Choisir les bons matériaux d'outils de coupe pour une performance d'usinage optimale

L'outil joue un rôle crucial dans l'usinage. La forme de la pièce, sa finition de surface et d'autres propriétés dépendent directement du matériau de l'outil et de sa conception. Un outil bien conçu avec un matériau approprié offre une meilleure finition et une haute précision. Les caractéristiques les plus importantes d'un outil sont :

• Haute dureté à chaud (hot hardness)
• Haute résistance à l'usure
• Haute ténacité et dureté
• Haute conductivité thermique
• Faible coefficient de dilatation thermique (l'outil travaille à haute température)
• Haute résistance mécanique
• Faible coefficient de frottement et stabilité chimique

Matériaux d'outils de coupe :

Outil en acier au carbone :

Largement utilisé pour usiner des matériaux tendres : magnésium, aluminium, bois, etc. Contient carbone, silicium, magnésium. Utilisé pour forets à main, lames étroites, tarauds, filières, ciseaux, etc. Vitesse de coupe ~10 m/min, température max 200–250 °C.

Acier rapide (HSS - High Speed Steel) :

Matériau d'outil très courant, alliage d'acier, tungstène, chrome, vanadium. Composition : 18 % W, 4 % Cr, 1 % V. Trempe profonde, trempable à l'huile, air ou sel. Ténacité la plus élevée. Vitesse de coupe ~30–50 m/min. Température de travail jusqu'à 650 °C.

Deux types principaux selon la composition :

1. Aciers au tungstène (tungstène comme principal élément d'alliage)
2. Aciers au molybdène (tungstène partiellement ou totalement remplacé par molybdène) : moins cher, ténacité supérieure au même niveau de dureté

Stellite :

Alliage non ferreux : cobalt (38–53 %), chrome (30–33 %), tungstène (10–20 %), carbone (1–3 %), avec molybdène et bore. Propriétés intermédiaires entre HSS et carbure cémenté. Vitesse de coupe ~50–80 m/min. Température max ~900 °C. Utilisé pour ébauche à haute vitesse et avance, sur matériaux difficiles : aciers haute résistance, inoxydables, aciers traités thermiquement résistants.

Outil en carbure cémenté (Cemented Carbide) :

Fabriqué par métallurgie des poudres. Le cobalt agit comme liant. Trois types :

1. Carbure de tungstène pur avec cobalt comme liant
2. Carbure de tungstène avec cobalt et pourcentages élevés de carbures de Ti, Ta, Nb, Columbium
3. Carbure de titane avec nickel ou molybdène comme liant

Vitesse max ~60–200 m/min. Température de travail 1000–1200 °C. Tous les carbures finis sont extrêmement fragiles et faibles face aux chocs et impacts. Les vibrations sont très nuisibles pour les outils en carbure.

Céramiques :

Combinaison de carbure de silicium et d'oxyde d'aluminium. Aussi par métallurgie des poudres. Ne fonctionne pas à basse vitesse. Très haute résistance à l'abrasion, plus dur que le carbure cémenté. Particulièrement pour usiner fonte et aciers haute résistance à vitesse supérieure au carbure. Température max ~1400 °C. Vitesse de coupe ~300–600 m/min.

Cermets :

Combinaison céramique + métal. Haute réfractarité de la céramique + haute ténacité et résistance au choc thermique du métal. Combinaison usuelle : oxyde d'aluminium + métal (W, Mo, Bore, Ti, etc.) à ~10 %.

Diamant :

Matériau d'outil le plus dur connu. Bonne conductivité thermique, faible dilatation thermique, faible coefficient de frottement. Vitesse de coupe ~1500–2000 m/min. Pour usiner matériaux durs : carbures durs, nitrures, etc. Principalement pour matériaux non ferreux.

Nitrure de bore cubique (CBN - Cubic Boron Nitride) :

Deuxième matériau le plus dur après le diamant. Non naturel. Atomes d'azote et de bore. Haute dureté, haute conductivité thermique. Chimiquement inerte, substitut du diamant pour usiner l'acier. Principalement comme abrasif dans meules. Vitesse max ~600–800 m/min.

UCON :

Nouveau matériau de coupe. Composition : columbium 50 %, titane 30 %, tungstène 20 %. Haute dureté, haute ténacité, excellente résistance au choc. Principalement pour coupe d'acier, non adapté pour fonte, inox, superalliages base Ni, Co, Ti. UCON donne 60 % d'augmentation de vitesse de coupe vs carbure de tungstène.

Coronite :

Nouveau matériau aux propriétés entre HSS et carbure cémenté. Grains fins de TiCN dispersés uniformément dans une matrice d'acier traitable thermiquement. Pour forets et fraises de petite/moyenne taille. Aussi pour technologies de revêtement et composite. Principalement comme matériau de cœur pour HSS ou acier à ressort.

Voici les matériaux d'outils de coupe les plus courants en industrie mécanique. Pour toute question, commentez ci-dessous. Partagez sur vos réseaux sociaux si vous l'avez apprécié. Abonnez-vous pour plus d'articles informatifs. Merci de votre lecture.