Choisir votre nuance de carbure :un guide

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Alors que le terme métallurgique « nuances de carbure » fait spécifiquement référence au carbure de tungstène (WC) fritté avec du cobalt, le même terme a une signification plus large en usinage :carbure de tungstène fritté combiné à des revêtements et autres traitements. Par exemple, deux plaquettes de tournage fabriquées dans le même matériau en carbure mais avec un revêtement ou un post-traitement différent sont considérées comme des nuances différentes. Cependant, les combinaisons de carbure et de revêtement manquent de normalisation de la classification, de sorte que différents fournisseurs d'outils de coupe utilisent des noms et des méthodes de classification différents pour leurs tableaux de nuances. Cela peut rendre la comparaison des nuances difficile pour l'utilisateur final, un problème particulièrement éprouvant étant donné que l'adéquation de la nuance de carbure pour une application donnée affecte considérablement les conditions de coupe possibles et la durée de vie de l'outil.

Pour naviguer dans ce labyrinthe, les utilisateurs doivent d'abord comprendre ce qui constitue une nuance de carbure et comment chaque élément influence différents aspects de l'usinage.

Qu'est-ce que le Substrat ?

Le substrat est le matériau nu de la plaquette de coupe ou de l'outil solide sous les revêtements et les post-traitements. Il est généralement composé de 80 à 95 % de WC. Pour donner au substrat les propriétés souhaitées, les fabricants de matériaux ajoutent divers éléments d'alliage. Le principal élément d'alliage est le cobalt (Co) - des niveaux plus élevés de cobalt conduisent à une plus grande ténacité, tandis que des niveaux inférieurs de cobalt conduisent à une plus grande dureté. Les substrats très durs peuvent atteindre une dureté de 1800 HV et offrir une excellente résistance à l'usure, mais sont très cassants et ne conviennent que pour des conditions très stables. Les substrats très durs ont une dureté d'environ 1300 HV. Ces substrats ne peuvent être usinés qu'à des vitesses de coupe inférieures et s'usent plus rapidement, mais ont une meilleure résistance aux coupes interrompues et aux conditions défavorables.

Le bon équilibre entre dureté et ténacité est le facteur le plus crucial lors de la sélection d'une nuance pour une application particulière. Choisir une nuance trop dure peut entraîner des micro-casses le long du tranchant ou même une défaillance catastrophique. Dans le même temps, une nuance trop dure s'usera rapidement ou nécessitera une diminution de la vitesse de coupe, réduisant ainsi la productivité. Le tableau 1 fournit quelques directives de base pour sélectionner la dureté correcte :

Tableau 1 - Source :MachiningDoctor.com

Matériel	Tournage			Fraisage
	Continu	Lumière interrompue	Fortement interrompu
Acier	Difficile	Moyen	Dur	Dur
Acier inoxydable	Difficile	Moyen	Dur	Dur
Aluminium	Difficile	Moyen-dur	Moyen	Moyen
Inconel	Très dur	Difficile	Moyen	Dur
Titane	Très dur	Difficile	Moyen	Moyen

Que sont les revêtements en carbure ?

La plupart des inserts en carbure modernes et des outils en carbure monobloc sont recouverts d'un film mince (entre 3 et 20 microns, ou 0,0001 à 0,0007 pouce). Le revêtement est typiquement composé de couches de nitrure de titane, d'oxyde d'aluminium et de nitrure de carbone et de titane. Ce revêtement augmente la dureté et crée une barrière thermique entre la coupe et le substrat.

Les revêtements d'outils de coupe sont ajoutés via l'une des deux technologies principales :

1. CVD (dépôt chimique en phase vapeur) —Les couches de revêtement CVD peuvent atteindre une épaisseur de 25 microns. Cette épaisseur assure une barrière thermique efficace et permet des vitesses de coupe plus élevées par rapport aux revêtements PVD. D'autre part, cette même épaisseur rend impossible le revêtement d'arêtes de coupe très tranchantes, et le revêtement est plus sujet aux fissures et aux cassures.
2. PVD (dépôt physique en phase vapeur) — Les revêtements PVD ont une épaisseur de 1 à 8 microns. Les plaquettes revêtues de PVD doivent fonctionner à des vitesses de coupe inférieures à celles du CVD ; cependant, ils sont plus résistants, peuvent être appliqués sur des arêtes de coupe tranchantes et ont des surfaces plus lisses qui génèrent moins de friction.

Le tableau 2 fournit un guide de base pour sélectionner le revêtement le plus approprié pour différentes applications.

Tableau 2 - Source :MachiningDoctor.com

Matériel	Tourner		Séparation et rainurage	Fraisage
	Vitesse de coupe élevée	Faible vitesse de coupe
Acier	CVD	PVD	PVD	PVD / CVD fin
Acier inoxydable	CVD fin	PVD	PVD	PVD / CVD fin
Aluminium	Non couché	Non couché	Non couché	Non couché
Inconel	PVD fin	PVD fin	PVD fin	PVD
Titane	PVD fin / Sans revêtement	PVD fin / Sans revêtement	PVD fin / Sans revêtement	PVD / Sans revêtement

Que sont les post-traitements ?

Bien qu'il n'ait gagné du terrain qu'il y a une dizaine d'années, l'ajout d'un post-traitement après le revêtement est devenu une norme de l'industrie. Ces traitements sont généralement le sablage ou d'autres techniques de polissage qui lissent la couche de revêtement supérieure, réduisant la friction et, par conséquent, la génération de chaleur. Les écarts de prix sont généralement minimes, et dans la plupart des cas, il est recommandé de privilégier les grades avec post-traitement.

Tableaux de sélection des notes

Pour choisir la bonne nuance de carbure pour une application particulière, consultez le catalogue ou le site Web du fournisseur pour obtenir des conseils. Bien qu'il n'y ait pas de norme internationale formelle, la plupart des fournisseurs utilisent des tableaux qui décrivent les enveloppes de travail recommandées pour les nuances en fonction de leur "gamme d'application", exprimée dans une combinaison de lettres et de chiffres à trois caractères, telle que P05-P20.

La première lettre représente le groupe de matériaux selon la norme ISO. Une lettre et une couleur correspondante sont attribuées à chaque groupe de matériaux.

Lettre	Matériel	Couleur
P	Acier	Bleu
M	Acier inoxydable	Jaune
K	Fonte	Rouge
N	Non ferreux	Vert
S	Super-alliages	Orange
H	Acier trempé	Gris

Les deux nombres suivants représentent le niveau de dureté relative de la nuance sur une échelle de 05 à 45 par incréments de 5. Une application 05 nécessite une nuance très dure adaptée à des conditions favorables et stables. Une application 45 nécessite une nuance très résistante adaptée aux conditions défavorables et instables.

Encore une fois, il n'y a pas de norme pour ces valeurs, elles doivent donc être interprétées comme une valeur relative dans le tableau de notes spécifique dans lequel elles apparaissent. Par exemple, un grade marqué P10-P20 dans deux catalogues de fournisseurs différents pourrait avoir une dureté différente.

Les tableaux de sélection des nuances sont généralement présentés séparément pour quatre applications principales différentes :

1. Tourner
2. Fraisage
3. Rainure/tronçonnage
4. Perçage

Une nuance marquée comme P10-P20 dans le tableau des nuances de tournage pourrait avoir une dureté différente d'une nuance marquée comme P10-P20 dans le tableau des nuances de fraisage, même dans le même catalogue. Cette différence se résume au fait que les conditions favorables varient selon les différentes applications. Les applications de tournage sont mieux traitées avec des nuances très dures, mais en fraisage, des conditions favorables nécessitent une certaine ténacité en raison de sa nature interrompue.

Le tableau 3 présente un tableau hypothétique des nuances et de leurs utilisations dans différentes difficultés d'applications de tournage, comme cela pourrait apparaître dans un catalogue de fournisseur d'outils de coupe. Dans cet exemple, le grade A serait recommandé pour une large gamme de conditions de tournage, mais pas pour les coupes interrompues lourdes, tandis que le grade D serait recommandé pour le tournage interrompu lourd et d'autres conditions très défavorables. Des outils tels que le Grades Finder de MachiningDoctor.com peuvent rechercher des nuances selon ce système de désignation.

Désignations des nuances de carbure

Tout comme il n'y a pas de norme officielle pour les gammes d'applications de qualité, il n'y a pas de norme formelle pour les désignations de qualité. Cela dit, la plupart des principaux fournisseurs de plaquettes en carbure suivent des directives communes dans leurs désignations de nuances. La désignation "classique" suit un format BBSSNN à six caractères, où :

• BB — Code de la marque : Chaque fournisseur principal est associé à ses propres lettres.
• SS —Numéro de série de notes : Les numéros de série de notes sont généralement représentés par deux chiffres aléatoires. Une série est généralement un groupe de qualités conçues pour une matière première particulière et partageant un type de revêtement commun. Voici quelques exemples de séries de notes :
  • BB85 – Nuances CVD pour le tournage de l'acier.
  • BB64 – Nuances PVD pour les alliages à base de nickel.
  • BB23 — Nuances CVD pour le fraisage de la fonte.
• NN — Niveau de dureté : Les deux derniers chiffres, dans la plupart des cas, reflètent le niveau de dureté des différentes nuances d'une série. Le nombre varie généralement de 05 à 45 selon le même système expliqué ci-dessus à propos des grilles de notes. Par exemple :
  • BB8505 — Nuance très dure pour le tournage de l'acier dans des conditions stables.
  • BB8540 — Une nuance très résistante pour le tournage de l'acier dans les coupes interrompues lourdes.

L'explication ci-dessus est correcte dans de nombreux cas. Mais comme il ne s'agit pas d'une norme ISO/ANSI, certains fournisseurs apportent leurs propres ajustements au système, et il est sage d'être à l'affût de ces changements.

Notes de virage

Les nuances jouent un rôle essentiel dans les applications de tournage, plus que dans toute autre application. Pour cette raison, lors de la vérification du catalogue de n'importe quel fournisseur, la section tournage proposera le plus grand choix de nuances.

Pourquoi les notes sont-elles si importantes en tournage ?

Cette vaste gamme de nuances de tournage découle de la vaste gamme d'applications de tournage. Tout, de l'usinage continu, où l'arête de coupe est constamment engagée avec la pièce et ne subit aucun impact mais génère beaucoup de chaleur, aux coupes interrompues, qui ont de lourds impacts, entre dans cette catégorie.

La large gamme de nuances de tournage se rapporte également à la vaste gamme de diamètres dans la fabrication, de 1/8 pouce (3 mm) pour les machines de type suisse à 100 pouces pour les applications industrielles lourdes. Étant donné que la vitesse de coupe dépend également du diamètre, il est nécessaire de disposer de différentes nuances optimisées pour des vitesses de coupe faibles ou élevées.

Les principaux fournisseurs proposent généralement des séries de nuances distinctes pour chaque groupe de matériaux. Dans chaque série, les nuances vont du dur pour les coupes interrompues au dur pour l'usinage continu.

Nuances de fraisage

En meunerie, la gamme de nuances proposées est plus restreinte. En raison de la nature fondamentalement interrompue de l'application, les outils de fraisage nécessitent des nuances tenaces à haute résistance aux chocs. Pour la même raison, la couche de revêtement doit être fine, sinon elle ne résistera pas aux impacts.

La plupart des fournisseurs utilisent un substrat résistant et une variété de revêtements pour fraiser différents groupes de matériaux.

Nuances de tronçonnage et de rainurage

Dans les applications de tronçonnage ou de rainurage, la sélection des nuances est limitée en raison des facteurs de vitesse de coupe. C'est-à-dire que le diamètre diminue à mesure que la coupe se rapproche du centre. La vitesse de coupe diminue donc progressivement. En tronçonnant au centre, la vitesse atteint finalement zéro à la fin de la coupe, et l'opération devient cisaillement au lieu de couper.

Par conséquent, une nuance de tronçonnage doit être compatible avec une large gamme de vitesses de coupe, et le substrat doit être suffisamment résistant pour supporter le cisaillement en fin d'opération.

Le rainurage peu profond est une exception aux autres types. Comme il partage des similitudes avec le tournage, les fournisseurs disposant d'un large choix de plaquettes de rainurage proposent généralement une plus grande variété de nuances pour des groupes de matériaux et des conditions spécifiques.

Niveaux de perçage

En perçage, le centre du foret a toujours une vitesse de coupe nulle, tandis que la périphérie a une vitesse de coupe qui dépend du diamètre du foret et de la vitesse de la broche. Les nuances optimisées pour des vitesses de coupe élevées échoueront et ne doivent donc pas être utilisées. La plupart des fournisseurs n'offrent qu'une poignée de nuances.