C ONDUCTIVITE THERMIQUE

La conductivité thermique et la diffusivité thermique ne sont pas des propriétés qui sont sensées influencer la résistance à l’usure du revêtement en usinage. L’influence de ces paramètres est plus indirecte. En effet, la littérature reprend fréquemment à son compte l’argument selon lequel un revêtement, présentant une conductivité thermique inférieure à celle du substrat, permettrait de limiter le flux de chaleur transmis au substrat. Sous cette hypothèse, on comprend alors aisément que la température globale du substrat s’en trouve amoindrie, ce qui préserve les propriétés mécaniques du substrat (dureté, module d’Young, etc.) soutenant le revêtement [Tren_91] [Jawa_93] [Bala_99] [Koni_91] [Csel_95] [Kloc_97] [Van_92] [Msao_98b] [Grze_99].

Cete hypothèse paraît incontestable à toutes personnes ayant fait des analyses de thermique. Cependant, ce raisonnement pêche par deux aspects :

♦ Tout d’abord, il n’est pas tenu compte du fait que les revêtements étudiés ne

dépassent pas 5 µm d’épaisseur. Il faut dès lors s’interroger sur la capacité d’un revêtement aussi mince à modifier la répartition des flux de chaleur ?

♦ Ensuite, ce raisonnement n’est valable que dans la mesure où la quantité de chaleur en

amont est identique. Or il paraît clair à chacun que la tribologie du contact outil/copeau/pièce n’est pas du tout semblable entre un outil revêtu et un outil non- revêtu, ni même entre les revêtements. La quantité de chaleur générée à ces interfaces n’est donc pas identique.

Ces constatations étant faites, il devient difficile de distinguer la part d’influence relative que l’on peut attribuer à une baisse du flux de chaleur amont et à une baisse du pourcentage de flux de chaleur transmis au substrat.

Il importe dès lors important de rester prudent quant à l’interprétation que l’on peut faire des valeurs de conductivité thermique. Il est à noter que seul [Kloc_99] a commencé à s’interroger sur le rôle de ‘barrière thermique’ des revêtements en usinage (sans le démontrer). Cette question délicate fera l’objet d’une étude approfondie dans le chapitre 5.

Indépendamment des remarques précédentes, les valeurs de conductivité thermique que l’on peut trouver dans la littérature sont fréquemment données à la température ambiante alors que ce sont les valeurs entre 20 et 1000 °C qui intéressent les applications d’usinage.

Sources TiN (Ti,Al)N Ti(C,N) Acier C48 [Tons_99] 70 50 100 [Bars_99] 20 26 [Csel_98] 70 50 100 [Jawa_93] 20 26 [Kloc_98] 48

Tab. 3-7 : Conductivité thermique (W/m.K) de différents revêtements à température ambiante.

Ces informations, quoique disparates, semblent issues de deux sources distinctes différentes (non référencées). Elles indiquent que l’alumine a une conductivité thermique bien plus faible que celle du TiN à hautes températures, elle même étant notablement plus basse que celle du Ti(C,N). Les chiffres du (Ti,Al)N ne sont pas connus à haute température. Néanmoins, si on constate que les valeurs de départ sont plus faibles que celles du TiN, et si on intègre la formation d’une fine couche d’alumine, on peut émettre l’hypothèse que la conductivité thermique du (Ti,Al)N devrait rester inférieure à celle du TiN à haute température.

La figure 3-42 présente l’évolution des conductivités thermiques de certains revêtements et des substrats en acier rapide fritté ASP 2052 et en carbure SM30. Il apparaît que les revêtements TiN et Ti(C,N) ont des conductivités thermiques très proches de l’ASP 2052 ce qui est favorable à l’adhésion des revêtements, mais ce qui ne laisse pas espérer un quelconque effet d’isolation thermique. Par contre, ces revêtements sont significativement plus isolants par rapport aux substrats carbure SM30

Remarque : aucune valeur de diffusivité thermique n’a pu être trouvée pour les revêtements étudiés (ni dans la littérature, ni auprès des fabricants de revêtements).

0 10 20 30 40 50 60 0 200 400 600 800 1000 Température [°C] Conducti vi té thermi que [W/m.°C] ASP2052 Carbure SM30 27MnCr5 TiN Ti(C,N) Al2O3 Fig. 3-42 : Evolution de la

conductivité thermique des

matériaux étudiés en fonction de la température [Jawa_93]

3.6.10. SYNTHESE

On peut tenter de faire une synthèse des informations issues des caractérisations fondamentales présentées sous les réserves de transposabilité entre les conditions d’essais et les conditions en usinage.

De là, il semble se dégager que le (Ti,Al)N aurait des aptitudes intéressantes à l’usinage à grande vitesse de coupe et à sec, du fait notamment de sa grande dureté à chaud, de sa bonne tenue à la fatigue, de sa faible vitesse d’oxydation, de sa faible conductivité thermique, ainsi que de sa faible vitesse de diffusion (effet de l’alumine). Par contre, son aptitude au frottement reste incertaine, étant donné son important coefficient de frottement en essai pion-disque. Le MoS2 est un revêtement, qui, de ce point de vue, présente une très bonne aptitude au frottement qui le dispose à être complémentaire du précédent. Sa faible température d’oxydation rend cependant incertain la réalité de ses performances à l’interface outil-copeau.

En ce qui concerne le Ti(C,N), sa grande dureté à basse température et sa bonne aptitude au frottement font de lui un candidat intéressant pour les opérations à basse température (fraisage à basse vitesse de coupe et sous émulsion). Son intérêt en fraisage à grande vitesse et à sec reste suspendu à sa capacité à maintenir ses performances à haute température, alors qu’il présente une faible température d’oxydation.

3.7. Q

-

GRANDE VITESSE ET A SEC

?

Partant du bilan de l’état de l’art du taillage à la fraise-mère et du besoin industriel en revêtements permettant d’atteindre des vitesses de coupe de l’ordre de Vc = 160 m/min, ainsi que de

supprimer la lubrification, une vaste recherche bibliographique a été entreprise. Le constat doit être fait qu’à la période à laquelle a débuté ce travail (1998), il n’existait aucune publication dans des revues internationales faisant état de recherches sur l’application de nouveaux revêtements en taillage à la fraise-mère, aussi bien en taillage sous huile, qu’en taillage à sec. Seul un unique chercheur a publié des résultats quant à l’optimisation des épaisseurs de revêtement TiN déposés sur des fraises-mères en acier rapide M35 [Kauv_87].

Le travail a dès lors dû s’orienter sur l’unique base de résultats issus de caractérisations fondamentales de laboratoires et de divers résultats d’usinage.

Le comportement des nouveaux revêtements à base de (Ti,Al)N a été étudié du fait de leurs performances intéressantes dans les procédés à coupe interrompue à grande vitesse de coupe et à sec sur des matières usinées voisines de celles des dentures (aciers de construction). Leurs propriétés intéressantes à haute température font de cette famille de revêtement de bons candidats au taillage à grande vitesse de coupe et à sec.

Il a également été retenu un revêtement autolubrifiant : le MoS2 afin d’observer sa capacité à combler l’absence de lubrifiant : baisse des énergies de frottement dans la ZCS et réduction des contraintes de cisaillement dans l’outil. Ce revêtement ne sera jamais utilisé seul, mais toujours en association avec une base dure comme l’ont montré les paragraphes précédents.

Enfin les performances des revêtements à base Ti(C,N) seront également étudiées du fait de leurs très grandes résistances à l’abrasion et cela, malgré leurs pertes importantes de caractéristiques tribologiques et mécaniques à haute température.

Le revêtement à base TiN, standard dans l’industrie du taillage à faible vitesse et sous huile entière, sera conservé en tant que revêtement de référence pour cette étude.

Les autres revêtements disponibles alors sur le marché présentaient des risques importants de manque de reproductibilité dans le temps, car ils étaient en plein développement. Compte-tenu du souci d’apporter des solutions fiables et quantifiées à l’industrie automobile, ces derniers n’ont pas été retenus. Les revêtements multicouches, superlattice ou à gradient de composition ne seront donc pas étudiés.

Par ailleurs, la démarche retenue a été de ne travailler que sur des revêtements monocouches (ou sur des revêtements bicouches dans le cas d’une surcouche de MoS2)), et cela, afin d’isoler les caractéristiques, les modes d’action et les performances individuelles de chacun d’eux.

La sélection des familles de revêtements étant faite, il est important de s’arrêter sur des références précises issues de fabricants déterminés, reconnus par l’industrie du taillage pour la qualité et la reproductibilité de leurs revêtements. La société Platit à Grenchen (Suisse), fabricant de machine de déposition et concepteur de revêtements, a apporté les garanties quant à la maîtrise complète de la chaîne de réalisation des revêtements (Ti,Al)N et MoS₂. Le revêtement Ti(C,N), ainsi que le revêtement TiN standard chez PSA, ont été fournis par la société Saazor, founisseur principal de fraise-mère du groupe PSA. Les revêtements sélectionnés et déposés sur les supports nécessaires à cette étude sont tous issus de fours identifiés avec des réglages figés pour chacun d’eux.

Les modes de déposition retenus et les épaisseurs obtenues pour cette étude ont donc été les suivants :

• (Ti,Al)N (Platit) : Evaporation par arc électrique 2.9 µm

• MoS₂ (Platit) : Pulvérisation magnétron 3.2 µm

• Ti(C,N) : Evaporation par faisceau d’électrons 2.5 µm

La suite du présent mémoire va consister tout d’abord à présenter les conditions générales dont il faut s’entourer pour réaliser des caractérisations appliquées en usinage, puis, partant sur des bases saines, les résultats des caractérisations tribologiques et thermiques des différents revêtements en usinage seront présentés. Ces résultats permettront notamment d’éclairer les performances constatées de ces revêtements en fraisage, puis en taillage à grande vitesse de coupe et à sec.