de surface en conformité avec un cinquième mode de réalisation de l'invention.
La fig.
13 est un dessin explicatif montrant les états d'usure d'un outil de coupe ayant été traité par le traitement de surface en conformité avec le cinquième mode de réalisation de l'invention.
La fig. 14 est un graphique montrant une relation entre la dureté d'un matériau de revêtement et le degré d'usure qui s'est produit dans le traitement de surface en conformité avec le cinquième mode de réalisation de l'invention.
La fig. 15a est un dessin explicatif montrant une première étape de traitement dans un procédé de traitement de surface par étincelage classique.
La fig. 15b est un dessin explicatif montrant une seconde étape de traitement dans le procédé de traitement de surface par étincelage classique.
La fig. 15c est un schéma synoptique sous forme de blocs montrant le procédé de traitement de surface par étincelage classique.
Plusieurs modes de réalisation préférés de la présente invention seront décrits ci-après en se référant aux dessins annexés. Sur les dessins, les mêmes lettres de référence et les mêmes références numériques indiquent les éléments identiques ou correspondants qui sont utilisés en commun dans les modes de réalisation et la description est omise pour éviter toute redondance.
Comme mentionné dans la description de la technique apparentée, un mélange de WC-Co peut être déposé sur un matériau constitué de métal sous forme de pièce d'ouvrage par une décharge électrique, laquelle est générée entre la pièce d'ouvrage et l'électrode constituée de compact vert et d'un mélange de WC-Co. Ensuite, un film du mélange de WC-Co peut être formé sur le matériau constitué de métal par refusion de la couche de WC-Co déposée par l'électrode de Cu.
Les inventeurs ont conduit une expérience et trouvé les résultats suivants. Une décharge électrique a été générée entre le matériau métallique constitutif de la pièce d'ouvrage et une électrode constituée d'un matériau tel que Ti pour obtenir la composition d'un carbure dur. Ensuite, il a été confirmé qu'un film de revêtement très dur pouvait être formé sur la surface de la pièce d'ouvrage constituée de métal sous la forme de la couche de revêtement sans traitement de refusion ni seconde étape de traitement représentée à la fig. 15b. Ensuite, une décharge électrique a été générée entre le matériau de la pièce d'ouvrage constituée de métal et une électrode constituée de compact vert d'un hydrure métallique tel que TiH2.
Ensuite, il a été découvert qu'un film de revêtement dur, possédant une très bonne adhérence, pouvait être formé plus rapidement que dans le cas d'utilisation de Ti sous la forme du matériau constitutif de l'électrode. En outre, une décharge électrique a été générée entre le matériau de la pièce d'ouvrage constituée de métal et une électrode constituée de compact vert d'un hydrure métallique tel que TiH2 associé à un autre métal ou à une céramique. Ensuite, il a été confirmé qu'un film de revêtement dur, doté de diverses caractéristiques de dureté, de résistance à l'usure, et ainsi de suite, pouvait être formé rapidement.
Une description sera faite de l'étape de nitruration, ci-après, en se référant à divers modes de réalisation de la présente invention. L'étape de nitruration a pour effet de reformer et d'améliorer les couches de revêtement formées en utilisant l'électrode à base de métal constituée de Ti, ou analogues, l'électrode à base de compact vert constituée d'un hydrure métallique tel que TiH2 et l'électrode à base de compact vert constituée d'un hydrure métallique tel que TiH2 associé à un autre métal ou à une céramique.
La fig. 1 représente de manière simplifiée un appareil de traitement de surface par étincelage en conformité avec un premier mode de réalisation de l'invention.
En se référant à la fig. 1, un outil de coupe ou une fraise à queue 101a est utilisé comme pièce d'ouvrage dans ce mode de réalisation. Une unité porte-pièce d'ouvrage 102 supporte la fraise à queue 101a. L'unité porte-pièce 102 comporte un mécanisme destiné à entraîner la fraise à queue 101a en rotation par un ordre délivré par une unité de commande numérique 100, si nécessaire. Une unité d'entraînement 103 déplace l'unité porte-pièce 102 dans les directions de l'axe X, de l'axe Y et de l'axe et de l'axe Z ou selon un angle et une position désirés par un ordre délivré par l'unité de commande numérique 100. Une électrode à base de compact vert 104 est constituée de TiH2 ou analogues. Une unité porte-électrode 105 supporte l'électrode à base de compact vert 104.
La fraise à queue 101a et l'électrode 104 sont reçues dans une cuve de traitement 106. La cuve de traitement 106 contient un fluide de traitement 107 dans lequel la fraise à queue 101a et l'électrode à base de compact vert 104 sont immergées. Une unité de source d'énergie 108 délivre l'énergie permettant de générer une décharge électrique 50 entre l'électrode 104 et la fraise à queue 101a. Une cuve de nitruration 109 est disposée sur le côté de la cuve de traitement 106 aux fins du traitement de nitruration. Un couvercle 110 est fixé sur une extrémité supérieure de la cuve de nitruration 109 de manière à être ouvert et fermé. Un dispositif de chauffage 111 est disposé sur un fond de partie interne de la cuve de nitruration 109. Une unité d'alimentation à gaz 112 délivre un gaz nitrurant dans la cuve de nitruration 109.
La fraise d'extrémité 101 subit un traitement de surface par étincelage dans la cuve de traitement 106 et est formée avec une couche de revêtement, avec pour effet de se transformer en fraise à queue traitée en surface 101b. Une telle fraise à queue 101b est transférée et reçue à l'intérieur de la cuve de nitruration 109 aux fins de traitement de nitration. La fig. 1 illustre une situation dans laquelle la fraise à queue 101b est traitée par nitruration.
Un appareil de revêtement par étincelage 114 de ce mode de réalisation est composé de l'unité porte-pièce 102, de l'unité d'entraînement 103, de l'électrode à base de compact vert 104, de l'unité porte-électrode 105 et de la cuve de traitement 106. Un appareil de nitruration 113 de ce mode de réalisation est composé de la cuve de nitruration 109, du couvercle 110, du dispositif de chauffage 111 et de l'unité d'alimentation à gaz 112. L'unité de commande numérique 100 commande le fonctionnement de l'unité porte-électrode 105 et de l'unité de source d'énergie 108, sur le côté cuve de traitement, de même que celui du dispositif de chauffage 111 et de l'unité d'alimentation à gaz 112, sur le côté cuve de nitruration.
Le fonctionnement du système de traitement de surface de ce mode de réalisation sera décrit ci-après. La décharge électrique 50 est générée entre l'électrode à base de compact vert 104 et la fraise à queue 101a, dans le fluide de traitement 107. Ensuite, un film de revêtement constitué de Ti, ou analogues, est formé sur la fraise à queue 101a. Dans ce cas, l'électrode à base de compact vert 104 définit une cathode, la fraise à queue 101a définissant une anode.
Même si les polarités de l'électrode 104 et de la fraise à queue 101a sont inversées, la plupart des effets sont obtenus, bien qu'il existe une petite différence. L'électrode à base de compact vert 104 est usée par la décharge électrique 50, de sorte qu'une couche de revêtement est formée sur la surface d'une fraise à queue 101a. Une telle couche de revêtement est principalement composée de Ti, lequel est un constituant de l'électrode 104. En d'autres termes, un matériau de reformage (dans ce cas Ti) contenu dans l'électrode 104 passe de l'électrode 104 à la surface de la fraise à queue 101a, sous la forme d'une pièce d'ouvrage. Ainsi, la couche de revêtement contenant le matériau de reformage est formée sur la surface métallique de la pièce d'ouvrage.
Dans la mise en Öuvre de l'invention, l'électrode 104 n'est pas limitée à l'électrode à base de compact vert constituée de TiH2, mais peut être une électrode constituée de Ti à l'état solide ou d'une électrode constituée d'un autre groupe de Ti. Toutefois, l'électrode à base de compact vert 104 constituée de TiH2 est avantageuse sous le rapport de la vitesse de formage, de l'adhérence, de la facilité de traitement, et analogues, de la couche de revêtement déposée sur la fraise à queue 101a.
Le présent mode de réalisation utilise l'électrode 104 qui est fondamentalement constituée d'hydrure métallique pour les raisons suivantes. En général, l'hydrure métallique est instable et est décomposé à une température de quelques centaines de degrés centigrades, avec pour effet de libérer de l'hydrogène, comme montré dans la formule ci-après.
TiH2 -> Ti + H2
Ensuite, dans le cas de la décharge électrique utilisant l'électrode à base d'hydrure métallique, il se produit un effet avantageux en ce que l'hydrogène décomposé nettoie la surface de la fraise à queue 101. En outre, il existe un autre effet avantageux en ce que la vitesse de revêtement s'accroît puisque l'électrode à base d'hydrure métallique est facilement brisée par la chaleur de la décharge électrique.
Le film, ou couche, de revêtement est formé par la décharge électrique qui est appliquée entre la fraise à queue 101a et l'électrode à base de compact vert de TiH2 104. Une telle couche de revêtement est principalement composée de TiC. Ceci est dû à ce que le fluide de traitement 107 est une huile. Plus en détail, du carbone (C) est décomposé thermiquement à partir de l'huile par la décharge électrique. Le carbone réagit chimiquement avec le Ti présent dans l'électrode à base de compact vert 104 sous l'effet de la chaleur, avec pour effet de se transformer en TiC, comme montré dans la formule ci-après.
Ti + C -> TiC
TiC est une substance très dure ayant une dureté de Vickers comprise dans un intervalle allant de 2000 à 3000 et sert de couche de revêtement de haute qualité. A l'évidence, dans le cas du remplacement de l'électrode à base de Ti par une autre électrode composée de V (vanadium), Nb (niobium), Ta (tantale), ou analogues, dont le carbure est un matériau dur, les mêmes effets sont obtenus.
Une étape de nitruration de la fraise à queue 101b dotée de la couche de revêtement contenant principalement du TiC sera décrite ci-après.
Dans la cuve de nitruration 109, de l'azote gazeux est introduit en fontaine et injecté à partir de l'unité d'alimentation à gaz 112, de sorte que l'intérieur de la cuve 109 soit maintenu sous atmosphère d'azote. Le couvercle 110 est ouvert lorsque la fraise à queue 101b, sous forme d'outil de pièce d'ouvrage, est placée dans la cuve de nitruration 109, ou en est prélevée, et est fermé lorsque la nitruration est effectuée sous atmosphère d'azote. Pendant la nitruration, le dispositif de chauffage 111 chauffe la fraise à queue 101b, celui-ci subissant une nitruration à quelques centaines de degrés DEG C sous atmosphère d'azote dans la cuve 109. Ensuite, l'étape de nitruration de la fraise à queue 101b arrive à son terme.
Ainsi, le composé de Ti n'ayant pas réagi, existant dans la couche de revêtement, se tranforme en TiN par la nitruration de la fraise à queue 101b. Au même moment, la nitruration transforme le composé de TiC qui est le principal constituant de la couche de revêtement en TiCN. Le composé de TiCN définit une meilleure couche de revêtement que le composé de TiC, lorsqu'il s'agit du revêtement de l'outil. Le composé de TiCN possède sensiblement la même dureté que TiC, mais présente une affinité avec le fer qui est moindre que TiC. Il en résulte que TiCN est supérieur à TiC comme matériau de revêtement d'outil.
En général, les revêtements de TiCN sont formés en couche par PVD (dépôt physique en phase vapeur). Toutefois, un dispositif de PVD dans le cas d'un tel dépôt est très instable et dur à manipuler, sauf par des experts. En outre, le PVD nécessite un dispositif complexe et coûteux. Au contraire, dans le présent mode de réalisation, la couche de revêtement à base de TiCN peut être formée en utilisant un procédé simple de traitement par étincelage et de traitement de nitruration.
La cuve de nitruration 109 et la cuve de traitement 106 peuvent être unifiées en une seule cuve, de telle manière qu'une telle cuve unique soit utilisée en alternance pour le traitement par étincelage et pour le traitement de nitruration. A l'évidence, ces cuves respectives peuvent être prévues de manière indépendante, comme dans ce mode de réalisation. Le fluide de traitement 107peut être pulvérisé sur la fraise à queue 101a et sur l'électrode 104 au moment de l'usinage par étincelage en refusion, au lieu de les immerger dans le fluide de traitement 107. En outre, il est possible d'effectuer la nitruration en plaçant simultanément l'intérieur de la cuve sous atmosphère azotée, lorsque l'usinage par étincelage en refusion est effectué tout en pulvérisant le fluide de traitement 107.
A ce moment, un gaz ammoniaque peut également être appliqué au lieu de l'azote gazeux comme gaz introduit par fontaine en sortie de l'unité d'alimentation à gaz 112 pour la nitruration. Du point de vue de la réaction chimique du traitement de nitruration, il est davantage préféré d'utiliser le gaz ammoniaque. Cependant, le gaz ammoniaque dégage une odeur puissante. En conséquence, celui-ci requiert qu'un dispositif soit utilisé pour supprimer l'odeur. En outre, celui-ci requiert des installations de sécurité pour les étapes de fabrication. Il en résulte que l'azote gazeux est meilleur eu égard à de telles installations de sécurité.
La couche de revêtement obtenue par traitement de surface par étincelage est principalement constituée de TiC. Toutefois, elle comporte également un composé de Ti résiduel n'ayant pas réagi, de sorte qu'elle peut à l'occasion soulever un problème dans le cas d'un revêtement d'outil tel que la fraise à queue 101b. Ceci est dû à ce que le métal de Ti présente une affinité élevée avec le fer. C'est à dire que, lors de l'usinage du fer (acier) sous la forme d'une pièce d'ouvrage par l'outil ou la fraise à queue 101b, le fer peut être porté à fusion et adhérer à la fraise à queue ou que la couche de revêtement peut être arrachée de la fraise à queue.
De manière générale, il est préférable de réduire l'affinité de la couche de revêtement (de l'outil ou analogues) avec le fer, pour la rendre aussi faible que possible. En conséquence, dans le procédé de traitement de surface par étincelage de ce mode de réalisation, le traitement de nitruration est conduit pour diminuer l'affinité. Grâce à la nitruration, les composés de Ti n'ayant pas réagi existant dans la couche de revêtement sont transformés en TiN, de sorte que l'affinité entre la couche de revêtement et le fer soit grandement diminuée.
Un test de découpe a été mené en utilisant la fraise à queue 101b traitée par la nitruration du présent mode de réalisation.
Lorsqu'un revêtement dur est déposé en couche sur la fraise à queue 101b par l'électrode à base de compact vert constituée de TiH2 104, la durée de vie de la fraise à queue 101b est sensiblement deux fois plus longue que celle d'une fraise à queue non traitée. En outre, lorsque la fraise à queue 101b est traitée par nitruration après avoir été dotée de la couche de revêtement dur par usinage par étincelage en refusion au moyen de l'électrode à base de TiH2, la durée de vie de la fraise à queue 101b est prolongée jusqu'à sensiblement trois fois celle de la fraise à queue non traitée.
La fig. 2 représente de manière simplifiée un appareil de traitement de surface par étincelage en conformité avec un second mode de réalisation de l'invention.
En se référant à la fig. 2, l'appareil de traitement de surface par étincelage possède sensiblement la même structure que l'appareil de traitement de surface par étincelage du premier mode de réalisation. L'unité de source d'énergie 108 peut être une source d'énergie à impulsions intermittentes, une source d'énergie à courant alternatif haute fréquence, une source d'énergie à décharges silencieuses, ou analogues, comme désiré, pour générer une décharge électrique. Une fraise à queue 201a est la même que la fraise à queue 101a du premier mode de réalisation. Une électrode à base de compact vert 204 est constituée de TiH2, comme dans le premier mode de réalisation. Il peut s'agir d'une électrode contenant un matériau brut comme matériau de reformage qui se transforme en matériau de reformage par la réaction.
Il peut, sinon, s'agir d'une électrode à base de Ti à l'état solide. Toutefois, une électrode ne comportant pas de matériau de reformage peut être utilisée, si elle est apte à former une couche de revêtement sur les surfaces de la pièce d'ouvrage. Fondamentalement, toute électrode peut' être utilisée dans la mesure où elle produit un matériau de revêtement qui devient dur par nitruration.
Par ailleurs, le présent mode de réalisation possède une structure différente du système de nitruration. Plus précisément, une cuve de nitruration 209 est disposée sur le côté cuve de traitement 106 à des fins de traitement par nitruration. Celle-ci comporte un récipient en verre 210 disposé sur une surface interne d'une cuve métallique 211. Une unité d'alimentation à gaz 212 délivre du gaz nitrurant dans la cuve de nitruration 209. En se référant à la fig. 3, la cuve de nitruration 209 reçoit dans sa partie interne une fraise à queue 201b qui a été obtenue par couchage d'une couche mince sur une surface de la fraise à queue 201a.
Un appareil denitruration 213 de ce mode de réalisation est composé de la cuve de nitruration 209 et de l'unité d'alimentation à gaz 212. Une unité de commande numérique 200 commande le fonctionnement de l'unité porte-pièce 102, de l'unité d'entraînement 103, de l'unité porte-électrode 105 et de l'unité de source d'énergie 108, sur le côté cuve de traitement, de même que le fonctionnement de l'unité d'alimentation à gaz 212, sur le côté cuve de nitruration.
Une couche de revêtement principalement constituée de Ti, ou analogues, est formée sur la fraise à queue 201a pour définir la fraise à queue 201b par la même opération que dans le premier mode de réalisation. Ensuite, une étape de nitruration de la fraise à queue 201b sera décrite ci-après.
De l'azote gazeux est éjecté de l'unité d'alimentation à gaz 212 dans l'intérieur de la cuve de nitruration 209. Ensuite, l'intérieur est maintenu sous atmosphère azotée. Sous l'effet de l'ordre donné par l'unité de commande numérique 200, la fraise à queue 201b finie par le traitement de surface par étincelage est déplacée jusqu'à la cuve de nitruration 209. Une décharge silencieuse (décharge de courant alternatif délivré par un diélectrique) est générée dans la cuve de nitruration 209 pour la nitruration de la fraise à queue 201b. Dans ce cas, la fréquence est de préférence d'environ 200 kHz et la tension est de préférence d'environ 10 KV.
La fig. 3 montre de manière simplifiée un traitement de nitruration utilisant une décharge silencieuse dans le système de traitement de surface du second mode de réalisation.
En se référant à la fig. 3, la décharge silencieuse est générée entre la fraise à queue 201b et la cuve métallique 211 présente dans la cuve de nitruration 209. Plus précisément, une tension appliquée entre la fraise à queue 201b et la cuve métallique 211 est une tension d'un courant alternatif de plusieurs kilovolts (kV). Une telle tension induit une charge électrique en direction du récipient en verre 210. Ensuite, la charge électrique est déchargée pour générer la décharge silencieuse entre la fraise à queue 201b et le récipient en verre 210. Bien que la décharge silencieuse est une puissance extrêmement faible dans le cas de l'usinage, elle agit pour provoquer par un effet puissant une réaction chimique. Si la décharge silencieuse est générée sous atmosphère azotée, la réaction de nitruration peut être favorisée.
Le récipient 210 peut être constitué d'un autre diélectrique que le verre. En outre, la fréquence est de préférence comprise entre plusieurs dizaines de Hz à quelques MHz et la tension est de préférence compris dans un intervalle allant de plusieurs dizaines de V à quelques MV dans la décharge silencieuse. De plus, le gaz nitrurant introduit en fontaine en sortie de l'unité d'alimentation à gaz 212 peut être un gaz ammoniaque comme dans le premier mode de réalisation.
Le présent mode de réalisation conduit un traitement de revêtement par étincelage de manière à doter l'outil, ou analogues, d'une couche mince de revêtement telle qu'une couche d'un composé de TiC + Ti contenant un mélange de TiC et de Ti. Ensuite, le traitement de nitruration est effectué sur la couche de revêtement de l'outil par une décharge électrique telle qu'une décharge luminescente, une décharge corona, une décharge silencieuse, une décharge du type arc puisé ou une décharge du type arc de courant alternatif haute fréquence. Le traitement de nitruration peut être effectué en chauffant la surface traitée à une température de 500 DEG C ou plus et en délivrant l'azote gazeux ou le gaz ammoniaque sur une telle surface chauffée de manière à provoquer la réaction de nitruration.
En outre, celui-ci peut être effectué par imprégnation de la surface traitée par un sel fondu tel que le cyanure de potassium (KCN). De plus, elle peut être conduite en délivrant l'azote gazeux tout en chauffant la surface de l'outil par un laser.
Dans une telle couche de revêtement nitrurée, une partie superficielle composée de TiC et de Ti est celle qui est le mieux nitrurée. Le degré de nitruration diminue progressivement vers l'intérieur de la couche de revêtement. Cela signifie que la couche de revêtement se trouve dans un état de nitruration présentant une déclivité. Ceci revient à dire que la couche de revêtement a une densité élevée de TiCN et de TiN au niveau de la partie superficielle, tandis qu'augmenté progressivement la densité de TiC et de Ti vers l'intérieur.
Au contraire, une couche de nitruration est, de manière classique, formée sur un outil de coupe, ou analogues, par électrodéposition en phase vapeur, c'est-à-dire par CVD (dépôt chimique en phase vapeur) ou par PVD (dépôt physique en phase vapeur). Avec un tel procédé, un plasma constitué de TiN ou de TiAIN est couché sur l'outil de coupe. Avec les dépôts du type CVD et PVD, bien que la couche de revêtement de TiN ou de TiAIN adhère à la surface de la pièce d'ouvrage ou de l'outil, celle-ci n'est pas diffusée dans la pièce d'ouvrage. En outre, la couche de revêtement de TiN ou de TiAIN est nitrurée de manière égale dans chaque direction de l'épaisseur.
Ensuite, la couche de revêtement présentant la déclivité de ce mode de réalisation sera comparée à la couche de revêtement recouverte uniformément de TiN, ou analogues, par le procédé de PVD classique, ou analogues.
(1) Lorsqu'une force externe, ou de la chaleur, est appliquée à la surface de la couche de revêtement possédant la structure inclinée, une telle couche de revêtement transmet celle-ci au métal de base tout en atténuant sa contrainte mécanique ou sa contrainte thermique. En conséquence, l'arrachement et le fissurage de la couche de revêtement se produisent rarement.
Le traitement de surface par étincelage est également avantageux pour atténuer la contrainte mécanique ou la contrainte thermique, puisque la densité du Ti s'accroît vers l'intérieur de la couche de revêtement. Ceci est dû à ce que la surface de la couche de revêtement est protégée par le TiCN ou le TiN dont la résistance à l'usure est élevée et dont l'affinité avec le matériau traité est faible. Simultanément, la contrainte mécanique ou la contrainte thermique peuvent être atténuées par le Ti qui présente une ténacité accrue vers l'intérieur de la couche de revêtement.
(2) La couche de revêtement à base d'un mélange de TiC + Ti est frittée par la décharge électrique et est fortement diffusée dans le métal de base par la température élevée et la haute pression qui sont générées pendant un temps très bref au moment de la décharge électrique. Il en résulte que, si la couche de revêtement est formée de manière épaisse sur la pièce d'ouvrage par le revêtement dû à une décharge électrique, une telle couche de revêtement est difficile à arracher.
En conséquence, même si la couche de nitruration est rendue plus épaisse dans une large mesure, sa déclivité est maintenue en l'état et l'adhérence ne se détériore pas. Au contraire, si la couche de nitruration est rendue par PVD d'une épaisseur de 3 mu m ou plus, par exemple, son adhérence devient encore moins bonne. Ceci est similaire au phénomène qui se produit lorsqu'une couche déposée par électrodéposition est facilement arrachée de la pièce d'ouvrage dans le cas où elle est d'une grande épaisseur.
(3) Lorsque le TiC et le Ti résiduel sont nitrurés pour se transformer en TiCN et en TiN, le volume de la pièce d'ouvrage est accru. Alors, la contrainte résiduelle de la couche de revêtement s'exerce dans la direction de compression comparée à l'état après traitement par le revêtement de surface par étincelage. Ceci revient à dire qu'une contrainte de traction est habituellement générée au niveau de la surface usinée par usinage par étincelage en refusion et de la surface usinée par revêtement par étincelage. Toutefois, le matériau est fondu dans le traitement de nitruration et est ensuite solidifié. Ainsi, la contrainte résiduelle est convertie dans la direction de compression, avec pour effet d'empêcher le fissurage de la couche de revêtement.
Comme précédemment mentionné, il est à l'évidence préféré et très important de conduire le traitement de nitruration après formation de la couche de revêtement par le traitement de surface par étincelage. Si la réaction de nitruration est effectuée par décharge électrique dans de l'azote liquide, les mêmes effets sont obtenus que précédemment.
Le procédé de revêtement par étincelage réalisant l'invention sera décrit ci-après plus en détail.
Comme procédé de traitement de surface par étincelage pour former la couche de revêtement, il existe un certain nombre de procédés: l'étincelage dans un liquide tel que l'huile, l'étincelage sous atmosphère gazeuse tels que l'azote, l'air ou l'argon.
Tout d'abord, un exemple est décrit dans lequel le traitement de surface par étincelage est effectué dans une huile ou dans un gaz (air, atmosphère azotée et atmosphère non-oxydée telle que Ar (argon) ou He (hélium) autre que l'azote) en utilisant l'électrode à base de compact vert 104, 204 de TiH2.
[1] Décharge Electrique dans de l'Huile TiH2 -> Ti+C (Carbone décomposé à partir de l'huile) -> TiC+Ti (non-carbure résiduel)
[2] Décharge Electrique dans un Gaz (1) Atmosphère Azotée TiH2 ->Ti+N2 ->TiN+Ti (non-nitrure résiduel)
(2) Air (normalement une atmosphère oxydée n'est pas utilisée) TiH2 -> Ti+O2+N2 ->
TiO2+TiN+Ti (non-oxyde, non-nitrure résiduel)
(3) Argon Gazeux TiH2 ->Ti
Comme montré précédemment, il demeure du Ti autre que TiC, TiN et TiO2, sans qu'ils se transforment en carbure, en oxyde ou en nitrure.
A ce moment, si le traitement de nitruration est effectué sur la couche de revêtement obtenue par décharge électrique dans de l'huile ou dans un gaz, le résultat est tel que ci-après.
[1] Nitruration après Décharge Electrique dans de l'Huile TiC+Ti -> TiCN+TiN
Ceci revient à dire que la surface de la couche de revêtement comporte seule du TiCN et du TiN, tandis que le Ti résiduel existe à l'intérieur de la couche de revêtement.
Le TiCN est un matériau très dur dont la dureté de Vickers est d'environ HV2600. En conséquence, cet état est préférable pour former le revêtement destiné à l'outil de coupe.
[2] Nitruration après Décharge Electrique dans un Gaz (1) Atmosphère Azotée TiN+Ti ->TiN+TiN
Plus précisément, la surface de la couche de revêtement comporte seule du TiN, tandis que le Ti résiduel existe à l'intérieur de la couche de revêtement.
(2) Air (normalement, une atmosphère oxydée n'est pas utilisée)
TiO2+TiN+Ti ->TiO2+TiN+TiN
Le TiO2 présente une faible dureté d'environ HV980. En conséquence, cet état n'est pas utilisé. Dans la mise en Öuvre de l'invention, il est nécessaire d'empêcher que du TiO2 soit généré par cyclage du N2 gazeux.
(3) Argon Gazeux Ti ->TiN
(Remarque) Ici, bien que l'azote gazeux soit communément désigné par N2, il se transforme en atome au cours de la réaction de nitruration. En conséquence, il est désigné ici par N.
Le traitement de nitruration mis en Öuvre dans la réalisation de la présente invention sera décrit ci-après.
Il existe un certain nombre de procédés de nitruration. Spécifiquement, on utilise la décharge électrique. Un autre procédé consiste à chauffer la couche de revêtement à une température de 500 DEG C ou plus puis à délivrer l'azote gazeux ou le gaz ammoniaque sur la surface de la couche de revêtement. Un autre procédé encore consiste à imprégner la pièce d'ouvrage d'un sel à l'état fondu. Un autre procédé encore consiste à utiliser l'électrolyse. Encore un autre procédé utilise le chauffage par laser.
[1] Procédé de Nitruration utilisant la Décharge Electrique
(1) Décharge Luminescente, Décharge Corona
Le courant de décharge est très faible. Toutefois, celui-ci a pour effet de ioniser l'azote gazeux, d'où résulte la génération d'une action de nitruration. A ce moment, l'élévation de la température moyenne est de 100 DEG C ou moins, ce qui est sensiblement une élévation de température ordinaire, de sorte que la pièce d'ouvrage métallique est difficile à transformer.
(2) Décharge Silencieuse
Eu égard au phénomène que constitue la décharge électrique, celle-ci ressemble à la décharge corona. Un isolateur est placé entre la couche de revêtement de la pièce d'ouvrage et une électrode en formant une couche de verre, ou analogues, sur la surface de l'électrode. Une source d'énergie en courant alternatif haute fréquence et haute tension est utilisée pour générer une décharge électrique entre les charges apparaissant sur l'isolateur et sur la couche de revêtement. Si la tension et la fréquence sont élevées, la puissance d'entrée peut être importante. Du fait que la décharge silencieuse n'est pas facilement transformée en décharge du type arc, la décharge électrique ne se concentre pas sur un point spécifique.
Ici, si la puissance d'entrée est omega , si la constante diélectrique est epsilon , la tension est V et la fréquence est f, l'expression suivante est obtenue.
omega INFINITY epsilon * V * f
Avec la décharge silencieuse, il est facile de maintenir la température moyenne à 500 DEG C ou moins. En outre, l'azote gazeux est ionisé, avec pour effet de présenter une action de nitruration.
(3) Décharge du type Arc à Courant Alternatif Haute Fréquence
II s'agit d'un système à source d'énergie utilisé dans l'usinage par décharge électrique par fil ou analogues. Il s'agit d'une décharge du type arc à densité de courant élevé qui s'effectue au point de décharge. Il en résulte que la température du point de décharge atteint le point d'ébullition de la couche de revêtement, bien que sur une surface minuscule. Il en résulte que la réaction chimique due à la nitruration est intense et que la décharge électrique atteint facilement des dizaines de um de profondeur en partant de la surface de la couche de revêtement. Bien que la température du point de décharge soit très élevée, la température moyenne de la couche de revêtement est faible. Elle est d'environ de 50 DEG C ou moins dans un liquide, comme il est connu dans l'étincelage dans un liquide.
Il est également facile de maintenir la température moyenne à une valeur ne dépassant pas la température de ramollissement de l'acier durci, même dans le cas de l'étincelage dans un gaz. La distance séparant l'anode de la cathode tend à être faible, de sorte qu'il est préférable d'établir la tension à une valeur élevée.
(4) Décharge du type Arc Puisé par Intermittence
II s'agit de la même source d'énergie que celle utilisée pour l'usinage par étincelage appliqué à la gravure de matrice. Il s'agit d'une décharge du type arc à densité de courant d'étincelage élevée, comme dans le cas de la décharge de (3). En conséquence, la réaction de nitruration du point de décharge est intense comme dans la décharge de (3). C'est également le cas pour l'élévation de la température, ou analogues, la température moyenne étant faible. La différence avec la décharge du type arc à courant alternatif haute fréquence réside en ce que la décharge électrique utilisant le courant alternatif haute fréquence est répétée tandis que les polarités sont, tour à tour, converties. Ainsi, il n'existe qu'un très court temps de repos avant ou après la conversion de polarités qui s'y effectue.
En conséquence, la décharge électrique peut être générée au même point de décharge que le point dans lequel s'est produite la décharge électrique précédente. Ainsi, ceci peut provoquer un "arc haute fréquence". Au contraire, la décharge du type arc puisé par intermittence peut spécifier et obtenir le temps de repos comme désiré, de sorte que le contrôle du temps de repos est possible.
Dans l'un quelconque des procédés de nitruration utilisant la décharge électrique comme mentionné précédemment, les températures moyennes sont maintenues à 100 DEG C au moins comme valeurs maximales, bien que la température des points de décharge soit élevée. Par suite, même si un acier tel qu'une pièce d'ouvrage est traité par durcissement par trempe ou analogues, le métal de base peut se transformer en nitrure sans que la dureté soit abaissée. En outre, la pièce d'ouvrage peut se transformer en nitrure jusqu'à des dizaines de um de profondeur depuis sa surface du fait de la température élevée au point de décharge.
Particulièrement, du fait que le traitement de nitruration par étincelage peut atteindre une profondeur de nitruration allant jusqu'à de telles dizaines de um, la durée de vie d'un outil de coupe, sous forme de pièce d'ouvrage, est prolongée de dix fois ou plus.
Dans le traitement de revêtement par étincelage sous azote gazeux, la distance séparant l'anode de la cathode est comparativement faible, bien que celui-ci utilise la même tension que la décharge électrique dans un liquide. En conséquence, un tel traitement de revêtement peut facilement générer des courts-circuits. Pour empêcher de tels courts-circuits, il est utile d'établir la tension de l'usinage par étincelage en refusion à une valeur élevée. Sinon, il est préféré d'entraîner la fraise à queue 201b en rotation également dans le traitement de nitruration, en montant celle-ci sur l'unité porte-pièce 202 de la même manière que dans le revêtement par étincelage décrit en se référant à la fig. 2.
[2] Procédé pour Chauffer la Couche de Revêtement à 500 DEG C ou plus et pour délivrer de l'Azote Gazeux ou du Gaz Ammoniaque sur la Surface de la Couche de Revêtement.
Comme décrit précédemment, ce procédé est facile à mettre en Öuvre et se révèle efficace dans le cas de la nitruration de la couche de revêtement avec chauffage simultané à 500 DEG C ou plus, de préférence à une température voisine de 700 DEG C. En conséquence, il existe une forte possibilité qu'un tel procédé soit utilisé dans de nombreux cas. Quoi qu'il en soit, il est hautement possible que la dureté soit abaissée dans le cas de l'acier durci. En outre, en cas de nitruration par chauffage, l'azote gazeux est simplement un gaz de température élevée, de sorte qu'il existe la possibilité qu'il soit légèrement ionisé ou dissocié.
Pourtant, puisque l'azote gazeux n'est pas ionisé autant que dans le procédé utilisant le phénomène de décharge électrique précédemment mentionné, la zone chimiquement réactive est limitée à une couche très mince (de quelques um) de la surface de la couche de revêtement. En vue d'amener la couche de revêtement à réagir aussi profondément que possible, il est nécessaire d'élever la température de chauffage et d'allonger la durée du chauffage. En conséquence, ce procédé est utilisé dans le cas d'une pièce d'ouvrage telle que constituée de métal dur ou d'un certain type d'acier rapide. Toutefois, ce procédé n'est pas préféré dans le cas d'une pièce d'ouvrage, ou d'un métal de base, dont la dureté diminue par durcissement par trempe.
Dans ce procédé, l'ammoniaque peut être utilisé à la place de l'azote gazeux. Lorsque l'on utilise l'ammoniaque, celui-ci peut abaisser la température de réaction. Ceci revient à dire que, lorsque le NH3 (ammoniaque) est décomposé, le N se trouve à l'état naissant, de sorte que la réaction est activée. Le NH3 est avantageux du point de vue de la production en grande série, bien que le traitement soit source de tracas en raison d'un problème lié à son odeur, comme mentionné précédemment.
[3] Procédé d'Imprégnation de la Pièce d'Ouvrage par un Sel à l'Etat Fondu
Un cyanure tel que le KCN est fondu et une pièce d'ouvrage dotée de la couche de revêtement en est imprégnée. Ce procédé produit les effets avantageux résultant de ce qu'il rend facile de maintenir constante les conditions de traitement, bien qu'il soit nécessaire d'en assurer tout au long la sécurité. En vue de rendre plus rapide la réaction de nitruration, l'électrolyse peut être effectuée dans un banc de sel à l'état fondu en plaçant la pièce d'ouvrage traitée par revêtement par étincelage sur le côté anode.
Ä4Ü Procédé d'Electrolyse
L'électrolyse est effectuée dans une solution aqueuse de cyanure telle que KCN, NaCN, en caractérisant la couche de revêtement réalisée par décharge électrique comme anode. Bien que la nitruration soit seulement obtenue au niveau de la surface de la couche de revêtement, il est facile d'intervenir au cours du traitement dans ce procédé.
Ä5Ü Procédé de Chauffage par Laser
Le faisceau laser est émis en direction de la surface de la pièce d'ouvrage traitée par revêtement par étincelage, tout en gamma délivrant l'azote gazeux. La nitruration peut atteindre un degré compris dans l'intervalle allant d'environ 20 à 40 um de profondeur en conservant la densité énergétique du laser à un degré tel à amener la température de la pièce usinée à déplacer légèrement son point de fusion. Toutefois, ce procédé implique la possibilité qu'une marque de balayage soit laissée par l'irradiation du laser.
Bien qu'il existe divers systèmes de nitruration comme mentionné précédemment, ce mode de réalisation entraine la composition d'un nouveau nitrure servant à la nitruration de la surface de la pièce d'ouvrage sans entraîner l'infiltration de l'azote dans l'acier ou analogues. Il en résulte qu'il est possible de diminuer l'affinité avec une pièce d'ouvrage métallique dans le cas d'un travail de coupe ou la déformation plastique, ou dans le cas où la pièce d'ouvrage métallique vient toucher l'outil et se déplace par rapport à celui-ci sous une pression élevée et avec une température élevée.
Les inventeurs ont élaboré un appareil de traitement de surface par étincelage en conformité avec un troisième mode de réalisation de l'invention représenté à la fig. 4 et ont obtenu des informations spécifiques dans le cadre d'un exemple. Cet exemple montre que la nitruration effectuée sur la surface de revêtement traitée par traitement de surface par étincelage joue un rôle très utile de même qu'il produit des effets très utiles.
La fig. 4 montre de manière simplifiée un dispositif utilisé dans une étape de nitruration par décharge silencieuse dans un système de traitement de surface par décharge électrique en conformité avec le troisième mode de réalisation de l'invention.
En se référant à la fig. 4, une bouteille de gaz 321 contient de l'azote liquide. De l'azote gazeux est délivré de la bouteille de gaz 321 vers un tuyau 324 à travers une vanne 322. Un régulateur de pression 323 sert à réguler la pression de l'azote gazeux éjecté hors du tuyau 324 à une pression fixe. Le tuyau 324 comporte une extrémité ouverte insérée dans une cuve de nitruration 309 aux fins du traitement de nitruration à un emplacement inférieur au centre, dans le sens vertical, de la cuve 309. Un couvercle métallique 325, constitué de fer ou d'acier inoxydable, recouvre l'ouverture formée dans la partie supérieure de la cuve 309 et agit pour maintenir la température de l'azote gazeux. Le couvercle 325 comporte un trou d'aération 326.
Un thermocouple en chromel-alumel 327 est inséré à travers le couvercle 325 dans un état thermiquement isolé de manière à être inséré dans la cuve 309. Une jauge de température 328 est reliée au thermocouple 327 pour afficher la température par une sortie du thermocouple 327.
Une cuve métallique 311 est constituée de fer ou d'acier inoxydable. Une partie d'isolation thermique 310 est constituée d'un isolateur thermique recouvrant l'extérieur de la cuve métallique 311. La cuve de nitruration 309 est constituée de la cuve métallique 311 et de la partie d'isolation thermique 310. Un dispositif de chauffage 315 est disposé à l'intérieur de la cuve 309. Une fraise à queue 301b constitue un outil témoin (métal de base constitué d'un métal dur de Gti), après qu'ait été effectué le traitement de revêtement par décharge électrique dans de l'huile. Une fraise à queue 301b est dotée de la couche de revêtement sur sa surface et est reçue dans la cuve 309. Spécifiquement, la fraise à queue 301b est habituellement constituée d'un matériau d'acier tel qu'un métal dur ou qu'un acier rapide utilisé pour le perçage.
Un dispositif de nitruration 313 est constitué de la cuve de nitruration 309, de la bouteille de gaz 321, de la vanne 322, du tuyau 324, et analogues.
Le traitement de nitruration de l'appareil de traitement de surface par étincelage de ce mode de réalisation est décrit ci-après.
On forme tout d'abord une électrode à base de compact vert (non représentée) par moulage en compression de TiH2 à un rapport de compression de 5 tonnes/cm<2>. On traite ensuite une pointe d'outil de coupe pour tournage au tour constitué d'un métal dur (GTi30) par traitement de revêtement par étincelage en utilisant une telle électrode à base de compact vert. A ce moment, les conditions de traitement de revêtement par étincelage sont: courant de décharge Ip=8A, largeur d'impulsion Zp=2 mu s, temps de repos de 32 mu s, durée de traitement par étincelage de 5 minutes et fluide de traitement constitué de kérosène.
On revêt alors la fraise à queue 301b par traitement de revêtement par étincelage dans de l'huile. On place ensuite la fraise à queue 301b dans la cuve de nitruration 309 et on chauffe par le dispositif de chauffage 315 pendant dix minutes, de telle manière que la jauge 328 indique une température de 700 DEG C. De l'azote gazeux est éjecté de la bouteille de gaz 321 et y est délivré à travers le tuyau 324. A ce moment, la pression de l'azote gazeux présent dans la cuve de nitruration 309 est sensiblement égale à la pression ambiante. De cette manière, une réaction de nitruration est générée au niveau d'une couche très mince des dizaines de mu m d'une couche superficielle de la fraise à queue 301b servant de pièce d'ouvrage.
On soumet la fraise à queue 301b à un test de découpe à des fins d'évaluation, dans lequel on effectue une comparaison entre la première traitée par le dispositif de nitruration 313 et une autre ne comportant que la couche de revêtement traitée par le traitement de revêtement par étincelage. Il en résulte que la fraise à queue nitrurée a sa durée de vie de coupe grandement prolongée. Ceci revient à dire que, si la durée de vie de la fraise à queue constituée de métal dur dépourvue d'un traitement de surface est de "1", la durée de vie de celle ne comportant que les revêtements par étincelage est de "2 à 4" et que la durée de vie de la fraise à queue obtenue par nitruration après traitement de revêtement est de "7 à 8". On prépare une autre électrode à base de compact vert par moulage en compression de TiH2 associé à AIN, à un rapport de 7:3.
On conduit le traitement par décharge électrique sur la pièce d'ouvrage en utilisant une telle électrode. On traite alors une telle pièce d'ouvrage par nitruration, comme précédemment montré. On trouve, en résultat, que la durée de vie de celle-ci est prolongée comme dans le cas ci-dessus.
Plus précisément, conformément aux résultats de tests de coupe, la durée de vie de coupe de la fraise à queue obtenue par nitruration, de la fraise à queue revêtue par étincelage et la fraise à queue constituée d'un métal dur sans aucun traitement sont telles qu'indiquées précédemment. En outre, la durée de vie de la fraise à queue obtenue par nitruration est sensiblement deux fois celle de la fraise à queue ne comportant que le revêtement.
Particulièrement, la nitruration opérée par étincelage atteint plusieurs dizaines de um de profondeur. On découvre, en conséquence, à partir du test de coupe, que la durée de vie de coupe est prolongée de dix fois ou plus en comparaison de la durée de vie de coupe de la pièce d'ouvrage n'ayant pas subi d'étape de nitruration par étincelage.
Divers types d'exemples spécifiques seront décrits ci-après à propos d'un autre traitement par décharge électrique ou de traitement de nitruration conduits par les inventeurs.
Alors que, dans l'exemple précédemment mentionné de traitement de revêtement utilisé pour l'outil de coupe on utilise l'électrode à base de compact vert de TiH2 ou analogues, on peut utiliser une autre électrode. On réalise une électrode à partir d'un hydrure d'un métal de transition tel que VH, ZrH, TaH2. En outre, on réalise une électrode d'un tel hydrure associé à un ou plusieurs matériaux tels que V, VC, A1203, TiB2, AIN, TiN, Nb, NbM. On confirme également que le même rôle, et les mêmes effets, sont obtenus avec l'une ou l'autre des électrodes.
Il est en outre confirmé que le procédé ci-dessus peut être appliqué à d'autres métaux que celui constitutif de l'outil de coupe. Plus précisément, ce procédé peut être utilisé pour la nitruration d'une surface d'un métal de transition obtenu par électrodéposition, pulvérisation thermique, métallurgie des poudres, ou analogues. Par exemple, celui-ci peut être appliqué dans le cas où l'on désire conférer une résistance à l'usure élevée à une surface partielle, ou à la surface entière, d'une matrice ou analogues, ou à une machine ou à un équipement de type agricole, à un outil utilisé dans le bâtiment, à un outil pour le traitement de terrains terreux et sablonneux, etc.
Avec le procédé ou l'appareil de traitement de surface par étincelage réalisé comme dans les modes de réalisation ci-dessus, il est possible de former une couche plus dure sur la surface de la fraise à queue 101a, 201a, que le matériau constitutif de la pièce d'ouvrage soit l'acier ou un métal dur.
Tandis que la pièce d'ouvrage à base de métal des modes de réalisation ci-dessus est la fraise à queue 101a, 201a, il peut en exister toutes sortes d'autres qui nécessitent, à l'évidence, qu'il leur soit conférées une résistance à la corrosion et une résistance à l'usure. A titre d'exemple, il peut s'agir de tout outil, matrice, structure de machine, pièce de machine, ou analogues, qui nécessitent un traitement de surface.
Dans le procédé et l'appareil de traitement de surface par étincelage des modes de réalisation ci-dessus, l'électrode 104, 204, peut être constituée de poudres, d'un hydrure métallique tel que le TiH2. En conséquence, la couche de revêtement possédant une dureté élevée et une meilleure adhérence peut être formée sur la surface métallique, que le matériau constitutif de la pièce d'ouvrage soit l'acier ou un métal dur. En outre, le film dur peut être couché sur la surface de la pièce d'ouvrage à base de métal sans le traitement auxiliaire. En outre, si une telle électrode 104, 204 est utilisée pour générer la décharge électrique destinée au matériau à base de métal de la pièce d'ouvrage, le film dur peut être formé plus rapidement et adhérer plus fortement que celui obtenu avec l'électrode de Ti ou analogues.
L'électrode 104, 204 peut être constituée de l'hydrure tel que TiH2 associé à un autre métal ou à une céramique. Si une telle électrode est utilisée pour générer la décharge électrique, le film dur peut être formé rapidement tout en possédant diverses caractéristiques de dureté, de résistance à l'usure et ainsi de suite.
Dans le procédé et l'appareil de traitement de surface par étincelage des modes de réalisation ci-dessus, l'électrode 104, 204 peut être constituée d'un métal ou d'un composé métallique dont le carbure et le nitrure sont tous deux des matériaux durs ayant une dureté de Vickers de 1000HV ou plus. En conséquence, si l'électrode est constituée d'un matériau se transformant en carbure dur tel que Ti et est utilisée pour une décharge électrique associée au matériau métallique constitutif de la pièce d'ouvrage, un film très dur peut être formé sur la surface métallique sans traitement de refusion. Il en résulte qu'une couche de revêtement de haute qualité peut être formée rapidement et uniformément que le matériau constitutif de la pièce d'ouvrage soit l'acier ou un métal dur.
Dans le premier mode de réalisation, le couvercle 110 de la cuve de nitruration 109 élève le facteur d'utilisation efficace du gaz nitrurant. En conséquence, le couvercle 110 peut être omis. Sinon, la cuve 109 peut ne comporter qu'une ouverture d'une surface spécifique. De plus, la cuve 109 peut comporter une extrémité inférieure qui n'est qu'ouverte.
Dans le procédé et l'appareil de traitement de surface par étincelage des modes de réalisation ci-dessus, la surface de la pièce d'ouvrage à base de métal telle que la fraise à queue 101a peut être revêtue de l'un ou de plusieurs de céramique et de métaux pour définir la couche de revêtement et peut ensuite être traitée par nitruration. En conséquence, si la décharge électrique est générée entre la pièce d'ouvrage et l'électrode à base de compact vert ou à l'état solide 104, 204 associée à la céramique ou au métaux, une couche dure de bonne qualité peut être formée tout en étant dotée de diverses caractéristiques de dureté ou de résistance à l'usure. En outre, le traitement de nitruration peut diminuer l'affinité entre le fer tel que l'acier et la pièce d'ouvrage.
De manière détaillée, un nouveau nitrure est constitué au niveau de la surface de la pièce d'ouvrage, de telle manière que la surface devienne nitrurée. En conséquence, il est possible de diminuer l'affinité de l'outil avec une pièce d'ouvrage à base de métal au cours du travail de découpe, une déformation plastique ou une action telle que la pièce d'ouvrage à base de métal se déplace en contact avec l'outil sous haute pression ou à une température élevée.
Spécifiquement, comme décrit dans le second mode de réalisation, un premier exemple de procédé et d'appareil de traitement de surface par étincelage peut utiliser le phénomène de l'étincelage pour la nitruration. Plus précisément, dans le premier exemple, la surface de la pièce d'ouvrage à base de métal revêtu est nitrurée sous atmosphère d'azote gazeux ou liquide par décharge luminescente, décharge corona, décharge silencieuse, décharge du type arc puisé par intermittence ou décharge du type arc à courant alternatif haute fréquence. En conséquence, en plus des effets avantageux tels que précédemment mentionnés, la partie superficielle de la surface de revêtement est la plus nitrurée, tout en diminuant progressivement le degré de nitruration vers l'intérieur.
Ceci revient à dire que la couche de revêtement présente un état de nitruration présentant une déclivité. Ainsi, si une force et une chaleur externe sont appliquées à la surface de la pièce d'ouvrage, la couche de revêtement possédant une telle structure à déclivité les transmet à la pièce d'ouvrage, tout en atténuant leur contrainte mécanique ou leur contrainte thermique. Par suite, l'arrachage et le fissurage de la couche de revêtement se produit difficilement et il est avantageux d'atténuer la contrainte mécanique et la contrainte thermique. En outre, la couche de revêtement ou les matériaux de reformage se diffusent intensément à l'intérieur de la pièce d'ouvrage. En conséquence, si la couche de revêtement est déposée en couche épaisse sur la pièce d'ouvrage par la charge électrique, il ne se produit aucun arrachage.
En outre, le volume est accru de telle sorte que la contrainte résiduelle se transforme en une contrainte de compression. Plus précisément, la contrainte de traction est habituellement générée sur la surface d'usinage par étincelage en refusion et sur la surface de revêtement par étincelage. Toutefois, dès que le matériau est solidifié au cours du traitement de nitruration, la contrainte résiduelle se transforme en contrainte de compression, avec pour effet d'empêcher le fissurage.
Un second exemple de procédé et d'appareil de traitement de surface par étincelage peut effectuer la nitruration après qu'ait été effectué le couchage sur la surface métallique de la pièce d'ouvrage, tout en chauffant la pièce d'ouvrage à une température de 500 DEG C ou plus et en délivrant l'azote gazeux ou le gaz ammoniaque sur la surface de la pièce d'ouvrage. Comme précédemment mentionné, le second exemple est préféré dans le cas d'un métal dur ou d'un certain type d'acier rapide. Le second exemple produit également les mêmes effets que le premier exemple. Plus précisément, la nitruration présente la déclivité. Le matériau constitutif de la couche de revêtement se diffuse intensément dans la pièce d'ouvrage. La contrainte résiduelle se transforme en contrainte de compression.
Un troisième exemple de procédé et d'appareil de traitement de surface par étincelage peut effectuer la nitruration après qu'ait été effectué le couchage sur la surface métallique de la pièce d'ouvrage, tout en imprégnant la pièce d'ouvrage d'un sel à l'état fondu tel que KCN générant la réaction de nitruration. Dans ce cas, il est facile de maintenir constantes les conditions de traitement. Une électrolyse supplémentaire peut être effectuée pour favoriser la réaction, comme mentionné précédemment. Ce troisième exemple produit également les mêmes effets que le premier exemple. Plus précisément, la nitruration présente la déclivité. Le matériau constitutif de la couche de revêtement se diffuse intensément dans la pièce d'ouvrage. La contrainte résiduelle se transforme en contrainte de compression.
Un quatrième exemple de procédé et d'appareil de traitement de surface par étincelage peut effectuer la nitruration après qu'ait été effectué le couchage sur la surface métallique de la pièce d'ouvrage, tout en utilisant l'électrolyse dans la solution aqueuse de sel de cyanure tel que KCN, NaCN, la pièce d'ouvrage revêtue étant utilisée comme anode. Ce quatrième exemple produit les effets avantageux tels que précédemment mentionnés. En outre, le quatrième exemple présente également les mêmes effets que le premier exemple. Plus précisément, la nitruration présente la déclivité. Le matériau constitutif de la couche de revêtement se diffuse intensément dans la pièce d'ouvrage. La contrainte résiduelle se transforme en contrainte de compression.
Un cinquième exemple de procédé et d'appareil de traitement de surface par étincelage peut effectuer la nitruration après qu'ait été effectué le couchage sur la surface métallique de la pièce d'ouvrage, tout en étant irradié par le faisceau laser et en délivrant l'azote gazeux à la surface de la pièce d'ouvrage. Ce cinquième exemple présente les effets avantageux tels que précédemment mentionnés. En outre, le cinquième exemple présente également les mêmes effets que le premier exemple. Plus précisément, la nitruration présente la déclivité. Le matériau constitutif de la couche de revêtement se diffuse intensément dans la pièce d'ouvrage. La contrainte résiduelle se transforme en contrainte de compression.
Un sixième exemple de procédé et d'appareil de traitement de surface par étincelage peut effectuer la nitruration après qu'ait été effectué le couchage sur la surface métallique de la pièce d'ouvrage, comme suit. Ceci revient à dire que la surface de revêtement par étincelage est traitée par "polissage sous forme de travail de finition" par une pierre à adoucir constituée d'un diamant très fin, de grains abrasifs désagrégés de diamant ou d'une autre pierre à adoucir dure ou grains abrasifs désagrégés. Ensuite, le traitement de nitruration est effectué sur cette surface. L'azote pénètre difficilement dans la surface de la pièce d'ouvrage qui n'est traitée que par usinage par étincelage en refusion.
Toutefois, du fait que la surface est polie par le procédé ou dispositif de polissage, ou analogues, l'azote pénètre facilement dans la couche de surface polie. Il en résulte que, si la pièce d'ouvrage est traitée par un traitement thermique tel qu'un durcissement par trempe ou analogues, la structure durcie ne revient pas facilement à son état originel.
Un septième mode de réalisation du procédé et de l'appareil de traitement de surface par étincelage peut effectuer la nitruration après qu'ait été effectué le couchage sur la surface métallique de la pièce d'ouvrage comme suit. Ceci revient à dire la pièce d'ouvrage est définie par un outil comportant une arête de coupe abrasée. La couche de revêtement est formée sur l'arête de coupe pour être plus épaisse que la partie émoussée. Ensuite, l'arête de coupe dotée de la couche de revêtement est reformée pour être tranchante. Puis, le traitement de nitruration est conduit sur celle-ci. Plus précisément, l'arête est aiguisée avant l'opération de durcissement, à savoir avant d'accroître la dureté par le traitement de nitruration. Il en résulte qu'il est facile d'ajuster finement l'arête de coupe.
Comme précédemment décrit, les inventeurs ont conduit des expériences s'appliquant au traitement de surface par étincelage dans de l'huile, l'électrode à base de compact vert étant principalement constituée de TiH2. Dans ces expériences, ils ont réussi à obtenir une couche de revêtement contenant une quantité élevée de TiC généré en unifiant Ti et une molécule de carbone décomposé dans le fluide de traitement au cours de la décharge. La couche possédait une forte adhérence et une dureté élevée. La rugosité de surface était de 6 mu mRz dans le cas du métal dur et de 6 mu mRz dans le cas de l'acier. En comparaison de la surface de la pièce d'ouvrage traitée par une électrode à base de compact vert associée à un mélange de WC-Co ou à une surface à revêtement thermiquement pulvérisé bien connue, la surface de finition est tout à fait bonne.
Toutefois, elle n'atteint pas 1 mu mRz, valeur qui est requise pour la surface des outils de coupe ou des outils de matriçage à froid.
Ensuite, un quatrième mode de réalisation de l'invention utilise en combinaison une technique de meulage et une technique de nitruration. Le quatrième mode de réalisation est décrit en se référant aux fig. 5 à 11.
On forme tout d'abord une électrode à base de compact vert par moulage en compression d'un métal possédant des propriétés de carbonisation et de durcissement, par exemple, un hydrure métallique tel que TiH2. On traite une pièce d'ouvrage constituée d'acier ou d'un métal dur fritte d'un mélange de WC et de Co, ou analogues, par décharge électrique dans un fluide de traitement qui est décomposé pour produire un carbure, par exemple une huile. On recouvre, ainsi, la surface de la pièce d'ouvrage d'un carbure du matériau constitutif de l'électrode. On meule ou on polit mécaniquement, ensuite la surface que l'on a soumise à une décharge électrique avec un outil, par exemple, comme montré à la fig. 5.
La fig. 5 montre un procédé de traitement de surface par étincelage en conformité avec le quatrième mode de réalisation de l'invention. En se référant à la fig. 5, un métal de base ou métal de base 401, sous forme de pièce d'ouvrage est doté d'une surface électriquement déchargée 402. Un bâtonnet rond 403 sert d'outil de polissage mécanique. Le bâtonnet rond 403 comporte une surface revêtue d'une pâte de diamant qui est pétrie par l'huile et présente un diamètre compris dans un intervalle d'environ 1 à 3 um. On utilise le bâtonnet rond 403 pour polir mécaniquement la surface déchargée 402 du métal de base 401. Dans ce mode de réalisation, on effectue l'usinage par étincelage en refusion dans de l'huile dans les conditions suivantes. La durée du polissage est de dix minutes.
Electrode: Compact vert d'hydrure de titane (TiH2)
Polarité de l'électrode: négative
Intensité du courant de décharge Ip: 8A
Largeur d'impulsion Tactif: 2 mu s
Temps de repos Tinactif: 255 mu s
Durée d'usinage: 5 minutes
Pièce d'ouvrage: Carbure de tungstène et cobalt (WC-Co) et acier spécial pour outil (SKD-11)
On traite ensuite le métal de base poli 401 par nitruration. La fig. 6 montre de manière simplifiée un appareil de nitruration en conformité avec le quatrième mode de réalisation de l'invention.
En se référant à la fig. 6, un logement 420 est prévu pour recevoir le métal de base 401 dans sa partie interne. Un premier récipient 421 est également reçu dans le logement 420 pour contenir de l'azote liquide. Un dispositif de chauffage électrique 422 est disposé sous le logement 421 pour chauffer le métal de base 401. Un second récipient 423 est disposé à l'extérieur du logement 420 pour contenir de l'azote liquide. Un tuyau 424 guide l'azote liquide en sortie du second récipient 423 jusq'au logement 420. L'azote liquide est délivré à l'avance dans le premier récipient 421 de manière à remplir l'intérieur du logement 420 d'azote, avec pour effet d'empêcher le métal de base 401 de s'oxyder.
La fig. 7 montre la rugosité de surface finie d'une pièce d'ouvrage ayant subi différents types de traitements, y compris le traitement de nitruration du quatrième mode de réalisation de l'invention. La fig. 8 montre la dureté de surface d'une pièce d'ouvrage ayant subi différents types de traitement, y compris le traitement de nitruration du quatrième mode de réalisation de l'invention.
On effectue le traitement de nitruration sur le métal de base par l'appareil précédemment décrit. On effectue le traitement de nitruration pendant 10 minutes à 500 DEG C d'une température interne du logement 420. La rugosité de surface et la dureté de surface polies obtenues sont, respectivement, présentées aux fig. 7 et 8. En se référant à la fig. 7, les bâtonnets hachurés sur le côté gauche et hachurés en croix montrent la rugosité de surface finie mesurée sur un premier métal de base électriquement déchargé par une électrode à base de compact vert de TiH2. Les bâtonnets suivants montrent une telle rugosité mesurée sur un second métal de base obtenu par nitruration du premier métal de base.
Les troisièmes bâtonnets montrent une telle rugosité mesurée sur un troisième métal de base dont on a traité la surface par l'électrode à base de compact vert de TiH2 et qu'ensuite l'on a, en outre, poli. Les quatrièmes bâtonnets montrent une telle rugosité mesurée sur un quatrième métal de base obtenu par nitruration du troisième. Il n'existe sensiblement aucune différence ni changement dans la rugosité de surface finie de la pièce d'ouvrage revêtue mais non polie avant et après nitruration. Il n'existe non plus aucune différence ni changement dans la rugosité de surface finie de la pièce d'ouvrage revêtue et polie. Le métal de base que l'on utilise pour celle-ci est un métal dur constitué d'un mélange de WC et de Co (bâtonnet hachuré) et un acier du type SKD11 (bâtonnet hachuré en croix).
La fig. 8 montre une modification de la dureté de surface avant et après nitruration. En se référant à la fig. 8, il est clairement montré que, si l'on traite le métal de base revêtu mais non poli par nitruration, la dureté s'élève. Ceci revient à dire que la dureté de Vickers s'élève de HV1450 à HV1700 dans le cas du métal dur revêtu, tandis qu'elle s'élève de HV1050 à HV 1300 dans le cas de l'acier. Il est évident que la dureté est accrue par la nitruration.
Si la surface revêtue est simplement polie mais non traitée par nitruration, la dureté diminue. Ceci revient à dire que la dureté de Vickers diminue de HV1450 à HV1300 dans le cas du métal dur revêtu, tandis qu'elle tombe de HV1050 à HV500 dans le cas de l'acier revêtu. Dans le cas où on traite ceci par nitruration, la dureté s'élève à HV1450 dans le cas du métal dur revêtu et à HV950 dans le cas de l'acier revêtu. On trouve qu'une telle dureté est beaucoup plus élevée que celle du métal de base en lui-même. Pourtant, la dureté de chaque pièce d'ouvrage que l'on soumet à une étape de nitruration est sensiblement inférieure de HV300 à la dureté de la pièce d'ouvrage revêtue et nitrurée sans polissage.
Ceci peut être dû à ce que la partie superficielle contenant de nombreux composés à base de Ti et un moins grand nombre de composés à base de TiC est supprimé. Quoi qu'il en soit, une telle dureté est sensiblement égale à celle de la pièce d'ouvrage simplement revêtue de TiH2. La rugosité de surface finie est améliorée de manière sûre. En outre, on s'attend à ce que la dureté de celle-ci augmente par l'effet de la nitruration et que sa résistance à l'usure soit élevée.
On effectue un test d'abrasion en se conformant au procédé de test d'abrasion utilisant un disque sur pointe du type Okoshi. En résultat, la quantité d'abrasion qui se produit dans le métal dur revêtu, poli et nitruré est très faible comparée à celle qui se produit dans le métal dur seulement revêtu. Celle-ci est d'environ un dixième comparée au métal dur électriquement déchargé par l'électrode à basé de compact vert de TiH2.
Les conditions de test sont telles qui ci-après.
Forme de la Pointe: PHI 7,98 mm (0,5 cm<2>)
Pression: 0,5 kgf (pression de 1 kgf/cm<2>)
Vitesse d'abrasion: 1 m/s
Disque: SK-3
Atmosphère: air
Quantité d'abrasion: poids d'abrasion parcours de 25 km
Métal dur sans traitement de surface par étincelage: 2 mg
Métal dur avec traitement par étincelage par électrode de Ti: 0,7 mg
Métal dur avec traitement par étincelage par électrode à base de compact vert de TiH2: 0,1 mg
Métal dur avec traitement par étincelage par électrode à base de compact vert de TiH2, meulage et nitruration: environ 0,01 mg bien que trop faible pour être mesurée.
On vérifie si l'augmentation de la dureté par l'appareil de nitruration dépend du mélange de l'azote gazeux ou simplement du traitement thermique. En conséquence, on traite le métal dur électriquement déchargé par l'électrode à base de compact vert de TiH2 par un traitement thermique à l'air dans les mêmes conditions que celles que l'on a utilisé dans le traitement de nitruration (à 500 DEG C et sous pression atmosphérique). En résultat, il est confirmé que la dureté a chuté. On suppose que le composé de TiC ou analogues est oxydé jusqu'à se transformer en suboxyde de titane (TiO), TiO2 ou analogues. Plus précisément, la dureté diminue comparée à celle du métal de base du fait que la couche à base d'un composé de TiC+Ti déposée sur la surface du métal de base est oxydée jusqu'à se transformer en TiO2 ou analogues.
Ainsi, il est formé une couche de surface de dureté inférieure sur la surface du métal de base, bien que la dureté du métal de base n'est pas été modifiée.
Ensuite, le fonctionnement et les effets du quatrième mode de réalisation sont décrits.
Tout d'abord, la description est faite d'un état de surface dans le cas où l'on uniformise la surface électriquement déchargée par polissage mécanique et où l'on effectue ensuite un traitement par nitruration.
La fig. 9 montre une modification de la dureté dans une section transversale allant de la surface à l'intérieur de la couche de revêtement d'un métal de base, électriquement déchargé. On effectue la décharge électrique sur le métal de base d'une dureté de Vickers d'environ HV300 dans de l'huile en utilisant une électrode à base de compact vert de Ti. En se référant à la fig. 9, Vtic montre un rapport volumique de TiC/To sur la surface électriquement déchargée, dans laquelle la molécule de Ti est liée par un atome de C qui est produit à partir de l'huile décomposée avec pour effet de produire le composé de TiC. On peut modifier le rapport volumique en contrôlant la largeur d'impulsion du courant de décharge, la durée de la décharge et l'alimentation en fluide de traitement ou en huile de traitement.
On mesure la dureté de Vickers HV sous une charge de 0,01 kg (10 gm).
Comme précédemment décrit, la dureté de la surface du métal de base est élevée et diminue vers l'intérieur. Cela signifie que la teneur en TiC décroît et la proportion de Ti augmente vers l'intérieur. Ainsi, si l'on polit la surface du métal de base avec des grains abrasifs de diamant ou analogues, on uniformise la surface mais en diminuant la dureté de surface.
Toutefois, si l'on effectue le traitement de nitruration sur le métal de base dans de telles conditions, le Ti résiduel se transforme en TiN, et le TiC se transforme en TiCN. Il en résulte que la dureté augmente de nouveau, comme montré à la fig. 8. Comme montré à la fig. 7, la nitruration ne provoque sensiblement aucune modification de la rugosité de la surface finie.
Les fig. 10a à 10b montrent les profils en section transversale de surface électriquement déchargée de métaux durs avant et après polissage. On effectue la décharge électrique pendant une brève durée avec une faible.intensité électrique (courant de décharge Ip=7A, largeur d'impulsion Tactif=2 mu s).
Dans cet exemple, dans lequel on désire obtenir un revêtement mince, il est possible que les pointes d'une irrégularité de la couche traitée dépassent suffisamment du métal de base, mais que leurs racines s'enfoncent dans la partie interne en partant de la surface du métal de base. Ceci est dû à ce que Ti, comme composé constitutif de l'électrode à base de compact vert, renforce l'action d'usinage lorsqu'il est appliqué dans la surface du métal de base par la décharge, avec pour effet de s'enfoncer dans le métal de base. En conséquence, le niveau d'adhérence devient très élevé. Ceci ressort du fait que Ti est diffusé plus profondément dans le métal de base dans le cas d'un métal de base plus dur (par exemple un métal dur) que dans le cas du métal de base plus doux (par exemple acier).
Ainsi, si l'on effectue le polissage mécanique à un degré tel qu'il ne permette pas d'atteindre la partie interne du métal de base recouvrant la surface électriquement déchargée ou la couche de revêtement, la couche de revêtement demeure en l'état. En vue de démontrer ce fait, on effectue le polissage mécanique presque jusqu'à la surface originelle du métal de base et l'on effectue ensuite la nitruration. Il en résulte, comme montré à la fig. 8, que le niveau de dureté présente une nette amélioration. Ensuite, une description est faite d'un état de surface traitée par nitruration après qu'ait été effectué le traitement de surface par étincelage. On en déduit les significations importantes ci-après eu égard à la nitruration de la surface traitée par étincelage.
1) II est bien connu qu'une contrainte de traction demeure sur la surface déchargée du fait que la surface d'usinage par étincelage en refusion subit de nombreuses séquences de fusion et de refroidissement rapide. Si l'on traite le métal de base par nitruration après avoir effectuer le traitement par étincelage, le niveau de dureté augmente. Au même moment, le volume s'accroît par la pénétration de l'azote pour réduire la contrainte de traction résiduelle, la contrainte étant transformée en contrainte de compression en fonction des conditions. Ainsi, la résistance à l'abrasion, ou analogues, devient plus élevée.
2) Dans le cas où l'on effectue la nitruration des outils de coupe ou de matrice d'usage en matière plastique que l'on a traité par décharge électrique avec l'électrode à base de compact vert de Ti, l'affinité avec le fer sous forme de pièce d'ouvrage est réduite. Alors, l'abrasion due à l'adhérence diminue, avec pour effet d'accroître la résistance à l'abrasion.
3) Comme précédemment mentionné, la nitruration ne produit aucun effet sur la rugosité de surface. En conséquence, il est possible de maintenir la rugosité de surface usinée au niveau d'une surface finie avant la nitruration. Plus précisément, la résistance à l'abrasion est améliorée tandis que persiste une surface finie de bonne qualité (se référer à la fig. 7).
Ensuite, en se référant à la fig. 11, une description est faite d'un concept de structure de surface d'un métal de base que l'on polit après avoir effectué un traitement de surface par étincelage puis que l'on traite par nitruration.
Si le revêtement de surface traitée par étincelage n'est pas déposé en couche suffisamment épaisse du fait d'une limite de la durée d'usinage, de la taille, ou analogues, la structure de la surface n'est pas globalement uniforme. La surface comportera encore certains creux, comme montré à la fig. 11. Une telle rugosité de surface finie n'est pas toujours bonne, lorsqu'on la mesure. Toutefois, en cas d'exigence d'un faible coefficient de frottement ou d'une résistance à l'abrasion élevée, une telle surface peut supporter une charge importante. Les creux tendent à agir comme rainures réceptrices d'huile dans le cas d'un lubrifiant tel que l'huile, de sorte qu'un bon résultat est au contraire obtenu.
On a conduit une expérience concernant la mesure par diffraction aux rayons X et de l'analyse des composés constitutifs de la couche de revêtement. On a effectué l'analyse par diffraction aux rayons X sur la surface usinée par l'électrode à base de compact vert de TiH2 puis on a poli et nitruré celle-ci. Il a alors été confirmé la présence de TiCN et de TiN.
Dans le quatrième mode de réalisation, on utilise la barre ronde revêtue de la pâte de diamant comme exemple de polissage de la surface du métal de base électriquement déchargé par l'électrode à base de compact vert de TiH2. Toutefois, on peut utiliser tout moyen de polissage, dans la mesure où il s'agit d'un polissage mécanique tel que par déplacement manuel, déplacement rotatif, déplacement en va-et-vient ou vibrations aux ultrasons. Sinon, il peut s'agir d'un meulage de surface utilisant simultanément une action électrochimique telle qu'un meulage électroliquide.
Un cinquième mode de réalisation est décrit ci-après. L'un des buts de la présente invention se rapporte à un traitement de sur-revêtement de la fraise à queue ou d'un foret revêtu de TiN ou de Ti(AlN). Dans ce cas, il est nécessaire de repolir le revêtement par une meule diamantée, ou analogues, avant le sur-revêtement, avec pour effet de supprimer les parties abrasées. Un procédé de traitement par étincelage qui ne nécessite pas un tel repolissage est décrit ci-après.
La fig. 12 montre une propriété, ou condition, d'une surface traitée d'un métal de base dans lequel un revêtement de surface traité par étincelage a été déposé en couches épaisses. Dans le cas des fig. 10a à 10d, le courant de décharge est d'une valeur de Ip=7A et la largeur d'impulsion de décharge est de Tactif=2 mu s. Dans le cas de la fig. 12, le courant de décharge est d'une valeur Ip=7A et la largeur d'impulsion de décharge est de Tactif=16 mu s. Comme montré à la fig. 12, le revêtement de surface atteint facilement une épaisseur d'environ 20 mu m ou plus, en une durée voisine de dix minutes. En conséquence, une partie abrasée normale de l'outil due à l'action de découpe peut être remise en état.
En outre, si la largeur d'impulsion de décharge Tactif est plus longue d'une valeur telle qu'environ 32 mu s, l'épaisseur du revêtement atteint facilement environ 100 mu m. Dans ce cas, la rugosité de la surface finie est aussi importante que presque 20 mu m. Toutefois, le revêtement est meule par la meule diamantée ou analogues, de manière à former une arête d'outil. Au même moment, le couchage est fini pour avoir une rugosité de surface finie d'environ 1 mu mRmax, valeur qui est requise pour une surface d'outil de coupe. Puis, la nitruration est effectuée.
Avec un tel traitement de meulage par étincelage, le sur-revêtement est possible dans la mesure où l'outil de coupe ne subit pas une détérioration importante, en n'étant pas soumis au travail de repolissage et à la diminution de taille de l'outil de coupe lui-même dû au repolissage. La diminution de la taille de l'outil due au repolissage limite le nombre d'opérations de sur-revêtement.
La fig. 13 montre divers états abrasés de l'outil de coupe. Dans le cas d'un repolissage, il est nécessaire de supprimer même une partie de base de l'outil ou du métal de base en vue de supprimer par découpe les parties abrasées. En conséquence, la quantité enlevée par meulage devient énorme. Toutefois, si elle est remise en état de manière à y renfermer le matériau de revêtement dû au traitement de surface par étincelage, la quantité enlevée est faible et l'outil peut être utilisé beaucoup plus de fois.
Comme montré à la fig, 13, si la décharge électrique est simplement effectuée sur un outil de coupe fortement abrasé, une telle décharge agit seulement sur les parties en déplacement de la surface. En conséquence, le revêtement ne s'accumule sur des hauteurs importantes que sur les parties en dépassement, de sorte qu'un reformage ou un événement est parfois difficile. Dans ce cas, l'électrode est tournée ou basculée. Alors, le revêtement accumulé sur les parties en dépassement est enlevé par la décharge avec l'électrode venant du côté latéral et les creux formés entre eux sont progressivement remplis. Si un tel remplissage est insuffisant, la surface traitée, y compris les creux, est revêtue d'un composé de compact vert pétri avec un agent adhésif tel que l'araldite.
Ensuite, la décharge électrique est effectuée sur celle-ci en utilisant l'électrode à base de compact vert ou, si nécessaire, une électrode de cuivre, de graphite, d'un mélange de tungstène et d'argent, ou analogues, qui est utilisée dans un usinage par étincelage en refusion normal. En conséquence, le traitement de remplissage est possible, bien que la rugosité de la surface finie ne soit pas aussi bonne. Ensuite, le traitement de nitruration est effectué sur celle-ci.
Ce procédé peut être utilisé non seulement dans l'usinage de correction s'appliquant aux parties endommagées de l'outil de coupe, mais également dans l'usinage de correction s'appliquant aux métaux ou aux pièces de palier. En outre, il peut être appliqué à tous les domaines de l'industrie.
Ensuite, une description est faite sur l'émoussage d'une arête de coupe et sur son procédé de remise en état ou de correction.
Lorsque le traitement de surface par étincelage est effectué sur une partie tranchante telle qu'une arête de coupe de l'outil, l'arête de coupe tend à être facilement émoussée. Ceci est dû à ce que l'arête de coupe tranchante présente un gradient de potentiel élevé et que la décharge se concentre sur un tel emplacement, si celui-ci est usiné avec une électrode telle que l'électrode à base de compact vert de TiH2. En conséquence, celui-ci s'émousse facilement.
Pour remédier à l'émoussage de l'arête de coupe, l'arête de coupe est revêtue du revêtement par étincelage d'une épaisseur suffisante pour être entièrement recouverte. Alors, l'arête de coupe et la surface finie sont usinées par un moyen de meulage selon une forme préférée pour l'action du meulage. Ensuite le traitement de nitruration est effectué.
Tandis que l'appareil de nitruration est représenté à la fig. 6, un autre mode de réalisation est décrit ci-après.
Dans l'appareil de chauffage d'un fer à souder, un fil de nichrome est enroulé. Une partie chauffée de la fraise à queue, du foret ou analogues est placée à l'intérieur de la bobine. Ceux-ci sont disposés sous atmosphère azotée et de l'électricité leur est appliquée. Ensuite, la température augmente facilement jusqu'à une valeur comprise entre environ 500 et 600 DEG C. Du fait que la nitruration est effectuée à une température de 300 DEG C ou plus, un tel appareil comportant un dispositif de chauffage à bobine agit efficacement.
Un faisceau laser (laser CO2 ou laser YAG) vient irradier une partie à nitrurer, tout en y délivrant de l'azote gazeux, avec pour effet de la nitrurer. Ceci est également efficace.
La fig. 14 montre une relation entre la dureté d'un matériau de revêtement et le degré d'abrasion qui se produit dans un traitement de surface d'un sixième mode de réalisation de l'invention. Le sixième mode de réalisation explique la génération de Ti2N en ajustant l'atmosphère d'azote. En se référant à la fig. 14, on trouve que la perte d'abrasion de l'outil de coupe est moindre da <SDO NM=Drawings>
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