Fabrication et application d'outils en diamant polycristallin

L'outil PCD est composé d'une pointe de couteau en diamant polycristallin et d'une matrice en carbure, obtenues par frittage à haute température et haute pression. Il tire pleinement parti des avantages d'une dureté élevée, d'une conductivité thermique élevée, d'un faible coefficient de frottement, d'un faible coefficient de dilatation thermique, d'une faible affinité avec les métaux et les non-métaux, d'un module d'élasticité élevé, d'une surface sans clivage et d'une structure isotrope, tout en bénéficiant de la haute résistance des alliages durs.
La stabilité thermique, la ténacité à l'impact et la résistance à l'usure sont les principaux indicateurs de performance du PCD. Du fait de son utilisation fréquente dans des environnements à haute température et sous fortes contraintes, la stabilité thermique est primordiale. L'étude montre que la stabilité thermique du PCD influe fortement sur sa résistance à l'usure et sa ténacité à l'impact. Les données indiquent qu'au-delà de 750 °C, la résistance à l'usure et la ténacité à l'impact du PCD diminuent généralement de 5 à 10 %.
L'état cristallin du PCD détermine ses propriétés. Dans sa microstructure, les atomes de carbone forment des liaisons covalentes avec quatre atomes adjacents, ce qui confère une structure tétraédrique, puis la formation d'un cristal atomique. Ce dernier présente une forte orientation, une grande force de liaison et une dureté élevée. Les principaux indices de performance du PCD sont les suivants : ① sa dureté peut atteindre 8 000 HV, soit 8 à 12 fois celle du carbure ; ② sa conductivité thermique est de 700 W/mK, soit 1,5 à 9 fois supérieure à celle du PCBN et du cuivre ; ③ son coefficient de frottement est généralement de seulement 0,1 à 0,3, bien inférieur à celui du carbure (0,4 à 1), ce qui réduit considérablement l'effort de coupe ; ④ son coefficient de dilatation thermique est seulement de 0,9 × 10⁻⁶ à 1,18 × 10⁻⁶, soit 5 fois celui du carbure, ce qui permet de réduire la déformation thermique et d'améliorer la précision d'usinage ; ⑤ le PCD présente une faible affinité avec les matériaux non métalliques pour la formation de nodules.
Le nitrure de bore cubique présente une forte résistance à l'oxydation et permet le traitement de matériaux contenant du fer, mais sa dureté est inférieure à celle du diamant monocristallin, ce qui ralentit le processus et réduit son rendement. Le diamant monocristallin, quant à lui, possède une dureté élevée, mais une ténacité insuffisante. Son anisotropie le rend sujet à la dissociation le long de la surface (111) sous l'effet d'une force extérieure, limitant ainsi son rendement. Le PCD est un polymère synthétisé à partir de particules de diamant micrométriques par un procédé spécifique. L'accumulation désordonnée et chaotique de ces particules lui confère un caractère macroscopiquement isotrope, et sa résistance à la traction ne présente ni directionnalité ni clivage. Comparé au diamant monocristallin, le PCD présente des joints de grains qui réduisent efficacement l'anisotropie et optimisent ses propriétés mécaniques.
1. Principes de conception des outils de coupe PCD
(1) Sélection raisonnable de la taille des particules de PCD
En théorie, le PCD devrait permettre d'affiner le grain, et la répartition des additifs entre les produits devrait être aussi uniforme que possible afin de pallier l'anisotropie. Le choix de la granulométrie du PCD est également lié aux conditions de traitement. De manière générale, un PCD à haute résistance, bonne ténacité, bonne résistance aux chocs et à grain fin convient aux opérations de finition ou de superfinition, tandis qu'un PCD à grain grossier est utilisé pour l'ébauche. La granulométrie du PCD influe considérablement sur la résistance à l'usure de l'outil. La littérature spécialisée indique que lorsque le grain de la matière première est gros, la résistance à l'usure augmente progressivement avec la diminution de la taille des grains, mais que cette règle n'est pas applicable lorsque la taille des grains est très petite.
Des expériences connexes ont sélectionné quatre poudres de diamant avec des tailles de particules moyennes de 10 µm, 5 µm, 2 µm et 1 µm, et il a été conclu que : ① Avec la diminution de la taille des particules de la matière première, le Co diffuse plus uniformément ; avec la diminution de ②, la résistance à l'usure et la résistance à la chaleur du PCD diminuent progressivement.
(2) Choix judicieux de la forme de l'ouverture de la lame et de l'épaisseur de la lame
La forme de l'aiguillage de la lame comprend principalement quatre structures : tranchant inversé, arrondi, composite tranchant inversé/arrondi et angle aigu. La structure à angle aigu confère un tranchant net et une vitesse de coupe élevée, tout en réduisant considérablement l'effort de coupe et les bavures. Elle améliore la qualité de surface du produit et est particulièrement adaptée à la finition uniforme des alliages d'aluminium à faible teneur en silicium et autres métaux non ferreux de faible dureté. La structure arrondie obtuse passive l'aiguillage, formant un angle en R qui prévient efficacement la rupture de la lame et convient à l'usinage des alliages d'aluminium à teneur moyenne et élevée en silicium. Dans certains cas particuliers, comme une faible profondeur de coupe ou une avance réduite de la lame, la structure arrondie obtuse est préférable. La structure à tranchant inversé renforce les arêtes et les angles, stabilisant la lame, mais augmente la pression et la résistance à la coupe. Elle est plus adaptée à la coupe sous forte charge d'alliages d'aluminium à haute teneur en silicium.
Pour faciliter l'usinage par électroérosion (EDM), on utilise généralement une fine couche de PDC (0,3 à 1,0 mm), à laquelle s'ajoute une couche de carbure. L'épaisseur totale de l'outil est d'environ 28 mm. La couche de carbure ne doit pas être trop épaisse afin d'éviter la stratification due aux différences de contraintes entre les surfaces à assembler.
2. Procédé de fabrication d'outils PCD
Le procédé de fabrication d'un outil en PCD détermine directement ses performances de coupe et sa durée de vie, ce qui est essentiel à son application et à son développement. Ce procédé est illustré à la figure 5.
(1) Fabrication de comprimés composites PCD (PDC)
① Processus de fabrication du PDC
Le PDC est généralement composé de poudre de diamant naturel ou synthétique et d'un liant, à haute température (1000-2000 °C) et sous haute pression (5-10 atm). Le liant forme un pont de liaison avec TiC, Sic, Fe, Co, Ni, etc., comme composants principaux, et le cristal de diamant est incorporé dans le squelette de ce pont par liaison covalente. Le PDC est généralement transformé en disques de diamètre et d'épaisseur fixes, puis soumis à des traitements de meulage, de polissage et autres traitements physico-chimiques. Idéalement, le PDC doit conserver au maximum les excellentes caractéristiques physiques du diamant monocristallin ; par conséquent, la quantité d'additifs dans le corps fritté doit être réduite au minimum, tout en favorisant une combinaison optimale des liaisons diamant-particule.
② Classification et sélection des liants
Le liant est le facteur le plus important influençant la stabilité thermique de l'outil PCD, et par conséquent sa dureté, sa résistance à l'usure et sa stabilité thermique. Les méthodes de liaison courantes pour le PCD sont : le fer, le cobalt, le nickel et d'autres métaux de transition. Un mélange de poudre de Co et de W a été utilisé comme liant, et les performances globales du PCD fritté étaient optimales lorsque la pression de synthèse était de 5,5 GPa, la température de frittage de 1450 °C et le maintien à cette température pendant 4 minutes. Le SiC, le TiC, le WC, le TiB₂ et d'autres matériaux céramiques sont également utilisés. Le SiC présente une meilleure stabilité thermique que le Co, mais sa dureté et sa ténacité sont relativement faibles. Une réduction appropriée de la taille des particules de matière première permet d'améliorer la dureté et la ténacité du PCD. Sans adhésif, du graphite ou d'autres sources de carbone sont brûlés à très haute température et haute pression pour former un diamant polymère nanométrique (NPD). L'utilisation du graphite comme précurseur pour la préparation du NPD est la méthode la plus exigeante, mais le NPD synthétique obtenu présente la dureté la plus élevée et les meilleures propriétés mécaniques.
Sélection et contrôle des céréales ③
La poudre de diamant brute est un facteur clé influençant les performances du PCD. Le prétraitement de la micropoudre de diamant, l'ajout d'une faible quantité de substances inhibant la croissance de particules de diamant anormales et une sélection judicieuse des additifs de frittage permettent de limiter cette croissance.
Un NPD de haute pureté et de structure uniforme permet d'éliminer efficacement l'anisotropie et d'améliorer encore ses propriétés mécaniques. La poudre précurseur de nanographite, préparée par broyage à billes à haute énergie, a été utilisée pour contrôler la teneur en oxygène lors d'un préfrittage à haute température. Sous une pression de 18 GPa et à une température de 2100-2300 °C, le graphite est transformé en diamant, générant un NPD lamellaire et granulaire. La dureté augmente avec la diminution de l'épaisseur des lamelles.
④ Traitement chimique tardif
À température (200 °C) et durée (20 h) identiques, l'efficacité d'élimination du cobalt par l'acide de Lewis FeCl₃ s'est avérée nettement supérieure à celle obtenue avec l'eau, le rapport optimal d'HCl étant de 10 à 15 g pour 100 ml. La stabilité thermique du PCD s'améliore avec l'augmentation du taux d'élimination du cobalt. Pour le PCD à gros grains, un traitement à l'acide fort permet d'éliminer complètement le cobalt, mais altère fortement les performances du polymère. L'ajout de TiC et de WC, combiné à un traitement à l'acide fort, modifie la structure polycristalline de synthèse et améliore la stabilité du PCD. Actuellement, le procédé de fabrication des matériaux PCD est en constante amélioration : la ténacité du produit est élevée, son anisotropie est considérablement accrue, et sa production commerciale est désormais possible. Les industries connexes connaissent un développement rapide.
(2) Traitement de la lame PCD
① Processus de découpe
Le PCD possède une dureté élevée, une bonne résistance à l'usure et un processus de découpe très difficile.
② Procédure de soudage
Le PDC et le corps de la lame sont fixés par serrage mécanique, collage et brasage. Le brasage consiste à presser le PDC sur la matrice en carbure, et peut être réalisé par brasage sous vide, soudage par diffusion sous vide, brasage par induction haute fréquence, soudage laser, etc. Le brasage par induction haute fréquence, peu coûteux et très rentable, est largement utilisé. La qualité du soudage dépend du flux, de l'alliage et de la température. Cette dernière (généralement inférieure à 700 °C) est le paramètre le plus déterminant : une température trop élevée risque d'entraîner la graphitisation du PCD, voire une surcuisson, ce qui affecte directement la qualité du soudage ; une température trop basse, quant à elle, conduit à une résistance insuffisante. La température de soudage peut être contrôlée par la durée de maintien et la profondeur de fusion du PCD.
③ Processus d'affûtage des lames
Le processus d'affûtage des outils PCD est essentiel à la fabrication. Généralement, la rugosité de la lame et de l'arête de coupe est inférieure à 5 µm, et le rayon d'arc inférieur à 4 µm. Les surfaces de coupe avant et arrière bénéficient d'une finition de surface optimale, et la rugosité Ra de la surface de coupe avant est même réduite à 0,01 µm pour répondre aux exigences de polissage miroir. Ce procédé permet une évacuation efficace des copeaux le long de la surface de coupe et évite le collage de la lame.
Le processus d'affûtage des lames comprend l'affûtage mécanique par meule diamantée, l'affûtage par électroérosion (EDG), l'affûtage électrolytique en ligne par meule abrasive ultra-dure à liant métallique (ELID) et l'usinage par affûtage de lames composites. Parmi ces techniques, l'affûtage mécanique par meule diamantée est la plus aboutie et la plus répandue.
Expériences connexes : ① la meule à particules grossières entraînera un grave effondrement de la lame, et la taille des particules de la meule diminue, et la qualité de la lame s’améliore ; la taille des particules de ② la meule est étroitement liée à la qualité de la lame des outils PCD à particules fines ou ultrafines, mais a un effet limité sur les outils PCD à particules grossières.
Les recherches menées en Chine et à l'étranger portent principalement sur le mécanisme et le procédé de rectification des lames. Dans ce mécanisme, l'enlèvement de matière thermochimique et mécanique est prédominant, tandis que l'enlèvement de matière par fragilisation et fatigue est relativement mineur. Lors de la rectification, en fonction de la résistance et de la tenue à la chaleur des meules diamantées utilisées, il convient d'optimiser la vitesse et la fréquence d'oscillation de la meule afin de limiter l'enlèvement de matière par fragilisation et fatigue, d'accroître la part d'enlèvement de matière thermochimique et de réduire la rugosité de surface. La rectification à sec permet d'obtenir une faible rugosité, mais la température de traitement élevée peut facilement entraîner la brûlure de la surface de l'outil.
Le processus d'affûtage des lames requiert une attention particulière aux points suivants : ① Choisir des paramètres d'affûtage adaptés permet d'obtenir une excellente qualité de tranchant et un meilleur état de surface, tant à l'avant qu'à l'arrière de la lame. Il convient toutefois de prendre en compte une force d'affûtage élevée, des pertes importantes, un faible rendement et un coût élevé ; ② Sélectionner une meule de qualité appropriée, notamment en choisissant un liant adapté, une granulométrie adéquate, une concentration appropriée, un revêtement adapté et des conditions d'affûtage à sec et à l'eau appropriées. Ceci permet d'optimiser les angles d'attaque et de fuite, le degré de passivation de la pointe de la lame et d'autres paramètres, tout en améliorant la qualité de surface de l'outil.
Les meules diamantées à liant résine présentent des caractéristiques, un mécanisme et un effet de meulage différents. Les meules diamantées à liant résine sont tendres ; les particules abrasives ont tendance à se détacher prématurément, elles ne résistent pas à la chaleur et leur surface se déforme facilement sous l'effet de la chaleur. La surface de meulage est sujette à l'usure et présente une rugosité importante. Les meules diamantées à liant métallique conservent leur tranchant grâce au broyage, offrent une bonne formabilité, un bon plan de surface et une faible rugosité, pour un rendement élevé. Cependant, le pouvoir liant des particules abrasives limite l'auto-affûtage et le tranchant est sujet aux entailles, provoquant des dommages marginaux importants. Les meules diamantées à liant céramique présentent une résistance modérée, une bonne auto-excitation, une porosité interne plus importante, favorisant l'évacuation des poussières et la dissipation de la chaleur, et sont compatibles avec divers fluides de coupe. La température de meulage est basse, la meule s'use moins, conserve bien sa forme et offre une précision optimale. Cependant, la présence de diamant et de liant entraîne la formation de piqûres sur la surface de l'outil. Utiliser en fonction des matériaux à traiter, de l'efficacité globale du meulage, de la durabilité de l'abrasif et de la qualité de surface de la pièce.
Les recherches sur l'efficacité du meulage visent principalement à améliorer la productivité et à maîtriser les coûts. Généralement, le taux de meulage Q (enlèvement de PCD par unité de temps) et le taux d'usure G (rapport entre l'enlèvement de PCD et la perte de matière de la meule) sont utilisés comme critères d'évaluation.
Le chercheur allemand KENTER a testé la rectification d'un outil PCD à pression constante : ① L'augmentation de la vitesse de la meule, de la granulométrie du PCD et de la concentration du liquide de refroidissement réduit la vitesse de rectification et le taux d'usure ; ② L'augmentation de la granulométrie, de la pression constante et de la concentration de diamant dans la meule accroît la vitesse de rectification et le taux d'usure ; ③ Le type de liant influe sur la vitesse de rectification et le taux d'usure. KENTER a étudié de manière systématique le processus de rectification des lames d'un outil PCD, mais n'a pas analysé systématiquement l'influence de ce processus.

3. Utilisation et défaillance des outils de coupe PCD
(1) Sélection des paramètres de coupe de l'outil
Durant la phase initiale d'utilisation de l'outil PCD, l'arête de coupe s'est progressivement passivée, améliorant ainsi la qualité de la surface usinée. La passivation permet d'éliminer efficacement les micro-fissures et les petites bavures issues de l'affûtage, d'améliorer la qualité de surface de l'arête de coupe et, simultanément, de créer un rayon de courbure qui contribue à lisser et à réparer la surface usinée, améliorant ainsi la qualité de la pièce.
Pour le fraisage de surfaces d'alliages d'aluminium avec un outil PCD, la vitesse de coupe est généralement de 4 000 m/min, et celle pour le perçage de trous de 800 m/min. L'usinage de métaux non ferreux à haute plasticité requiert une vitesse de rotation plus élevée (300 à 1 000 m/min). L'avance recommandée se situe généralement entre 0,08 et 0,15 mm/tr. Une avance trop importante augmente l'effort de coupe et la surface résiduelle de la pièce ; une avance trop faible engendre une augmentation de la chaleur de coupe et de l'usure. L'augmentation de la profondeur de coupe entraîne une augmentation de l'effort de coupe et de la chaleur de coupe, et diminue la durée de vie de l'outil. Une profondeur de coupe excessive peut facilement provoquer la rupture de l'outil ; une profondeur de coupe insuffisante conduit à un écrouissage, à une usure prématurée et même à la rupture de l'outil.
(2) Forme de port
Lors de l'usinage d'une pièce, l'usure est inévitable en raison du frottement, des températures élevées et d'autres facteurs. L'usure d'un outil diamanté se compose de trois phases : une phase d'usure rapide initiale (également appelée phase de transition), une phase d'usure stable à taux d'usure constant, puis une nouvelle phase d'usure rapide. Cette dernière indique que l'outil est hors d'usage et nécessite un réaffûtage. Les formes d'usure des outils de coupe comprennent l'usure par adhérence (usure par soudage à froid), l'usure par diffusion, l'usure abrasive, l'usure par oxydation, etc.
Contrairement aux outils traditionnels, l'usure des outils en PCD se manifeste par trois types d'usure : l'usure par adhérence, l'usure par diffusion et l'endommagement de la couche polycristalline. Ce dernier est la principale cause d'usure et se traduit par un léger affaissement de la lame suite à un impact extérieur ou par une perte d'adhérence du PCD, formant un interstice. Ce type d'endommagement, de nature physico-mécanique, peut entraîner une réduction de la précision d'usinage et la mise au rebut des pièces. La granulométrie du PCD, la forme et l'angle de la lame, le matériau de la pièce et les paramètres d'usinage influent sur la résistance de la lame et la force de coupe, et donc sur l'endommagement de la couche polycristalline. En pratique, il est essentiel de sélectionner la granulométrie appropriée des matières premières, les paramètres de l'outil et les paramètres d'usinage en fonction des conditions d'usinage.

4. Tendances de développement des outils de coupe PCD
Actuellement, le champ d'application des outils PCD s'est étendu du tournage traditionnel au perçage, au fraisage et à la découpe à grande vitesse, et leur utilisation est largement répandue tant au niveau national qu'international. Le développement rapide des véhicules électriques a non seulement bouleversé l'industrie automobile traditionnelle, mais a également engendré des défis sans précédent pour l'industrie de l'outillage, l'incitant à accélérer son optimisation et son innovation.
L'utilisation généralisée des outils de coupe en PCD a approfondi et stimulé la recherche et le développement dans ce domaine. Grâce à ces recherches, les spécifications des outils en PCD sont de plus en plus fines, la qualité du grain est optimisée, l'uniformité des performances, la vitesse d'affûtage et le taux d'usure sont améliorés, et la forme et la structure des outils se diversifient. Les axes de recherche concernant les outils en PCD sont les suivants : ① recherche et développement de couches minces de PCD ; ② recherche et développement de nouveaux matériaux pour outils en PCD ; ③ recherche sur l'amélioration du soudage des outils en PCD et la réduction des coûts ; ④ recherche sur l'amélioration du processus d'affûtage des lames d'outils en PCD pour accroître l'efficacité ; ⑤ recherche sur l'optimisation des paramètres des outils en PCD et leur utilisation en fonction des conditions locales ; ⑥ recherche sur la sélection rationnelle des paramètres de coupe en fonction des matériaux usinés.
bref résumé
(1) Les performances de coupe des outils PCD compensent les lacunes de nombreux outils en carbure ; en même temps, leur prix est bien inférieur à celui des outils en diamant monocristallin, ce qui en fait un outil prometteur pour la coupe moderne ;
(2) En fonction du type et des performances des matériaux traités, une sélection raisonnable de la taille des particules et des paramètres des outils PCD est nécessaire, condition préalable à la fabrication et à l'utilisation des outils.
(3) Le PCD possède une dureté élevée, ce qui en fait le matériau idéal pour les lames de coupe, mais complexifie également la fabrication des outils de coupe. Lors de la fabrication, il convient de prendre en compte la complexité du processus et les exigences de traitement afin d'obtenir le meilleur rapport coût-efficacité.
(4) Dans le comté de couteaux, pour le traitement des matériaux PCD, nous devons sélectionner raisonnablement les paramètres de coupe, sur la base de la satisfaction des performances du produit, afin de prolonger autant que possible la durée de vie de l'outil et d'atteindre l'équilibre entre la durée de vie de l'outil, l'efficacité de la production et la qualité du produit ;
(5) Rechercher et développer de nouveaux matériaux d'outillage PCD pour surmonter ses inconvénients inhérents
Cet article provient de «réseau de matériaux superdurs"