Faculté des sciences de base SB, Département de physique, Institut de physique de la matière complexe IPMC

Propriétés mécaniques à haute température de cermets Ti(C,N)-WC-Mo-Co à gradient de composition pour outils de coupe

Bolognini, Stéphane ; Benoit, Willy (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2000 ; no 2161.

Ajouter à la liste personnelle
    Summary
    The materials used for cutting tool applications are principally divided in two classes: the WC-Co cemented carbides, tough but with a limited resistance to deformation at high temperature, and the TiCN-Mo-Co cermets, more refractory but less tough than the WC-Co. The goal of this study of TiCN-WC-Mo-Co cermets is to optimise the combination of the toughness of WC-Co with the resistance to deformation at elevated temperatures of TiCN-Mo-Co. Furthermore, a composition gradient is introduced in these materials to obtain a TiCN-WC-Mo-Co core, resistant to deformation, coated with a tough WC-Co layer. The tough surface layer is added to avoid the formation of cracks which are responsible for the rupture of cutting tools. The scope of this work includes a study of the mechanisms responsible for the deformation in TiCN-WC-Mo-Co cermets and the influence of a WC-Co surface layer on the mechanical properties of cutting tools. For this purpose, low frequency mechanical spectroscopy measurements are conducted on TiCN-WC-Mo-Co cermets, which are completed by three point bend tests as well as by transmission and scanning electron microscope observations. The results obtained from deformation tests makes it possible to define three temperature domains, valid for all the materials used for cutting tool applications: domain I (T < 900 K), in which the hardmetal exhibits a pure elastic deformation with a brittle rupture; domain II (900 K < T < 1300 K), characterised by an increase in toughness and by the beginning of the plastic deformation, first in the binder (Co,Ni) and then in the TiCN grains when present; domain III (T > 1300 K), in which the plastic deformation of hardmetal becomes very high and occurs by grain boundary sliding. These domains are characterised by respective internal friction peaks, localised in the material phase where microplasticity occurs. A good agreement is observed between internal friction peaks and creep mechanisms, particularly when comparing the thermal activation measurements. A grain boundary sliding model is presented to explain the high temperature creep (domain III) of materials used for cutting tool applications. An original method to measure the KIC factor is presented. This method, which uses the presence of a CVD coating characteristic of cutting tools, makes it possible to exhibit the positive influence of a WC-Co surface zone on the macroscopic toughness of hardmetals for cutting tools.
    Résumé
    Les matériaux destinés aux outils de coupe se répartissent principalement en deux classes: les carbures cémentés WC-Co, tenaces mais avec une résistance à la déformation à haute température limitée, et les cermets TiCN-Mo-(Co,Ni), plus réfractaires mais moins tenaces que les WC-Co. Les cermets TiCN-WC-Mo-Co étudiés dans le cadre de ce travail sont élaborés dans le but d’associer la bonne ténacité des WC-Co à la grande résistance à la déformation à haute température des TiCN-Mo-Co. De plus, un gradient de composition est introduit dans ces matériaux afin d’obtenir un coeur TiCN-WC-Mo-Co résistant à la déformation recouvert en surface d’une zone tenace de WC-Co pour éviter la création de fissures qui peuvent conduire à la rupture des outils de coupe. Ce travail s’intéresse aux mécanismes responsables de la déformation dans les cermets TiCN-WC-Mo-Co ainsi qu’à l’influence d’une zone de WC-Co en surface sur les propriétés mécaniques des outils de coupe. Dans ce but, des mesures de spectroscopie mécanique à basse fréquence sont effectuées sur des cermets TiCN-WC-Mo-Co de diverses compositions, complétées par des essais de déformation en flexion trois points et par des observations en microscopie électronique à transmission et à balayage. Les résultats obtenus lors des essais de déformation conduisent à la définition de trois domaines de température, valables pour tous les matériaux destinés aux outils de coupe: le domaine I (T < 900 K), dans lequel les matériaux présentent une déformation purement élastique accompagnée par une rupture fragile; le domaine II (900 K < T < 1300 K), caractérisé par une augmentation de la ténacité et par l’apparition de la déformation plastique, tout d’abord dans le liant (Co,Ni) puis dans les grains de TiCN lorsqu’ils sont présents; le domaine III (T > 1300 K), dans lequel la déformation plastique des matériaux devient importante et opère par glissement aux joints de grains. Ces domaines sont marqués par des pics de frottement intérieur respectifs, localisés dans la phase du matériau où les phénomènes de microplasticité opèrent. Une bonne correspondance est observée entre les paramètres d’activation thermique à l’origine des pics de frottement intérieur et ceux des mécanismes de fluage. Un modèle de glissement aux joints de grains est présenté pour expliquer le fluage à haute température (domaine III) dans les matériaux destinés aux outils de coupe. Une méthode particulière de mesure du facteur KIC, utilisant la présence d’une couche CVD propre aux outils de coupe, permet de mettre en évidence l’influence bénéfique d’une zone de WC-Co en surface sur la ténacité macroscopique des métaux durs pour outils de coupe.