LE CARBURE MONOBLOC ET
L’USINAGE MODERNE VONT DE PAIR

Le carbure monobloc progresse, certainement dans le perçage. C’est assez logique, étant donné que les conditions permettant de maximiser l’utilisation du carbure monobloc sont de plus en plus rencontrées aujourd’hui dans les ateliers. Les vibrations restent le talon d’Achille du matériau, mais les centres d’usinage CNC actuels se caractérisent par leur stabilité et leurs vitesses de rotation plus élevées. Dans ces conditions, les forets en carbure monobloc se révèlent être excellents et autorisent des vitesses de coupe bien plus élevées.

 

PROGRESSION DU CARBURE MONOBLOC

Dans les outils de coupe en matériau plein, l’acier rapide (HSS) et le carbure monobloc sont de loin les deux matériaux de coupe les plus utilisés. Et bien que le HSS ne soit pas du tout sur le déclin – un fabricant d’outils parle même d’un segment croissant de plus de 10 milliards de dollars sur une valeur totale du marché des outils d’usinage de 18,5 milliards de dollars, la progression du carbure monobloc dans le perçage et le fraisage notamment est une tendance marquante. Avant d’approfondir la raison de ce succès, nous nous penchons sur ce qu’est précisément ce carbure monobloc, ou solid carbide en anglais, et comment il est fabriqué.

Qu’est-ce que le carbure monobloc?

C’est une composition métallurgique pou­dreuse de carbures maintenus par un liant. Divers matériaux de base sont utilisés, comme le carbure de tantale (TaC), le carbure de titane (TiC) et le carbure de niobium (NbC), mais le carbure de tungstène (WC) est le principal matériau de construction. Il a des pro­priétés impressionnantes. Le WC est extrêmement dur, mais résiste aussi bien à la corrosion, bien mieux que l’acier ordinaire. Le liant utilisé est le cobalt (Co) en raison de son point de fusion élevé de 1.493 °C, sa grande résistance aux températures élevées et la formation avec les grains de carbure de tungstène d’une phase liquide à 1.275 °C qui aide finalement à éliminer les porosités. Outre le cobalt, le fer, le chrome et surtout le nickel sont utilisés comme liant. Ce dernier surtout dans les applications corrosives.

Processus de frittage

Le carbure métallique est le résultat d’un processus de frittage, Sans trop approfondir le processus de développement, nous distinguons certaines grandes étapes. Nous com­mençons par le matériau carbone brut, le tungstène et autres oxydes métalliques. Sous l’influence de la chaleur, nous obtenons une poudre de carbure de tungstène qui est ensuite mélangée avec du cobalt ou un autre matériau liant. Puis, suit un premier processus de formage et une phase de préfrittage, qui rend la poudre environ aussi dure que la craie. On passe alors au façonnage définitif et on termine par le frittage. Ce processus, qui se déroule à environ 1.400 °C, dure parfois plusieurs jours. La répartition égale des grains est notamment importante. La poudre se rétracte au cours de ce processus de frittage et reçoit sa dureté caractéristique.

Bel et bien cinq mille qualités

L’offre de qualités dans le carbure de tung­stène est extrêmement large. Certains parlent bel et bien de cinq mille qualités, réparties sur plus de 1.500 fabricants. La qualité du carbure métallique dépend naturellement des alliages utilisés, mais bien d’autres facteurs jouent aussi un rôle. La qualité est tout autant déterminée par la durée du processus de frittage, la température, le nombre et le type d’étapes. En général, on peut dire que les fabricants peuvent jouer sur trois paramètres: le rapport du liant aux autres éléments, la taille du grain et la répartition des grains. De plus, il existe des ‘ingrédients secrets’, ou additifs. Un tel additif peut par exemple générer des grains de carbure plus petits, ce qui rend le matériau encore plus résistant à l’usure. Ou l’additif change la structure de la liaison cobalt afin que les grains grandissent de façon plus lente et plus homogène, ce qui rend le matériau plus résistant aux déchirures et à l’effritement.

Avantages

Nous avons déjà cité la très grande résistance à l’abrasion, mais le carbure métallique possède bien d’autres avantages. Le carbure de tungstène possède la plus grande solidité comprimée de tous les alliages métalliques et est trois fois aussi rigide que l’acier. Sous hautes températures, le matériau se dilate moins de la moitié en comparaison de l’acier, qui souffre aussi nettement plus des chocs thermiques et de l’oxydation. En résumé, le grand avantage du carbure métallique est la stabilité à hautes températures. Cette résistance à la chaleur permet de travailler à des vitesses de coupe supérieures (un facteur trois est très raisonnable). Cela engendre bien entendu de grands gains de productivité. Du reste, la qualité de surface et la précision augmentent aussi dans la plupart des cas, du fait que le matériau offre une plus grande rigidité et indéformabilité. Plus important encore dans l’optique des coûts est que les forets en carbure monobloc peuvent être bien réaffûtés et recouverts d’un revêtement. Si la géométrie est correcte et que le foret est affûté et pourvu d’un nouveau revêtement sur une machine qualitative, la tenue d’outil originale peut même être atteinte.

 

FORETS EN CARBURE MONOBLOC

Applications

L’un des usinages qui font un bon usage des avantages du carbure métallique, est le forage. Typiquement, on retrouve les forets en carbure monobloc non revêtus dans les applications qui exigent une arête extrêmement tranchante, comme dans l’aluminium. Mais par une nouvelle composition et l’utilisation à la fois de revêtements CVD et PVD qui augmentent sensiblement la tenue d’outil, on retrouve aussi de plus en plus souvent les forets en carbure monobloc pour l’acier (inoxydable), la fonte, les super alliages et ainsi de suite. Si nous parlons des qualités spécifiques, nous avons affaire le plus souvent à un type P20 dans le cas de l’acier. Pour la fonte, il s’agit d’une qualité un peu plus dure, K10 par exemple. Les possibilités du carbure monobloc se sont certainement accrues ces dernières années. Néanmoins, on atteint encore le meilleur rendement du carbure monobloc dans des conditions de travail stables, et cela vaut pour la machine, mais aussi pour le serrage. La grande dureté du matériau a également un revers: le carbure métallique est moins flexible que le HSS et donc moins résistant aux vibrations et à l’instabilité en général.

Caractéristiques du foret

Si l’offre de qualités en carbure métallique est très étendue, les fabricants d’outils ne sont pas en reste. En jouant sur la géométrie du foret et le revêtement, il existe une solution spécifique pour chaque groupe de matériaux et appli­cation. Vous pouvez optimiser quasi par application sur le plan des arêtes, des guidages, du traitement de surface, de la position des canaux de refroidissement et du traitement de l’arête. En raison de l’énorme liberté d’action pour les fabricants, il est sans aucun doute impossible de donner un aperçu complet de ce qui est possible. Aussi nous ne reprenons que quelques points généraux dans le tableau annexe.

 

CONSEILS D’USINAGE

Nous terminons par quelques conseils, mais pas sans souligner encore que les forets en carbure monobloc nécessitent un réglage sta­ble et une machine ayant une stabilité suffisante, mais aussi une vitesse de broche suffisante et un refroidissement interne. Les forets en carbure monobloc sont autocentrants. Donc, il ne faut plus centrer. Mieux, c’est même déconseillé. Car les arêtes peu­vent s‘abîmer. Après le perçage, vous chanfreinez. Si vous prépercez, vous réduisez l’alimentation de 50% jusqu’à ce que le foret soit en coupe. Attention: les règles diffèrent pour les forets plus longs (à partir d’environ 10xD). Là, il est conseillé de percer un trou de départ avec un foret plus court de même diamètre et un angle de sommet. Entrez dans le trou avec une broche immobile ou un régime de 500 tours/ minute. Arrêtez 2 mm avant le fond. Activez la broche et le refroi­dissement, et percez sans à-coups. Dès que la profondeur est atteinte, réduisez le régime à 500 tours/minute et retirez le foret. Encore quelques cas spécifiques. Sur une surface irrégulière, il est conseillé de préusiner ou de réduire l’alimentation de 50%, jusqu’à ce que le foret en carbure monobloc soit en coupe. Dans le cas d’une entrée creuse ou sphérique, un rayon (R) plus grand sur un dia­mètre de foret plus petit facilite et sécurise le perçage. Le rayon (R) doit être cinq fois plus grand que le diamètre de foret. Si ce rapport coïncide, réduisez pour un foret jusqu’à 3xD l’alimentation de 30-50% pour une entrée sur 3-5 mm. Autrement, vous devez d’abord sur­facer. Pour les angles de plus de 10°, il vaut mieux commencer par un surfaçage circulaire avec une fraise pour ne rien laisser dans le centre. Pour une entrée sous un angle, vous devez ré­duire l’alimentation de 30-50% à l’entrée. Utilisez un foret avec plusieurs lèvres de guidage.